第二章：激光材料2

1、B12B21A21E2E12121nwnAwE1和和E2能級上單位體能級上單位體積的原子數(shù)分別為積的原子數(shù)分別為n1和和n2。原子的吸收速率和受原子的吸收速率和受激輻射速率都等于激輻射速率都等于wA21是自發(fā)輻射系數(shù)是自發(fā)輻射系數(shù)212221()dnw nnndt20dndtn2的變化率的變化率:吸收和輻射平衡時：吸收和輻射平衡時：wA31w23A32E3E2E1A21w121232331323212313221232121233132wnw nnAwAwAnwnw nnwA 313132323232121212232323dnwnA nw nA ndtdnw nA nw nA ndtn2，

2、n3的變化率的變化率:320dndndtdt吸收和輻射平衡時：吸收和輻射平衡時：2121nwnw快快慢慢快快EE3E2E1在外界激勵的條件下，基態(tài)在外界激勵的條件下，基態(tài)E1的粒子大量地躍遷到的粒子大量地躍遷到E4，又迅，又迅速轉(zhuǎn)移到速轉(zhuǎn)移到E3，E3是亞穩(wěn)態(tài)壽命長，是亞穩(wěn)態(tài)壽命長，E2能級壽命短，到了能級壽命短，到了E2能能級的粒子很快回到基態(tài)。級的粒子很快回到基態(tài)。因此，因此，四能級系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是四能級系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是E2和和E3之間之間。 （1）紅寶石晶體）紅寶石晶體紅寶石的化學(xué)表示式為紅寶石的化學(xué)表示式為Cr3+: Al203,其激活離子是三價鉻離子其激活離子是三價鉻離子Cr3+

3、,基質(zhì)是剛玉晶基質(zhì)是剛玉晶體體(化學(xué)成分是化學(xué)成分是A12O3)。紅寶石是在紅寶石是在Al2O3中摻入適量的中摻入適量的Cr3+,使使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。摻入而成。摻入Cr2O3的的最佳量一般在最佳量一般在0.05%(重量比重量比)左右左右,相應(yīng)的相應(yīng)的Cr3+密度為密度為ntot=1.58x1019cm-3。 紅寶石晶體結(jié)構(gòu)紅寶石的基本物理化學(xué)特性莫氏硬度9熔點2050（攝氏度）熱導(dǎo)率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)熱膨脹系數(shù)6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕Cr3+在很強的晶格場作用下在很強的晶格場作

4、用下,其能級發(fā)生很大其能級發(fā)生很大的變化的變化,呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級分裂和重新呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級分裂和重新組成的情況。組成的情況。4A2是基態(tài)又是激光下能級是基態(tài)又是激光下能級,其簡并度其簡并度g1=4, 2E是亞穩(wěn)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài),它是由能量差為它是由能量差為29cm的的2A和和E二二能級組成能級組成,其簡并度都為其簡并度都為2。4F1和和4F2是兩個是兩個吸收能帶。吸收能帶。紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)原子原子Cr的外層電子組態(tài)為的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻摻入入Al2O3后失去外層三個電子成為三后失去外層三個電子成為三價鉻離子價鉻離子Cr3+，Cr3+的最外層電子組的

5、最外層電子組態(tài)為態(tài)為3d3。由由4A2向向4F1躍遷吸收紫藍(lán)光躍遷吸收紫藍(lán)光,峰值波長在峰值波長在0.41um附近附近,稱為紫帶或稱為紫帶或U帶。帶。由由4A2向向4F2躍遷吸收黃綠光躍遷吸收黃綠光,峰值波長在峰值波長在0.55m附近附近,稱為綠帶或稱為綠帶或Y帶。帶。這是兩個很強很寬的吸收譜帶這是兩個很強很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約吸收帶寬均約0.1um左右。左右。由于紅寶石晶體的各向異性由于紅寶石晶體的各向異性,它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu) 紅寶石有兩條強熒光

6、譜線紅寶石有兩條強熒光譜線(R1和和R2線線),分別為分別為E和和2A能態(tài)向能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的躍遷產(chǎn)生的,室溫下對應(yīng)室溫下對應(yīng)的中心波長分別為的中心波長分別為0.6943um和和0.6929um。通常紅寶石激光器中只有通常紅寶石激光器中只有 R1=0.6943m線才能形成激光輸出。線才能形成激光輸出。（1）亞穩(wěn)態(tài)能級）亞穩(wěn)態(tài)能級2E分裂成分裂成2A和和E兩能級，躍兩能級，躍遷到遷到2E上的粒子按波爾茲曼分布規(guī)律分布于上的粒子按波爾茲曼分布規(guī)律分布于2A和和E上上,2A能級上約占能級上約占47%，E能級上約占能級上約占53%。E能級比能級比2A能級有更多的粒子數(shù)。能級有更多的粒子數(shù)。（2）由

7、于）由于R1線熒光強度比線熒光強度比R2線高線高,使得使得R1線線的受激輻射幾率比的受激輻射幾率比R2線高。因此線高。因此,R1線容易達(dá)線容易達(dá)到閾值而形成激光振蕩。到閾值而形成激光振蕩。紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)為什么紅寶石激光器通常只產(chǎn)生為什么紅寶石激光器通常只產(chǎn)生0.6943um的受激輻射？的受激輻射？（3）2A和和E相距很近相距很近,一旦一旦E上的粒子躍遷后上的粒子躍遷后,2A上的粒子便迅速地上的粒子便迅速地(約約10ns)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到E上去上去,這就加強了這就加強了R1線線,而抑制了而抑制了R2線。在激光脈沖持續(xù)時線。在激光脈沖持續(xù)時間遠(yuǎn)大于間遠(yuǎn)大于10-9s時

8、時,亞穩(wěn)態(tài)上的位子均將通過亞穩(wěn)態(tài)上的位子均將通過R1線的受激輻射回到基態(tài)線的受激輻射回到基態(tài),因因此可把此可把E,2A合并起來看成一個簡并度合并起來看成一個簡并度g2=4的能級。的能級。缺點缺點是閾值高是閾值高(因是三能級因是三能級)和性能易隨溫度變化。和性能易隨溫度變化。優(yōu)點優(yōu)點:機械強度高機械強度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度; 容易生長成較大尺寸容易生長成較大尺寸; 亞穩(wěn)態(tài)壽命長亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大儲能大,可得到大能量輸出可得到大能量輸出;熒光譜線較寬熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出可得到連續(xù)輸

9、出;紅寶石激光器輸出的紅光紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應(yīng)靈敏度較高目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。因此因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。用紅寶石制成的紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。用紅寶石制成的大尺寸大尺寸單脈沖器件單脈沖器件輸出能量已達(dá)上千焦耳。單級調(diào)輸出能量已達(dá)上千焦耳。單級調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進(jìn)行了測距試驗用這

10、類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進(jìn)行了測距試驗)。多級放大器件。多級放大器件的輸出峰值功率已達(dá)數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。的輸出峰值功率已達(dá)數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。Nd3+:YAG的激活離子為的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是基質(zhì)是YAG晶體晶體(釔鋁石榴石晶體釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡稱的簡稱)。Nd3+部分取代部分取代YAG中的中的Y3+便成為便成為Nd3+:YAG。一般含一般含Nd3+量為量為1%原子比原子比,此時此時Nd3+的密度為的密度為1.381020cm-3,顏色為淡顏色為淡紫色紫色。實際制備時是將一定比例的實際制備時是將一定比例的A1203、Y2O3和和Nd2O3在單晶爐中熔化結(jié)晶

11、而成。在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶系屬立方晶系,是各向同性晶體。是各向同性晶體。摻釹釔鋁石榴石激光器摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子的激活粒子是釹離子(Nd3)Nd3:YAG 晶體的吸收光譜晶體的吸收光譜Nd3:YAG 的能級結(jié)構(gòu)的能級結(jié)構(gòu)摻摻Nd3的的YAG中中屬于四能級系統(tǒng)。屬于四能級系統(tǒng)。 1.06um比比1.35um的熒光約強四倍的熒光約強四倍,1.06um的譜線先起振的譜線先起振,進(jìn)而抑制進(jìn)而抑制1.35um譜線起譜線起振振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生激光器通常只產(chǎn)生1.06um激光。激光。1961年出現(xiàn)釹玻璃激光器。年出現(xiàn)釹玻璃激光器。釹玻璃

12、是在某種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的釹玻璃是在某種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。制成的。最佳摻入最佳摻入Nd2O3量為量為1%5%重量比。對應(yīng)重量比。對應(yīng)3%的摻入量的摻入量,Nd3+的濃的濃度為度為31020/cm3。Nd3+在硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。在硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。玻璃的制備工藝比較成熟玻璃的制備工藝比較成熟,易獲得良爭好的光學(xué)均勻性易獲得良爭好的光學(xué)均勻性,玻璃的形狀和尺寸玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達(dá)也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達(dá)12m,直徑直徑30100mm,可用來制可用來制成特大能量的激光器。小的可以

13、做成直徑僅幾微米的玻璃纖維成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路用于集成光路中的光放大或振蕩。中的光放大或振蕩。缺點：缺點：釹玻璃最大的缺點是導(dǎo)熱率太低釹玻璃最大的缺點是導(dǎo)熱率太低,熱脹系數(shù)太大熱脹系數(shù)太大,因此不適于作連續(xù)器件和高因此不適于作連續(xù)器件和高頻運轉(zhuǎn)的器件頻運轉(zhuǎn)的器件,且在應(yīng)用時要特別注意防止自身破壞。且在應(yīng)用時要特別注意防止自身破壞。釹玻璃激光器釹玻璃激光器E4:含三個吸收帶含三個吸收帶(抽運能帶抽運能帶) *(吸收特定波長的光而躍遷到吸收特定波長的光而躍遷到這三個吸收帶這三個吸收帶) 2/52G2/92F2/74F(中心波長中心波長5900A)(.

14、 7500A)(. 8000A)E3:三條激光譜線公共的激光三條激光譜線公共的激光上能級上能級 2/34FE2: 含二條激光譜線的二個激含二條激光譜線的二個激光下能級光下能級(四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)), 即即2/314I2/34F2/314I( ,對應(yīng)對應(yīng)1.4m 譜線譜線)2/114I( ,對應(yīng)對應(yīng)1.06m譜線譜線) 2/34F2/114IE1:基態(tài)基態(tài), 一條激光譜線的激光一條激光譜線的激光下能級下能級(三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)): 2/94I2/34F2/94I( 對應(yīng)0.9m譜線) 躍遷譜線躍遷譜線: 1.06m:四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng), 躍遷躍遷幾率大幾率大, 通?？捎^察到通?？捎^察到;

15、1.4m: 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng), 躍遷躍遷幾率較小幾率較小, 不一定可觀不一定可觀 察到察到;0.9m:三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng), 難實難實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 一般不一般不 出現(xiàn)出現(xiàn). 一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵一般都采用光泵浦激勵。惰性氣體放電燈惰性氣體放電燈( (燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體) )金屬蒸氣燈金屬蒸氣燈( (燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）鹵化物燈鹵化物燈( (碘鎢燈、鑷鎢燈等碘鎢燈、鑷鎢燈等) )半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器日光泵日光泵( (用聚光鏡將日光會聚

16、到激光棒中用聚光鏡將日光會聚到激光棒中) )常常用用的的泵泵浦浦光光源源脈沖氙燈的輻射強度和輻射效率較其他燈都高脈沖氙燈的輻射強度和輻射效率較其他燈都高, ,是紅寶石釹玻璃和是紅寶石釹玻璃和Nd:YAGNd:YAG脈沖激光器中應(yīng)脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的一種燈用最廣泛的一種燈. .氪燈在低電流密度下工作時氪燈在低電流密度下工作時, ,其輻射光譜與其輻射光譜與Nd:YAGNd:YAG泵浦吸收帶相匹配泵浦吸收帶相匹配, ,故在連續(xù)和小能量故在連續(xù)和小能量脈沖脈沖Nd:YAGNd:YAG器件中得到比較多的采用。器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用碘鎢燈用220V220V電壓即可電壓即可, ,使用簡單、方便

17、使用簡單、方便, ,在功率小于在功率小于1OW1OW的連續(xù)的連續(xù)Nd:YAGNd:YAG器件中可以應(yīng)用。器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多用高壓乘蒸氣燈紅寶石連續(xù)激光器多用高壓乘蒸氣燈, ,它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小, ,產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配, ,可用于小型摻可用于小型摻鐵激光器。鐵激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。燈泵浦系統(tǒng)包括燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈泵燈和和聚光器聚光器。 二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個基本條二、

18、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個基本條件。件。有很高的發(fā)光效率輻射的有很高的發(fā)光效率輻射的光譜特性應(yīng)與激光各種物質(zhì)的吸收光譜特性應(yīng)與激光各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配光譜相匹配. .電極是用高熔點、高電子發(fā)射率電極是用高熔點、高電子發(fā)射率, ,又不易濺射的金屬材料制成。常用的電極又不易濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢。材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢。高功率燈的電極要設(shè)計成水冷結(jié)構(gòu)高功率燈的電極要設(shè)計成水冷結(jié)構(gòu), ,見圖見圖(b)(b)。燈管材料用機械強度高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。燈管材料用機械強度高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙燈管內(nèi)充入氙(Xe)(Xe)、氪、

19、氪(kr)(kr)氣體。氣體。電極電極燈管燈管充入的氣體充入的氣體聚光器的作用：聚光器的作用：將泵浦光源輻射的光能最大限度地聚集到工作物質(zhì)上去聚光將泵浦光源輻射的光能最大限度地聚集到工作物質(zhì)上去聚光器設(shè)計得好壞直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率和激光性能。器設(shè)計得好壞直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率和激光性能。泵浦腔泵浦腔聚光器的分類：聚光器的分類：橢圓柱聚光器橢圓柱聚光器圓柱聚光器圓柱聚光器這種聚光器的內(nèi)反射表面的這種聚光器的內(nèi)反射表面的橫截面是一橢圓橫截面是一橢圓?！敖股戏胖媒股戏胖谩比绻阎惫軣艉桶舴謩e置于橢圓柱聚光器的兩條如果把直管燈和棒分別置于橢圓柱聚光器的兩條焦線上焦線上( (如圖如圖a a所示所示

20、),),則可以得到比較好的聚光效果。則可以得到比較好的聚光效果?！敖雇夥胖媒雇夥胖谩?將泵燈和激光棒平行地安置在焦線和腔壁之間將泵燈和激光棒平行地安置在焦線和腔壁之間 ( (如如圖圖b b所示所示) )。圖圖b b橢圓腔的焦外幾何光路橢圓腔的焦外幾何光路圖圖a a橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光器橢圓柱聚光器橢圓長軸上焦點外任意點發(fā)出的光橢圓長軸上焦點外任意點發(fā)出的光, ,經(jīng)橢圓經(jīng)橢圓反射后必交于另一端焦點外的長軸上反射后必交于另一端焦點外的長軸上, ,因此因此, ,焦外放置的棒可以截獲焦外放置的泵燈所輻焦外放置的棒可以截獲焦外放置的泵燈所輻射的大部分能量。射的大部分能量。焦外放置不如焦上放

21、置成象質(zhì)量好焦外放置不如焦上放置成象質(zhì)量好, ,但采用但采用焦外放置焦外放置, ,結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以做得比較緊湊。結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以做得比較緊湊。 設(shè)橢圓的長半軸為設(shè)橢圓的長半軸為a,a,短半軸為短半軸為b, ,焦距為焦距為2 2c, ,偏心率為偏心率為e=c/a. 為了盡可能利用沿軸向發(fā)射的泵燈光能為了盡可能利用沿軸向發(fā)射的泵燈光能, ,在橢圓柱的兩端應(yīng)有反射端在橢圓柱的兩端應(yīng)有反射端面。但當(dāng)聚光器橫向尺寸較小面。但當(dāng)聚光器橫向尺寸較小, ,而軸向尺寸比棒、燈長得多時而軸向尺寸比棒、燈長得多時, ,兩端也可以兩端也可以不加反射面不加反射面, ,因為此時可利用的軸向光能很少。因為此時可利用的軸向光能很

22、少。cabO在燈內(nèi)徑和激光工作物質(zhì)確定后在燈內(nèi)徑和激光工作物質(zhì)確定后, ,e越小越小, ,聚光器的聚光效率越高聚光器的聚光效率越高, ,因為因為e小小, ,泵燈截面經(jīng)橢圓面反射后成象彌散小泵燈截面經(jīng)橢圓面反射后成象彌散小, ,光能被工作物質(zhì)截獲得多。光能被工作物質(zhì)截獲得多。但但e太小太小, ,意味著意味著a大或大或c小小. .a大則聚光器尺寸大。大則聚光器尺寸大。c小則二焦點靠得近小則二焦點靠得近, ,采用采用 焦點焦點 放置時則燈和工作物質(zhì)靠得近放置時則燈和工作物質(zhì)靠得近, ,直照強直照強, ,容容易造成工作物質(zhì)光照不均勻易造成工作物質(zhì)光照不均勻, ,影響激光光斑質(zhì)量影響激光光斑質(zhì)量. .因

23、此因此, ,一般取一般取e=0.4為宜為宜。這種聚光器的內(nèi)反射表面是一個圓柱空腔這種聚光器的內(nèi)反射表面是一個圓柱空腔, ,激光棒和泵燈置于軸線兩激光棒和泵燈置于軸線兩側(cè)側(cè). .由于圓相當(dāng)于焦點重合的橢圓由于圓相當(dāng)于焦點重合的橢圓, ,因此圓柱聚光器內(nèi)棒、燈的放置相因此圓柱聚光器內(nèi)棒、燈的放置相當(dāng)于橢圓柱聚光器的當(dāng)于橢圓柱聚光器的 焦外放置焦外放置 。圓柱聚光器對泵浦光的聚焦能力不如橢圓柱聚光器強圓柱聚光器對泵浦光的聚焦能力不如橢圓柱聚光器強, ,而且在同樣棒、而且在同樣棒、燈直徑情況下燈直徑情況下, ,圓柱聚光器橫截面積大圓柱聚光器橫截面積大, ,體積也大。體積也大。但圓柱聚光器具有結(jié)構(gòu)簡單、

24、加工方便等優(yōu)點。但圓柱聚光器具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便等優(yōu)點。圓柱聚光器圓柱聚光器兩種聚光器的比較兩種聚光器的比較三、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要三、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。 四、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入四、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。濾去泵浦光中的紫外光譜。 一、氦一、氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器氣體激光器放電管中充入一定比例的氦（放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（）、氖（Ne）

25、氣體，當(dāng)電極加上高電壓后，）氣體，當(dāng)電極加上高電壓后，毛細(xì)管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室與毛細(xì)管相連，毛細(xì)管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室與毛細(xì)管相連，這里不發(fā)生氣體放電，它的作用是補償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成這里不發(fā)生氣體放電，它的作用是補償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成He, Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。放電管一般是用放電管一般是用GG17玻璃制成。輸出功率和波長要求穩(wěn)定性好的器件可用玻璃制成。輸出功率和波長要求穩(wěn)定性好的器件可用 熱脹系數(shù)小的石英玻璃制作。熱脹系

26、數(shù)小的石英玻璃制作。 He-Ne激光器激光器激光管激光管激光電源激光電源放電管：放電管：毛細(xì)管和貯氣室毛細(xì)管和貯氣室電極電極光學(xué)諧振腔組成。光學(xué)諧振腔組成。He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式激光器的基本結(jié)構(gòu)形式氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器基本結(jié)構(gòu)形式激光器基本結(jié)構(gòu)形式 HeNe激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。，凹面鏡為全反射鏡。 HeNe激光管的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)激光管的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，按諧振腔與放電管的放置方式不同

27、可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。 將諧振腔的兩反射鏡調(diào)整好后，用膠固定在放電管的兩端。將諧振腔的兩反射鏡調(diào)整好后，用膠固定在放電管的兩端。優(yōu)點：優(yōu)點：使用時不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便，使用時不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便，陰極與毛細(xì)管同軸放置，其結(jié)構(gòu)緊湊、陰極與毛細(xì)管同軸放置，其結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。不易碎裂，安裝方便。 缺點：缺點：在工作過程中放電管受熱變形時，諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造在工作過程中放電管受熱變形時，諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長，其熱穩(wěn)定性越差，所以內(nèi)腔式激光管成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長，其熱穩(wěn)定性

28、越差，所以內(nèi)腔式激光管的長度一般不超過一米。而且當(dāng)諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面的長度一般不超過一米。而且當(dāng)諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無法清除。并且污染后也無法清除。并且由于陰極放在放電管內(nèi)，陰極濺射物質(zhì)易污染窗片，使由于陰極放在放電管內(nèi)，陰極濺射物質(zhì)易污染窗片，使用壽命低，同時由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，使同軸式激光管功率的用壽命低，同時由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，使同軸式激光管功率的穩(wěn)定性不如旁軸式。穩(wěn)定性不如旁軸式。 內(nèi)腔式內(nèi)腔式 優(yōu)點：優(yōu)點：這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離，這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離，可增加儲氣量可

29、增加儲氣量。同時濺射物質(zhì)不易污染窗片，所以壽命比同軸式長，放電管的熱變形同時濺射物質(zhì)不易污染窗片，所以壽命比同軸式長，放電管的熱變形對諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長期使用中能保持穩(wěn)對諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長期使用中能保持穩(wěn)定輸出。定輸出。放電管的兩端貼有布儒斯特窗片，還可使激光得到線偏振的放電管的兩端貼有布儒斯特窗片，還可使激光得到線偏振的激光輸出。激光輸出。缺點：缺點：由于反射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，由于反射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方便使用不方便. 但體積大，安裝但體積大，安裝使用不方便，易破碎。使用不方便，

30、易破碎。 外腔式外腔式氦和氖原子的能級圖氦和氖原子的能級圖 與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖原子的部分能級圖激光器的工作氣體是激光器的工作氣體是He和和Ne，其中產(chǎn)生激光躍遷的是其中產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣，氣，He是輔助氣體，用以提高是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。原子的泵浦速率。He原子有兩個電子，沒激發(fā)時這原子有兩個電子，沒激發(fā)時這兩個原子都分布在兩個原子都分布在1S0殼層上，殼層上，He原子處于基態(tài)。原子處于基態(tài)。當(dāng)當(dāng)He原子受激時，使其中一個電原子受激時，使其中一個電子從子從1S激發(fā)到激發(fā)到2S，He原子成為原子成為激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)。 He原子有兩個亞穩(wěn)態(tài)原子

31、有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級，分別記為能級，分別記為23S1、21S0。與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖原子的部分能級圖氖原子的能級圖氖原子的能級圖 Ne原子有原子有10個個電子，基態(tài)電子，基態(tài)1S0(電子電子分布為分布為1S22S22P6)。激發(fā)態(tài)為激發(fā)態(tài)為1S、2S、3S、2P、3P等，它等，它們對應(yīng)的外層電子組們對應(yīng)的外層電子組態(tài)分別為態(tài)分別為2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。HeNe激光器的激發(fā)過程激光器的激發(fā)過程 在在HeNe激光器中，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過程如下：激光器中，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過程如下： 第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級圖可見，第一是

32、共振轉(zhuǎn)移。由能級圖可見，He原子的原子的21S0、23S1態(tài)分別與態(tài)分別與Ne原子的原子的3S、2S態(tài)態(tài)靠得很近，二者很容易進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)靠得很近，二者很容易進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)95%，其轉(zhuǎn)移過程如下：，其轉(zhuǎn)移過程如下：s2s1Nes3s12s32Hep2p3632.8nm共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移 第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過程中，基態(tài)放電過程中，基態(tài)Ne原子與具有一定原子與具有一定動能的電子進(jìn)行非彈性碰撞，直接被激動能的電子進(jìn)行非彈性碰撞，直接被激發(fā)到發(fā)到2S和和3S態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過程激發(fā)的速

33、率要小得多。種過程激發(fā)的速率要小得多。 第三是串級躍遷，第三是串級躍遷，Ne與電子碰撞被與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和和3S態(tài)，與前述兩過程相比，此過程貢態(tài)，與前述兩過程相比，此過程貢獻(xiàn)最小。獻(xiàn)最小。 與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖原子的部分能級圖 根據(jù)能量躍遷選擇定則，根據(jù)能量躍遷選擇定則，Ne原子可以原子可以產(chǎn)生很多條譜線，其中產(chǎn)生很多條譜線，其中最強最強的譜線有三條，的譜線有三條，即即0.6328um、3.39um和和1.15um，對，對應(yīng)躍遷能級分別為應(yīng)躍遷能級分別為3S22P4,3S23P4和和2S22P4。2P和和3

34、P態(tài)，不能直接向基態(tài)態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向躍遷，而向1S態(tài)躍遷很快。態(tài)躍遷很快。lS態(tài)向基態(tài)的態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時，可把能量交到基態(tài)，但它與管壁碰撞時，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么給管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么HeNe激光器中要有一根內(nèi)徑較細(xì)的放激光器中要有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因。電管的原因。 從能級圖可見，從能級圖可見，HeNe激光器是典型激光器是典型的四能級系統(tǒng)。的四能級系統(tǒng)。HeNe激光器的輸出特性激光器的輸出特性 譜線競爭譜線競爭: He-Ne激光器三條強的激光譜線：激光

35、器三條強的激光譜線： 3S2P 0. .6328 m ， 2S2P 1. .15 m ， 3S3P 3. .39 m 中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。 0.6328um和和3.39umm兩條激光譜兩條激光譜線有共同的激光上能級線有共同的激光上能級3S,而后者增益系數(shù)而后者增益系數(shù)比較高比較高,如果不進(jìn)行抑制如果不進(jìn)行抑制,則則3.39um的輻射的輻射在腔內(nèi)振蕩過程中將消耗大量的在腔內(nèi)振蕩過程中將消耗大量的3S2態(tài)原子。態(tài)原子。抑制抑制3.39um輻射的辦法主要有輻射的辦法主要有:與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的Ne

36、原子的部分能級圖原子的部分能級圖選用對選用對3.39um的光具有低反射率的諧振的光具有低反射率的諧振腔反射鏡腔反射鏡,使使339um達(dá)不到閾值條件達(dá)不到閾值條件,如下如下圖所示圖所示,在腔內(nèi)加色散棱鏡在腔內(nèi)加色散棱鏡,將兩譜線分開將兩譜線分開,通過調(diào)整諧振腔反射鏡的位置通過調(diào)整諧振腔反射鏡的位置,只允許只允許0.6328um的輻射起振的輻射起振,而使而使3.39um的輻的輻射偏離出諧振腔外射偏離出諧振腔外;腔內(nèi)放置甲烷吸收盒腔內(nèi)放置甲烷吸收盒,因為甲烷對因為甲烷對3.39um的光具有強吸收而對的光具有強吸收而對0.6328um的光的光透明透明,因此可因此可用甲烷抑制用甲烷抑制3.39um振蕩振

37、蕩;外加非均勻磁場也能抑制外加非均勻磁場也能抑制3.39um振蕩。根據(jù)塞曼效應(yīng)振蕩。根據(jù)塞曼效應(yīng),磁場可引起譜線分裂磁場可引起譜線分裂,分分裂的大小與磁場強度成正比。如果激光管內(nèi)磁場分布不均勻裂的大小與磁場強度成正比。如果激光管內(nèi)磁場分布不均勻,則各處譜線分裂程度則各處譜線分裂程度不同并連成一片不同并連成一片,相當(dāng)于譜線變寬。相當(dāng)于譜線變寬。300高斯非均勻磁場中高斯非均勻磁場中,兩譜線加寬均約兩譜線加寬均約900MHz,0.6328umm原譜線半寬度約原譜線半寬度約1500MHz,非均勻磁場對它展寬的比例不非均勻磁場對它展寬的比例不大。但大。但3.39um原譜線寬只有原譜線寬只有300MHz

38、左右左右,非均勻磁場的加寬比它大幾倍。由于非均勻磁場的加寬比它大幾倍。由于增益系數(shù)反比于線寬增益系數(shù)反比于線寬,所以外加非均勻磁場后所以外加非均勻磁場后,3.39um的增益系數(shù)急劇下降的增益系數(shù)急劇下降,而而0.6328m的增益系數(shù)卻下降很少的增益系數(shù)卻下降很少.結(jié)果提高了結(jié)果提高了0.63281um的競爭能力的競爭能力,3.39um則被抑制。外加非均勻磁場的裝置如上圖所示則被抑制。外加非均勻磁場的裝置如上圖所示,沿放電管軸向放置許多小磁鐵沿放電管軸向放置許多小磁鐵,相鄰相鄰的極性相同的極性相同,這樣就可在放電管軸線上形成非均勻磁場。這樣就可在放電管軸線上形成非均勻磁場。(2) 輸出功率特性輸

39、出功率特性 : He- -Ne激光器的放電電流對輸出功率影響很大。激光器的放電電流對輸出功率影響很大。輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線 右圖表示輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線。右圖表示輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線。曲線表明曲線表明:在氣壓比為定值時在氣壓比為定值時,每個總氣壓都存在每個總氣壓都存在一個輸出最大的放電電流一個輸出最大的放電電流,其大小隨著總氣壓的其大小隨著總氣壓的升高而降低升高而降低,這是因為氣壓升高這是因為氣壓升高,只需要較小的放只需要較小的放電電流就能得到相同的電子密度。電電流就能得到相同的電子密度。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電在最佳充氣條件

40、下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流流叫最佳放電電流 He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條件。氣總壓強，即存在最佳充氣條件。 實驗發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為實驗發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為71時是時是最佳分壓比。而總壓強在最佳分壓比。而總壓強在100Pa400Pa。 選用選用HeHe氣作輔助氣體的原因氣作輔助氣體的原因: :NeNe原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級 ；HeHe* *與與NeNe* *能級極相近能級極相近, , 易發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移易發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移 。若放電毛細(xì)管的直徑為若

41、放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強為，充氣壓強為p，則存在一個使輸出功率最大的最，則存在一個使輸出功率最大的最佳佳p、d值。值。圖給出了在不同的毛細(xì)管內(nèi)徑圖給出了在不同的毛細(xì)管內(nèi)徑d和和長度長度l時時,輸出功率與充氣總氣壓和輸出功率與充氣總氣壓和氣壓比的實驗曲線。由圖可見氣壓比的實驗曲線。由圖可見,內(nèi)內(nèi)徑徑d不同不同,最佳充氣壓和氣壓比也最佳充氣壓和氣壓比也不同。氣壓也增加。計算可得不同。氣壓也增加。計算可得:當(dāng)當(dāng)取最佳充氣條件時取最佳充氣條件時,最佳氣壓最佳氣壓Popt與毛細(xì)管內(nèi)徑的乘積約為一常數(shù)與毛細(xì)管內(nèi)徑的乘積約為一常數(shù),一般一般Poptd=480533Pamm.在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的

42、增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑d成反比。成反比。 五、五、HeNe激光器的壽命激光器的壽命 HeNe激光器使用一段時間或存放一段時間后，它的輸出功率會逐漸降低，激光器使用一段時間或存放一段時間后，它的輸出功率會逐漸降低，以致最后沒有激光輸出。現(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的以致最后沒有激光輸出?，F(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的1e的工作的工作時間為器件的壽命。影響器件壽命的因素大致有以下幾方面：時間為器件的壽命。影響器件壽命的因素大致有以下幾方面： 1慢漏氣慢漏氣 3陰極濺射陰極濺射 2放電管內(nèi)元件放氣放電管內(nèi)元件放氣 4工作氣體的吸附、吸收和滲透

43、工作氣體的吸附、吸收和滲透 5諧振腔反射鏡的污染諧振腔反射鏡的污染目前目前HeNe激光器最長的壽命可達(dá)激光器最長的壽命可達(dá)10萬小時。萬小時。 C02激光器的主要特點是輸出功率大激光器的主要特點是輸出功率大,能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高,輸出波長輸出波長(10.6um) ，廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應(yīng)用。廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應(yīng)用。 C02激光器以激光器以C02、N2和和He的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在C02分子分子的電子基態(tài)的兩個振動的電子基態(tài)的兩個振動-轉(zhuǎn)動能級之間。轉(zhuǎn)動能級之間。N2的作用是提高激光上能級的激

44、勵效率的作用是提高激光上能級的激勵效率,則則有助于激光下能級的抽空。有助于激光下能級的抽空。二氧化碳激光器二氧化碳激光器一、一、 CO2激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 二、二、 CO2激光器的激發(fā)過程激光器的激發(fā)過程 CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖。分子能級圖。 產(chǎn)生激光有關(guān)的產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖分子能級圖C02激光器中激光器中,通過以下三個過程將通過

45、以下三個過程將C02分子分子激發(fā)到激發(fā)到0001能級能級 1.直接電子碰撞直接電子碰撞 電子與基態(tài)電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級。這一過程可表示為到激光上能級。這一過程可表示為 C02(0000)+e C02(0001)+e 2.級聯(lián)躍遷級聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到分子碰撞使其躍遷到000n能級能級,基態(tài)基態(tài)C02分子與高能級分子與高能級C02分子碰撞后躍遷到激分子碰撞后躍遷到激光上能級光上能級,此過程可表示為此過程可表示為C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1) 3.共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移

46、由于由于N2分子分子(v=0)能級和電子碰撞后躍遷到能級和電子碰撞后躍遷到v=1的振動能級。的振動能級。這是一個壽命較長的亞這是一個壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級，因而可積累較多的穩(wěn)態(tài)能級，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)分子，基態(tài)CO2分子與亞穩(wěn)態(tài)分子與亞穩(wěn)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級。躍遷到激光上能級。這一過程可表示為這一過程可表示為 C02(0000)+N2(v=1)C02(0001)+N2(v=0) 由于由于C02分子分子0001能級與能級與N2分子分子v=1能級十分接近能級十分接近,能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外,N2分子的分子的v=24能級與能級

47、與C02分子分子00020004也十分接近也十分接近,相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移,處于處于00020004的的C02分子與基態(tài)分子與基態(tài)C02分子碰撞可將它激勵至分子碰撞可將它激勵至0001能級。能級。產(chǎn)生激光有關(guān)的產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖分子能級圖在以上三種激發(fā)途徑中在以上三種激發(fā)途徑中,共振轉(zhuǎn)移的幾率最大共振轉(zhuǎn)移的幾率最大,作用也最為顯著。作用也最為顯著。C02分子激光躍遷下能級的抽空主要依靠氣體分子激光躍遷下能級的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。分子間的碰撞。 一旦實現(xiàn)了一旦實現(xiàn)了(0001)與與 (1000)、 (0200) 之之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過受激輻射，

48、產(chǎn)生間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過受激輻射，產(chǎn)生: 00011000躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生10.6um波長的激光光波長的激光光00010200躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生9.6um波長的激光。波長的激光。 由于以上躍遷具有同一上能級由于以上躍遷具有同一上能級,而且而且00011000躍遷的幾率大得多躍遷的幾率大得多,所以所以C02激光器激光器通常只輸出通常只輸出10.6m激光。若要得到激光。若要得到9.6um的激的激光振蕩光振蕩,則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制制10.6um激光振蕩。激光振蕩。三、三、 CO2激光器的輸出特性激光器的輸出特性 相應(yīng)于相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，

49、其放電電流有一個最佳值。激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2激光器激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。 實驗指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。實驗指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。 例如：例如： 管徑為管徑為 2030mm 時，時，最佳放電電流為最佳放電電流為3050mA 管徑為管徑為5090mm 時，時，最佳放電電流為最佳放電電流為120150mA(1) 放電特性放電特性 60%60%以上消耗：使氣體溫度的升高：以上消耗：使氣體溫度的升高：1 1、引起激光上能級的消激發(fā)和激光

50、下能級的熱激發(fā)，使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。、引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。2 2、使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。、使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。3 3、引起、引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。分子濃度。 (2) 溫度效應(yīng)：溫度效應(yīng)：CO2激光器的高，但是轉(zhuǎn)換效率激光器的高，但是轉(zhuǎn)換效率40%Eg（3）所加的正向偏壓必須滿足）所加的正向偏壓必須滿足eEeEEVgFF價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準(zhǔn)費米能級來計算區(qū)的準(zhǔn)費米能級來計算 111()1FPEEkTfEe價帶頂電子占據(jù)幾率則為價帶頂電子占據(jù)

51、幾率則為 1111()1()1FNPEEkTfEfEe 考慮激光器工作在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)考慮激光器工作在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)221()1FNEEkTfEe導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率可以用導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率可以用N 區(qū)的區(qū)的費米能級來計算費米能級來計算GaAs激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理一、一、 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)的厚度幾十微米，一般是在結(jié)的厚度幾十微米，一般是在N型型GaAs襯底上生長一薄層襯底上生長一薄層P型型 GaAs 而形成而形成PN 結(jié)。結(jié)。激光器的諧振腔一般是直接利用垂直于激光器的諧振腔一般是直接利

52、用垂直于PN 結(jié)的兩個端面。結(jié)的兩個端面。為了提高輸出功率和降低工作電流，一般使其中一個反射面鍍金為了提高輸出功率和降低工作電流，一般使其中一個反射面鍍金反射膜。反射膜。二、二、 半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件 激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾滿足閾值條件值條件 21ln21rrLaG內(nèi)這說明這說明半導(dǎo)體激光器的增益不僅要大于零半導(dǎo)體激光器的增益不僅要大于零，還必須達(dá)到某一數(shù)，還必須達(dá)到某一數(shù)值才能形成激光。值才能形成激光。 ftcnfAcnG復(fù)合2222221288t復(fù)合復(fù)合結(jié)區(qū)電子壽命結(jié)區(qū)電子壽命

53、t復(fù)合復(fù)合=1/A21 n粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì)諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì) 三、三、半導(dǎo)體激光器的閾值電流半導(dǎo)體激光器的閾值電流 在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡。內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡。 當(dāng)正向電流密度當(dāng)正向電流密度J達(dá)到閾值達(dá)到閾值J閾閾后形成激光。后形成激光。 數(shù)值例：數(shù)值例： GaAs PN 結(jié)激光器結(jié)激光器21216A/cm150 m2 35. 3cm40ln21 MHz103閾總JdrrLav同質(zhì)結(jié)砷化鎵同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性激光器的特性 1.1.伏安特性伏安特性