常用氣體激光器

1、 二氧化碳激光器二氧化碳激光器 屬分子氣體激光器屬分子氣體激光器一、工作原理一、工作原理 CO2分子有三種不同的運動形式： 1 1. .對稱振動對稱振動( (b b) ) 2 2. .形變振動形變振動( (c c) ) 3 3. .非對稱振動非對稱振動( (d d) ) 1 1、CO2分子運動分子運動方向相反方向相反1.CO1.CO2 2氣體是氣體是工作物質工作物質，輔助氣體有，輔助氣體有N N2 2、HeHe、XeXe和和H H2 2等；等； 2.N2.N2 2在氣體中起在氣體中起能量轉移能量轉移作用。作用。N2N2分子受電子碰撞的分子受電子碰撞的概率很概率很大大，放電中使大量，放電中使大量

2、N2N2處于處于亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。通過近。通過近共振碰撞共振碰撞把內能轉把內能轉移給移給CO2CO2分子，分子，實現(xiàn)粒子數(shù)反分布實現(xiàn)粒子數(shù)反分布 ； 3.He3.He對對COCO2 2分子有分子有冷卻作用冷卻作用，也可加速下能級粒子數(shù)，也可加速下能級粒子數(shù)抽空抽空； 4.Xe4.Xe的電離電位低，激光器內的氣體易電離，使的電離電位低，激光器內的氣體易電離，使COCO2 2分子能量分子能量轉換效率提高轉換效率提高10101515。同時在維持放電電流相同的情況。同時在維持放電電流相同的情況下，加入下，加入XeXe后可使后可使放電電壓下降放電電壓下降20203030。 5.H5.H2 2或或(H(H2

3、2O O蒸汽蒸汽) )可促使低能粒子可促使低能粒子抽空抽空，H H2 2O O蒸汽有利于蒸汽有利于COCO2 2分分 子的還原，可子的還原，可延長壽命延長壽命。 2 2、工作物質工作物質 N2N2分子受到電子碰撞分子受到電子碰撞后被激發(fā)并和后被激發(fā)并和CO2CO2分子分子發(fā)發(fā)生碰撞生碰撞， N2N2分子把獲得分子把獲得的的能量傳遞能量傳遞給給CO2CO2分子，分子，使大量的使大量的CO2CO2分子被激發(fā)分子被激發(fā)到到 001001能級時，能級能級時，能級001001和能級和能級 100100之間形成之間形成粒子粒子數(shù)的反分布。數(shù)的反分布。 3 3、CO2分子激發(fā)機理分子激發(fā)機理 HeHe原子質

4、量小，運原子質量小，運動速度快，頻繁地碰撞動速度快，頻繁地碰撞CO2CO2分子，分子，高效地抽運高效地抽運010010能級上的能級上的CO2CO2分子，分子，大大提高了粒子數(shù)反轉大大提高了粒子數(shù)反轉程度。程度。 100100能級和能級和020020能級的能級的分子迅速躍遷到亞穩(wěn)態(tài)分子迅速躍遷到亞穩(wěn)態(tài)010010能級上。因此必須把躍遷能級上。因此必須把躍遷到到010010能級上的能級上的CO2CO2分子分子立立即抽空即抽空，否則不利于粒子，否則不利于粒子數(shù)的反轉。數(shù)的反轉。 二、基本結構二、基本結構 縱向電激勵水冷內腔式封離型縱向電激勵水冷內腔式封離型 CO2CO2激光器的典型結構激光器的典型結

5、構 所謂封離型是指所謂封離型是指工作工作氣體被密封氣體被密封在放在放電管內電管內( (由放電管、由放電管、水冷管和儲氣管三層水冷管和儲氣管三層結構組成結構組成 ) )。 它的優(yōu)點是結構它的優(yōu)點是結構簡單、緊湊。但它的簡單、緊湊。但它的單位放電長度可輸出單位放電長度可輸出的的功率功率比其他結構的比其他結構的（如流動型和氣動型）（如流動型和氣動型）COCO2 2激光器要激光器要低低。折疊式折疊式CO2CO2激光器（水冷套未畫出）激光器（水冷套未畫出）橫向循環(huán)流動橫向循環(huán)流動CO2CO2激光器激光器縱向流動縱向流動CO2CO2激光器激光器三三 、輸出特性、輸出特性1 1、能量轉換效率高、能量轉換效率

6、高 ： 202025% (25% (氦氖激光器的能量轉換氦氖激光器的能量轉換效率僅為千分之幾效率僅為千分之幾) ) ； 2 2、常用的、常用的COCO2 2激光器輸出波長為激光器輸出波長為10.6 10.6 ，屬于中紅外區(qū)，屬于中紅外區(qū)，對人眼損害??；對人眼損害??； m3 3、連續(xù)輸出功率可達萬瓦級，常用電激勵、連續(xù)輸出功率可達萬瓦級，常用電激勵 ； 4 4、溫度效應溫度效應 轉換效率最高也不會超過轉換效率最高也不會超過4040，這就是說，這就是說有有6060以上的能量轉換為氣體的熱能，氣體溫度的升高，將以上的能量轉換為氣體的熱能，氣體溫度的升高，將引起引起CO2CO2分子的分解，降低放電管內

7、的分子的分解，降低放電管內的CO2CO2分子濃度。使激光分子濃度。使激光器的輸出功率下降，因此，器的輸出功率下降，因此，冷卻問題冷卻問題是是CO2CO2激光器正常運轉激光器正常運轉的重要技術問題。的重要技術問題。 原子或分子因某種原因失去電子或獲得電子原子或分子因某種原因失去電子或獲得電子的過程稱為的過程稱為電離電離。若原子失去電子，稱為正離子，。若原子失去電子，稱為正離子，反之則稱為負離子。反之則稱為負離子。 利用離子的能級躍遷所獲得的激光器件稱為利用離子的能級躍遷所獲得的激光器件稱為離子激光器離子激光器。氖、。氖、 氬、氪、氙、鎘蒸氣、硒蒸氣氬、氪、氙、鎘蒸氣、硒蒸氣等均能作離子激光器的工

8、作物質。它們的激光輸?shù)染茏麟x子激光器的工作物質。它們的激光輸出功率比原子氣體激光器要高，達幾十瓦，可連出功率比原子氣體激光器要高，達幾十瓦，可連續(xù)或脈沖輸出。續(xù)或脈沖輸出。氬離子激光器氬離子激光器一、工作原理一、工作原理 激發(fā)過程一般分激發(fā)過程一般分兩步兩步：氣體放電后，放電管中的氣體放電后，放電管中的高速電子與中性氬離子碰高速電子與中性氬離子碰撞，從氬離子中打出一個撞，從氬離子中打出一個電子，使之電離，電子，使之電離，形成處形成處在基態(tài)上的氬離子在基態(tài)上的氬離子；該基；該基態(tài)態(tài)ArAr+ +再與高速電子碰撞，再與高速電子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，當激光，當激光上下能級間產(chǎn)生粒子數(shù)

9、反上下能級間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉時，即可產(chǎn)生氬離子激轉時，即可產(chǎn)生氬離子激光。光。 因此，氬離子激光器因此，氬離子激光器的激活粒子是的激活粒子是ArAr+ +。 采取兩次電子碰撞采取兩次電子碰撞將氬原子激發(fā)到將氬原子激發(fā)到 3p3p4 44P4P態(tài)要比直接碰撞、一次態(tài)要比直接碰撞、一次將氬原子激發(fā)到將氬原子激發(fā)到3p3p4 44P4P態(tài)態(tài)的電子能量要小，后者的電子能量要小，后者只能在低氣壓放電中才只能在低氣壓放電中才有如此大的能量有如此大的能量（35.5eV35.5eV）。）。 由于由于3p3p4 44P 4P 和和3p3p4 44S4S能級上有許多不能級上有許多不同的電子態(tài)，所以氬同的電子態(tài)，所以

10、氬離子激光輸出由豐富離子激光輸出由豐富的譜線。最強的譜線的譜線。最強的譜線波長是波長是488.0nm488.0nm、514.5nm514.5nm。 二、基本結構二、基本結構 氬離子激光器包括：氬離子激光器包括：放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場等。放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場等。氬離子激光器分段石墨放電管 國產(chǎn)的氬離子激光管 三、輸出特點三、輸出特點 1 1、是一種、是一種惰性氣體離子激光器惰性氣體離子激光器 ，在離子激光器中輸出效率，在離子激光器中輸出效率最高；最高； 2 2、其輸出波長較多，主要有、其輸出波長較多，主要有 514.5nm514.5nm和和488.0nm488.

11、0nm兩個藍綠色兩個藍綠色 的譜線，是的譜線，是可見光區(qū)域中最強可見光區(qū)域中最強的激光器。的激光器。 ； 3 3、一般連續(xù)輸出幾瓦到十幾瓦，甚至上百瓦。、一般連續(xù)輸出幾瓦到十幾瓦，甚至上百瓦。 4 4、輸出波長易輸出波長易 被血紅蛋白吸收，所以氬離子激光器對生物被血紅蛋白吸收，所以氬離子激光器對生物止血效果最好止血效果最好。 在臨床上主要用于外科手術，用它作在臨床上主要用于外科手術，用它作“光光刀刀” ，尤其是上、下消化道出血時，氬離子激光器可以利用，尤其是上、下消化道出血時，氬離子激光器可以利用光纖導人內鏡進行止血等非手術治療。目前它廣泛用于眼科光纖導人內鏡進行止血等非手術治療。目前它廣泛用

12、于眼科凝固、皮膚科、內科等綜合治療領域。凝固、皮膚科、內科等綜合治療領域。表表 氬離子激光的可見光光譜線氬離子激光的可見光光譜線激光躍遷能級 波長(nm) 或率（W） 4P2S01/24S2P1/2 457.9 0.35 4P2D03/24S2P3/2 472.7 0.30 4P2P03/24S2P1/2 476.5 0.75 4P2D05/24S2P3/2 488.0 1.50 4P2D03/24S2P1/2 496.5 0.70 4P4D05/24S2P3/2 514.5 2.00 4P4D03/24S2P3/2 528.7 0.34準分子激光器準分子激光器一、工作物質一、工作物質 “準分

13、子準分子” ：不是穩(wěn)定分子。它是：不是穩(wěn)定分子。它是混合氣體混合氣體受到外來受到外來能量激發(fā)所引起的一系列物理和化學的反應中能量激發(fā)所引起的一系列物理和化學的反應中曾經(jīng)形成曾經(jīng)形成但但轉轉瞬即逝瞬即逝的分子，其壽命僅為的分子，其壽命僅為幾十毫秒幾十毫秒。 這類激光器的工作物質是受激的氣體原子這類激光器的工作物質是受激的氣體原子( (如如ArAr、KrKr、XeXe，用，用RgRg表示表示) )和鹵元素和鹵元素( (例如例如F F、ClCl，用，用X X表示表示) )結合而成的結合而成的準分子，準分子，如氟化氬如氟化氬( (ArFArF) )、氯化氪、氯化氪( (KrClKrCl) )、氟化氙、

14、氟化氙( (XeFXeF) )等等; ; 二、工作原理二、工作原理 通常情況下，基態(tài)的稀有氣體原子化學性質穩(wěn)定，因此通常情況下，基態(tài)的稀有氣體原子化學性質穩(wěn)定，因此呈兩種氣體呈兩種氣體混合狀態(tài)（混合狀態(tài)（Rg+XRg+X） 。但當它們受到激發(fā)時，如。但當它們受到激發(fā)時，如電電子束的轟擊或高壓激勵子束的轟擊或高壓激勵等，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷等，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時很容易和到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時很容易和另一個原子另一個原子形成一個形成一個壽命極短的分子（壽命極短的分子（RgXRgX） ，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱受激二聚，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱受激二聚物，

15、簡稱物，簡稱準分子準分子。 RgXRgX基態(tài)分子壽命極短，基態(tài)分子壽命極短，為為1010-13-13s s量級，它沿著自己的勢量級，它沿著自己的勢能曲線想核間距增大的方向移能曲線想核間距增大的方向移動，直至最終動，直至最終離解成獨立的原離解成獨立的原子子Rg+XRg+X。激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)RgXRgX* *能級壽命能級壽命為為1010-8-8s s量級，比基態(tài)穩(wěn)定，因量級，比基態(tài)穩(wěn)定，因此很此很容易形成粒子數(shù)反轉容易形成粒子數(shù)反轉。三、基本結構三、基本結構準分子激光器的結構準分子激光器的結構 1功率特性：功率特性：準分子基態(tài)的電子迅速排空造成激光準分子基態(tài)的電子迅速排空造成激光下能級總下能級總是空

16、的是空的，這樣有利于離子數(shù)反轉的形成，即使，這樣有利于離子數(shù)反轉的形成，即使在超短脈沖下運轉，從而可以獲得在超短脈沖下運轉，從而可以獲得較高的輸出較高的輸出功率（功率（1010瓦量級）瓦量級）。2. 輸出波長輸出波長: 從真空紫外到可見光區(qū)域從真空紫外到可見光區(qū)域 。3脈沖特性：脈沖特性： 由于基態(tài)壽命短，即使是超短脈沖情況下，由于基態(tài)壽命短，即使是超短脈沖情況下，基態(tài)也可被認為是空的，因此準分子激光對基態(tài)也可被認為是空的，因此準分子激光對產(chǎn)生巨脈沖產(chǎn)生巨脈沖特別有利。特別有利。 4. 4. 能夠精確聚焦和控制，其切能夠精確聚焦和控制，其切削精度非常高，每個光脈沖切削深削精度非常高，每個光脈沖

17、切削深度為度為0.20.2微米，能夠在人的頭發(fā)絲微米，能夠在人的頭發(fā)絲上刻出各種花樣來。上刻出各種花樣來。 近視眼由于眼球的前后徑近視眼由于眼球的前后徑太長，眼角膜前表面太凸，外太長，眼角膜前表面太凸，外界光線不能準確會聚在眼底所界光線不能準確會聚在眼底所致。致。 準分子激光矯正近視是用準分子激光矯正近視是用電腦精確控制的準分子激光，電腦精確控制的準分子激光，根據(jù)近視度數(shù)和有無散光在根據(jù)近視度數(shù)和有無散光在瞳瞳孔區(qū)孔區(qū)的角膜基質層進行刻蝕，的角膜基質層進行刻蝕，使眼角膜前表面稍稍變平。從使眼角膜前表面稍稍變平。從而使外界光線能夠準確地在眼而使外界光線能夠準確地在眼底視網(wǎng)膜上會聚成像，達到矯底視

18、網(wǎng)膜上會聚成像，達到矯正近視的目的。正近視的目的。準分子激光治療近視眼的原理準分子激光治療近視眼的原理 什么是什么是LASIKLASIK手術手術? ?LASIKLASIK手術即準分子激光原位角膜磨鑲術（手術即準分子激光原位角膜磨鑲術（Laser in Situ Laser in Situ KeratomileusisKeratomileusis）：醫(yī)生用角膜刀掀開一個角膜瓣，在瓣下角膜醫(yī)生用角膜刀掀開一個角膜瓣，在瓣下角膜基質層上用準分子激光根據(jù)近視、遠視、散光度數(shù)進行精確切削?；|層上用準分子激光根據(jù)近視、遠視、散光度數(shù)進行精確切削?；颊咝g前檢查的數(shù)據(jù)卡輸入計算機，由計算機控制切削的范圍和患

19、者術前檢查的數(shù)據(jù)卡輸入計算機，由計算機控制切削的范圍和深度，削出一個光滑的曲面，相當于在角膜上切削出一個眼鏡片，深度，削出一個光滑的曲面，相當于在角膜上切削出一個眼鏡片，使視力變得清晰。使視力變得清晰。它采用自動微型角膜板層節(jié)削僅進行手術，在角膜表面切削一直它采用自動微型角膜板層節(jié)削僅進行手術，在角膜表面切削一直徑徑8 8毫米，厚毫米，厚0.160.16毫米的帶蒂板層角膜瓣，翻轉角膜瓣后，應用毫米的帶蒂板層角膜瓣，翻轉角膜瓣后，應用準分子激光電腦控制多步分區(qū)角膜基質內切削，最后將角膜瓣復準分子激光電腦控制多步分區(qū)角膜基質內切削，最后將角膜瓣復位。位。 制做角膜瓣制做角膜瓣 準分子激光切削準分子

20、激光切削 角膜瓣復位角膜瓣復位 LASIK手術示意手術示意圖圖 角膜微切器切割角膜角膜微切器切割角膜 角膜瓣形成并翻轉角膜瓣形成并翻轉 角膜中間基質切削區(qū)準備角膜中間基質切削區(qū)準備 準分子激光切削角膜基質準分子激光切削角膜基質 角膜瓣復位角膜瓣復位 準分子激光角膜原位磨鑲術完成準分子激光角膜原位磨鑲術完成 智慧型大小光斑技術智慧型大小光斑技術: : 根據(jù)不同的個人數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的個人數(shù)據(jù)，系統(tǒng)系統(tǒng)自動調整光斑大小自動調整光斑大?。汗獍咧睆娇稍诠獍咧睆娇稍?.65-0.65-6.5mm6.5mm范圍內變化?？煞秶鷥茸兓??？墒箯碗s的角膜切削變得使復雜的角膜切削變得極為輕松。極為輕松。三維主動眼球跟

21、蹤技術三維主動眼球跟蹤技術: : 除對眼球在除對眼球在XYXY軸運動進行追蹤軸運動進行追蹤外，還可以追蹤眼球在外，還可以追蹤眼球在Z Z軸的立體軸的立體位移，可隨眼球運動自動將激光調位移，可隨眼球運動自動將激光調整到切削點，極大的加強了手術的整到切削點，極大的加強了手術的安全性和精確性。安全性和精確性。高精度200Hz飛點掃描、193nm氟化氬（ArF)準分子激光和最優(yōu)光傳輸系統(tǒng)的完美結合形成光斑直徑0.8mm優(yōu)化高斯光束 染料激光器染料激光器 固體或其它激光所輸出的波長已幾乎覆蓋了真空紫外至固體或其它激光所輸出的波長已幾乎覆蓋了真空紫外至紅外波段，還出現(xiàn)了紅外波段，還出現(xiàn)了X X射線波激光器

22、。但是，一般激光器輸射線波激光器。但是，一般激光器輸出的波長都是出的波長都是固定單一固定單一的，至多也只是有的，至多也只是有幾個波長幾個波長，這在應，這在應用上有一定的局限性。為此人們研究了用上有一定的局限性。為此人們研究了可調諧激光可調諧激光。 染料激光器是染料激光器是液體激光器液體激光器的一種，以染料為工作物質，的一種，以染料為工作物質，如若丹明如若丹明6G6G等，溶劑有乙醇、苯類、水及其他物質。染料的等，溶劑有乙醇、苯類、水及其他物質。染料的能量轉換效率很高，可達數(shù)百毫瓦。染料激光器的最大特點能量轉換效率很高，可達數(shù)百毫瓦。染料激光器的最大特點是其輸出波長是其輸出波長在一定范圍內連續(xù)可調

23、在一定范圍內連續(xù)可調，所以稱為可調諧激光，所以稱為可調諧激光器。醫(yī)學上常用的可調諧染料激光器有：器。醫(yī)學上常用的可調諧染料激光器有：N N2 2激光泵浦可調諧激光泵浦可調諧染料激光器和染料激光器和NdNd：YAGYAG激光泵浦可調諧染料激光器等。激光泵浦可調諧染料激光器等。 工作原理工作原理染料分子能級圖染料分子能級圖 S0S0是基態(tài)，是基態(tài)，S1S1、S2S2是激發(fā)態(tài)。是激發(fā)態(tài)。S0S0、S1S1、S2S2本身是由許多密集的本身是由許多密集的振動轉動能級組成的。振動轉動能級組成的。 在在原子光譜原子光譜里，不同電子態(tài)之里，不同電子態(tài)之間的躍遷產(chǎn)生間的躍遷產(chǎn)生一條銳的譜線一條銳的譜線；在；在分

24、子光譜分子光譜里，不同電子態(tài)（例如里，不同電子態(tài)（例如S1S1與與 S0S0）之間的躍遷將產(chǎn)生由一）之間的躍遷將產(chǎn)生由一簇密集的譜線組成的簇密集的譜線組成的譜帶譜帶。染料。染料分子的這種能級結構是染料激光分子的這種能級結構是染料激光器的輸出波長在一定范圍內可調器的輸出波長在一定范圍內可調的根本原因。的根本原因。一、染料分子能級一、染料分子能級染料分子能級圖染料分子能級圖 吸收了外來光子后，分子吸收了外來光子后，分子就從基態(tài)能級躍遷到就從基態(tài)能級躍遷到S1S1態(tài)的較態(tài)的較高的振動轉動能上（圖中高的振動轉動能上（圖中AbAb）。由于頻繁的熱交換，）。由于頻繁的熱交換，大多數(shù)被激發(fā)的分子無輻射地大多

25、數(shù)被激發(fā)的分子無輻射地衰變到衰變到S1S1態(tài)的最低的振動轉動態(tài)的最低的振動轉動能級上（圖中能級上（圖中bBbB）。這樣，）。這樣，在在B B與基態(tài)與基態(tài)S0S0的較高的振動轉動的較高的振動轉動能級（圖中能級（圖中a a）之間就實現(xiàn)了）之間就實現(xiàn)了粒粒子數(shù)反轉子數(shù)反轉。當反轉達到閾值時，。當反轉達到閾值時，就可以產(chǎn)生激光。就可以產(chǎn)生激光。 可見染料激光形成過程，經(jīng)可見染料激光形成過程，經(jīng)歷了歷了兩次無輻射躍遷兩次無輻射躍遷。二、染料分子的光輻射過程二、染料分子的光輻射過程 能級圖中的能級圖中的T1T1和和T2T2是是三重態(tài)三重態(tài)。由于三重態(tài)由于三重態(tài)T1T1較單態(tài)較單態(tài)S1S1低，所以處低，所以

26、處在在S1S1中的分子很容易無輻射地躍遷中的分子很容易無輻射地躍遷到到T1T1上，又因為上，又因為T1T1與與S0S0之間不產(chǎn)生之間不產(chǎn)生輻射躍遷，而且輻射躍遷，而且T1T1的壽命較長，約的壽命較長，約為為1010-4-41010-3-3s s，所以，所以T1T1態(tài)對于激發(fā)態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當于一個分子來說，相當于一個“陷阱陷阱”。 當當T1T1態(tài)上積累了足夠的分子后，態(tài)上積累了足夠的分子后，T1T2T1T2的吸收將很快使激光器的增的吸收將很快使激光器的增益下降，以致益下降，以致激光淬滅激光淬滅。通常采用。通常采用的方法是在染料中加入三重態(tài)的方法是在染料中加入三重態(tài)淬滅淬滅劑劑，縮短，縮短

27、TlTl的壽命。的壽命。 直管閃光燈泵浦的染料激光器示意圖直管閃光燈泵浦的染料激光器示意圖 一般由激光工作物質、激勵光源、聚光系統(tǒng)和諧振腔一般由激光工作物質、激勵光源、聚光系統(tǒng)和諧振腔及波長選擇裝置組成及波長選擇裝置組成 1 1輸出激光波長輸出激光波長可調諧可調諧 某些染料激光波長的可調寬度達某些染料激光波長的可調寬度達上百納米，所以稱為可調諧激光器。上百納米，所以稱為可調諧激光器。 2 2由于染料分子能級的準連續(xù)寬帶結構，其熒光譜范圍也由于染料分子能級的準連續(xù)寬帶結構，其熒光譜范圍也是準連續(xù)寬帶，這既使得染料激光器在是準連續(xù)寬帶，這既使得染料激光器在大范圍內可調諧，大范圍內可調諧，目目前由染

28、料激光器產(chǎn)生的前由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度超短脈沖寬度可壓縮至飛秒（可壓縮至飛秒（1010-15-15秒）秒）量。量。 3 3染料激光器的染料激光器的輸出功率大輸出功率大，達數(shù)百毫瓦，可與固體激光，達數(shù)百毫瓦，可與固體激光器比擬，并且價格便宜。器比擬，并且價格便宜。 4 4染料分子是一種染料分子是一種四能級級系統(tǒng)四能級級系統(tǒng)，由于，由于S0S0的較高振動能級的較高振動能級在室溫時粒子數(shù)幾乎為在室溫時粒子數(shù)幾乎為0 0，所以很容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，使，所以很容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，使得染料分子激光器的得染料分子激光器的閾值很低閾值很低。 一、光柵調諧一、光柵調諧 圖示為一種光柵圖示為一種光柵反射鏡

29、調諧腔。光束與諧振腔軸成一反射鏡調諧腔。光束與諧振腔軸成一個小角度個小角度（33）。諧振腔由）。諧振腔由反射光柵反射光柵G G與一個鍍有介與一個鍍有介質膜的質膜的反射鏡反射鏡M M組成。光柵組成。光柵G G具有具有擴束和色散擴束和色散作用，轉動光柵作用，轉動光柵就可以改變輸出激光的就可以改變輸出激光的頻率頻率。 腔內插入一個法布里腔內插入一個法布里珀羅標準具，擺動標準具可以進珀羅標準具，擺動標準具可以進一步選擇輸出激光的頻率。不插入標準具時，輸出激光的線一步選擇輸出激光的頻率。不插入標準具時，輸出激光的線寬為寬為0.05nm0.05nm，插入標準具后，可獲得線寬約為，插入標準具后，可獲得線寬約

30、為0.001nm0.001nm的單的單模激光。模激光。 二、棱鏡調諧二、棱鏡調諧 圖示為一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，圖示為一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內放置的腔內放置的棱鏡是一種色散元件棱鏡是一種色散元件。由于棱鏡的色散。由于棱鏡的色散作用，一束來自作用，一束來自M3M3、M2M2的不同波長的光，將有不同的不同波長的光，將有不同的折射方向。當旋轉平面反射鏡的折射方向。當旋轉平面反射鏡M1M1使其與某一波長使其與某一波長的光的光垂直垂直時，該波長光便能返回諧振腔，形成振蕩。時，該波長光便能返回諧振腔，形成振蕩。因此，旋轉因此，旋轉M1M1便可實現(xiàn)調諧作用。便可實現(xiàn)調諧作用。很多

31、有機染料可以被用作激光介質。其中最常見的是若丹明6G（Rhodamine 6G），溶于甲醇或者乙二醇。躍遷上下能級由于和溶劑的相互作用而分裂為連續(xù)的能帶。分子被激發(fā)到上能帶后迅速無輻射弛豫到上能帶的最低能級，并由此向基態(tài)各能級躍遷，產(chǎn)生熒光輻射。輻射熒光曲線不隨激發(fā)光源的改變而改變。 如果將充有染料溶液的小室放置于激光腔內，并提供足夠的泵浦能 量，則可以放出激光。如果使用寬帶激光反射鏡，受激輻射在熒光發(fā)射曲線頂點的周圍幾十個附近發(fā)生?？梢园逊瓷溏R用光柵代替。激發(fā)輻射帶寬降低到0.5 。通過轉動光柵，可以讓激光在整個熒光發(fā)射帶范圍內調節(jié)。泵浦可以用閃光燈來實現(xiàn)，得到的激光脈寬1ms，峰值功率大概

32、幾kW，重復頻率1Hz。也可以用固定波長激光器，例如氮分子激光器，準分子激光器，銅蒸氣激光器或倍頻后的Nd: YAG激光器。幾種典型裝置通過使用各種染料，脈沖染料激光器工作范圍可以從320到1000nm。對準分子激光泵浦的染料激光器，能量轉換效率可以到1020%。而對于倍頻后的Nd: YAG激光器，則可以達到40%。染料激光器脈沖運轉較容易，而連續(xù)運轉比較困難。主要問題是三重態(tài)布居數(shù)的增加造成的吸收損耗會使激光無法起振。脈沖泵浦時，可以在三重態(tài)集聚足夠的粒子數(shù)之前產(chǎn)生激光。要想達到連續(xù)泵浦，則必須去掉三重態(tài)分子。可以在溶液中加入某種三重態(tài)猝滅劑，可以有效地使三重態(tài)分子無輻射躍遷到基態(tài)。連續(xù)的染

33、料激光器往往使用氬離子或者氪離子激光器泵浦。目前可以覆蓋的光譜范圍為375950nm。使用染料射流來讓染料高速通過激活區(qū)。某些固體激光器的增益曲線范圍較寬，因此可以在某個范圍內調諧。例如釹玻璃激光器可以在1.01.1m范圍調諧。 鈦寶石（Ti: Al2O3）激光器可調諧范圍為660到1100nm。 不使用激光泵浦的可調諧固體激光器引起人們廣泛的興趣。倍頻以及受激拉曼散射等可以用來進一步擴展調諧波長。二氧化碳激光器是最有效地氣體激光器，功率轉換率達到20%。工作波長位于10m附近，很多工作用的是固定波長的二氧化碳激光器。因為與加入的N2分子的碰撞，(001)模式充分布居。由放電使得氮分子布居于第

34、一振動能級。由此形成與低能級(100), (020)之間的粒子數(shù)反轉。激光發(fā)射可能在子轉動能級間發(fā)生，并形成位于10.210.8m和9.29.7m的幾個光譜帶。其中最強的譜線為10.59m。可以使用光柵來選擇其一為輸出波長。如果使用同位素分子13CO2，則可以增加可選的波長。二氧化碳激光器也可以工作于高氣壓（1個大氣壓到10個大氣壓）。在較高氣壓下，譜線加寬，不同的振轉譜線溶和在一起，從而可以在該波段范圍內連續(xù)調諧激光。工業(yè)上使用的二氧化碳激光器輸出功率最高可以達到幾十千瓦的量級。 光纖激光器是以光纖激光器是以摻雜光纖摻雜光纖本身為本身為工作物質，工作物質，而該光纖本身而該光纖本身又起到又起到

35、導波作用導波作用的固體激光器。由的固體激光器。由工作物質、諧振腔、泵浦源工作物質、諧振腔、泵浦源三個基本部分組成。三個基本部分組成。優(yōu)點：優(yōu)點：1.1. 散熱性能好、轉換效率高、激光閾值低；散熱性能好、轉換效率高、激光閾值低；2.2. 諧振腔可以是直接鍍在端面的腔鏡、或光纖耦合諧振腔可以是直接鍍在端面的腔鏡、或光纖耦合器、光纖圈等。器、光纖圈等。3.3. 可獲得寬帶的可調諧激光輸出，并調節(jié)激光輸出。可獲得寬帶的可調諧激光輸出，并調節(jié)激光輸出。4.4. 光纖激光器的某些波長適用于光纖通信的低損耗光纖激光器的某些波長適用于光纖通信的低損耗窗口。窗口。1 摻雜光纖摻雜光纖2 光纖激光器的諧振腔光纖激

36、光器的諧振腔3 摻稀土元素的光纖激光器摻稀土元素的光纖激光器4 超熒光光纖激光器超熒光光纖激光器(SFS)一、摻雜元素一、摻雜元素摻稀土元素摻稀土元素鑭系鑭系Xe6S2，外層都為為外層都為為5S25P66S2鑭系元素電子結構的鑭系元素電子結構的差別只在差別只在4f殼層的電子占殼層的電子占有數(shù)有數(shù)。1、摻雜濃度、摻雜濃度 最佳在最佳在100ppm量級。量級。太低：太低：摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，激發(fā)態(tài)可能被耗盡。激發(fā)態(tài)可能被耗盡。太高：太高：稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，躍遷產(chǎn)生激光的能級上有效粒子數(shù)減少；導致躍遷產(chǎn)

37、生激光的能級上有效粒子數(shù)減少；導致玻璃基質產(chǎn)生結晶效應，不利于產(chǎn)生激光。玻璃基質產(chǎn)生結晶效應，不利于產(chǎn)生激光。2、摻雜光纖的基質、摻雜光纖的基質（1）石英玻璃）石英玻璃 石英玻璃對稀土元素離子的光譜能級的影響：產(chǎn)石英玻璃對稀土元素離子的光譜能級的影響：產(chǎn)生斯塔克分裂，使得能級加寬，光譜變寬。生斯塔克分裂，使得能級加寬，光譜變寬。（2）重金屬氟化物玻璃）重金屬氟化物玻璃優(yōu)點：優(yōu)點：通光窗口寬，在通光窗口寬，在300-8000 nm范圍透過率很高。范圍透過率很高。易于成纖。易于成纖。易于激活，因為氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。易于激活，因為氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。二、石英光纖中摻稀土元素

38、離子的光譜特性二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er 3+、Nd 3+的電子能級的電子能級4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能級分裂能級分裂4F 5/24F 3/24F 5/22、摻稀土光纖的光譜特性、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：摻釹光纖：使用使用800nm、900nm、 530nm波長的泵浦光源，將在波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm 、 1350nm波長處得到波長處得到激光。激光。摻鉺光纖：摻鉺光纖：使用使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波長的泵浦光源，將在波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、 1536nm波波長處得到激光。長處

39、得到激光。 摻鉺光纖存在最佳光纖長摻鉺光纖存在最佳光纖長度（約度（約10m）。）。Er3+Nd3+3、摻雜光纖的激光特性、摻雜光纖的激光特性 摻鉺的三能級系統(tǒng)：摻鉺的三能級系統(tǒng)：基態(tài)基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài) E2、 高能級高能級E3。從從E3 E1 ，泵浦幾率為泵浦幾率為WP，躍遷幾率為躍遷幾率為WP 。 E3 非輻射非輻射E2 ，幾率為幾率為S32； E3 自發(fā)輻射和非自發(fā)自發(fā)輻射和非自發(fā)輻射輻射E2 、 E1 ，幾率為幾率為A32、A31、 S31。選擇工作物質要求：選擇工作物質要求：A32、A31和和S31 S32 以及以及S32 WP(3-1) ， N2 N1。一般選擇一般選擇A21較小

40、的工作物質。較小的工作物質。A32一、一、FP腔腔1，結構，結構M1: 對泵浦光高透；對激光高反對泵浦光高透；對激光高反M2: 對激光高反（低增益系統(tǒng)對激光高反（低增益系統(tǒng)95%；高增益系統(tǒng)；高增益系統(tǒng) 75%）2，光傳輸特性光傳輸特性 理論理論波動光學。假設：波動光學。假設：諧振腔內的光纖伸諧振腔內的光纖伸直；為階躍折射率弱波導光纖。直；為階躍折射率弱波導光纖。 光光在在腔內傳輸來回一次后的光強為：腔內傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內振蕩，要求：要保證激光在腔內振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內形成穩(wěn)定振反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長

41、與波長滿足蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件駐波條件)：)(2exp021LGIrrIni)(2121rrnlLGni12nqL增益系數(shù)增益系數(shù)平均損耗系數(shù)縱模和橫?？v模和橫模 在腔內，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特在腔內，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方軸線方向形成駐波，向形成駐波， 稱為縱模。稱為縱模。節(jié)數(shù)為節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。為縱模序數(shù)。 與軸線垂直的橫截面內光場穩(wěn)定分布，稱為橫模與軸線垂直的橫截面內光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用用LPml表示，為線性偏振模。表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表

42、示垂直為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內沿圓周方向方位角光纖的橫截面內沿圓周方向方位角 從從0到到2 光場的光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù)節(jié)線數(shù))。 LP01表示基模，它的角向徑向表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)節(jié)線數(shù)沒有變化，沒有變化，為圓形光斑。為圓形光斑。二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔、光纖環(huán)行諧振腔 泵浦光由泵浦光由1端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激勵的激光與泵光無關。產(chǎn)生的激光由勵的激光與泵光無關。

43、產(chǎn)生的激光由4端到端到3端。經(jīng)端。經(jīng)耦合器分為耦合器分為2束：一束從束：一束從2端輸出；另一束由端輸出；另一束由4端返回端返回并被諧振放大；如此反復。并被諧振放大；如此反復。其中儲存了能量其中儲存了能量。摻雜光纖摻雜光纖耦合器：耦合器： 4端出射端出射光比光比1端入射光停滯端入射光停滯后后 /2。2、光纖圈反射器、光纖圈反射器 普通單模光纖普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下作波長下單模單模運行，在兩個輸出端與輸入端之間運行，在兩個輸出端與輸入端之間存在固存在固定相位差定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位

44、/2。 光纖圈的功率反射率光纖圈的功率反射率R、透射率透射率T為：為：從從2端的透射功率總和為端的透射功率總和為0： 134 2 的的順時針光的的順時針光場相位差為場相位差為0，與從，與從1 4 3 2的逆時針光場的相位差為的逆時針光場的相位差為。兩光場因為振幅相同、相位相反兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為而抵消，總和為0 。光從光從1返回返回。SMF2221221222211)21 ()1 ()1 (4)1 (kerTTTkkerRRRall a3、光纖、光纖圈圈諧振腔諧振腔 光纖圈為光纖圈為非諧振的干涉儀非諧振的干涉儀結構。注意結構。注意分束器的取分束器的取向向。其中沒有能量儲存

45、其中沒有能量儲存。透射透射反射反射inrintPkkPPkP)1 (4)21(2：反射功率與透射功率為反射反射透射透射 光波既可以光波既可以通過另一端輸出；通過另一端輸出；又可以再從輸入又可以再從輸入端反射。端反射。4 4、全光纖激光器、全光纖激光器 兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，通通過一條摻雜光纖熔錐而成的過一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器全光纖激光器。 激光器要實現(xiàn)振蕩，激光器要實現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長為：由此得到諧振腔的有效腔長為：為整數(shù)。mmLLLL,4) 12(2221L1L2L摻雜

46、光纖摻雜光纖三、可調諧光纖激光器三、可調諧光纖激光器 光纖激光器有光纖激光器有較寬的波長調節(jié)范圍較寬的波長調節(jié)范圍，比染料激光器的，比染料激光器的化學性質更穩(wěn)定，不需低溫運行化學性質更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應用價值顯著。，潛在應用價值顯著。1，反射鏡，反射鏡+光柵形式可調諧輸出諧振腔光柵形式可調諧輸出諧振腔 使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃級，閃耀角為耀角為 ，光柵常數(shù)為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：則光柵方程為：dMddMdcos2sin2 只要轉動衍射光柵，只要轉動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的使光束相對于光柵法線的入射角在入射角在

47、附近變化，就附近變化，就能實現(xiàn)調節(jié)波長能實現(xiàn)調節(jié)波長 。 可調諧激光器可調諧激光器 采用這種結構，采用這種結構，利用氬離子激光器的利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦的光作為泵浦光，分別激勵光，分別激勵摻鉺摻鉺光光纖及纖及摻釹摻釹光纖光纖,可調可調諧的波長范圍分別為諧的波長范圍分別為25nm和和80nm。 由于分束器與光由于分束器與光學元器件帶來了腔內學元器件帶來了腔內損耗，損耗，導致閾值功率導致閾值功率提高。提高。14 nm11 nm四、四、( (反射鏡反射鏡+ +光纖圈反射器形式光纖圈反射器形式) )可調諧輸出激光器可調諧輸出激光器光纖圈的功率反射率為：光纖圈的功率反射率為：TTeTP

48、TRRL)()1 ()(22 sin),(222激光反射率激光反射率大于大于95%泵 浦 光 反泵 浦 光 反射率為射率為5% 通過改變溫度來調節(jié)光纖圈的反通過改變溫度來調節(jié)光纖圈的反射率，使摻雜光纖達到激光諧振放大。射率，使摻雜光纖達到激光諧振放大。五、窄帶輸出的光纖激光器五、窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用：通過光纖光柵的選模作用： 達到窄帶達到窄帶輸出。輸出。 B是布拉格波長，是布拉格波長， d是光柵周期，是光柵周期，ne是有效折是有效折射率。射率。dneB2激光線寬激光線寬0.06 nm六、光纖六、光纖Fox-Smith諧振腔諧振腔 一般地，一般地，14段及段及13段的諧振

49、頻率不同。段的諧振頻率不同。復合腔的縱模頻率間隔為：復合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當?shù)倪x擇適當?shù)膌3、l4以致于在以致于在整個熒光線寬內只有一個整個熒光線寬內只有一個縱模在振蕩。則可以縱模在振蕩。則可以實現(xiàn)實現(xiàn)單縱模運轉單縱模運轉。)(2243llnf1. 以以980 nm的的半導體光源作半導體光源作為泵浦源；為泵浦源；2. 摻摻Er 3+光纖中光纖中Er 3+的的受激輻受激輻射產(chǎn)生射產(chǎn)生Laser。能級分裂能級分裂 由合適長度的摻由合適長度的摻Er 3+光纖、光纖、980nm大功率半導體大功率半導體激光器泵浦源和諧振腔構成。激光器泵浦源和諧振腔構成。 世界上第一臺摻世界上第一臺摻Er 3+光

50、纖激光器由英國南安譜敦光纖激光器由英國南安譜敦大學的大學的L. Reekie教授于教授于1987年實現(xiàn)。年實現(xiàn)。斜率效率斜率效率=輸出功率輸出功率/吸收功率吸收功率% =3.3%輸入鏡輸入鏡輸出鏡輸出鏡吸收功率吸收功率 mW 由合適長度的由合適長度的摻摻Nd 3+光纖、光纖、800nm大功率半導大功率半導體激光器泵浦源和諧振腔體激光器泵浦源和諧振腔構成。構成。 世界上第一臺摻世界上第一臺摻Nd 3+光纖激光器由英國南安譜光纖激光器由英國南安譜敦大學的敦大學的R.J. Mears教授于教授于1985年實現(xiàn)。年實現(xiàn)。GaAs激光二極管的輸出功率激光二極管的輸出功率 mW 光纖激光器輸出功率光纖激光

51、器輸出功率/mW優(yōu)點：優(yōu)點：1. 不需要水不需要水冷即可工冷即可工作；作；2. 不容易飽不容易飽和。和。分類：分類：根據(jù)根據(jù)泵浦泵浦光與超熒光與超熒光傳播方光傳播方向向的異同，的異同，以及以及光纖光纖兩端是否兩端是否存在反射存在反射分類。分類。單程反單程反向向雙程前雙程前向向單程前單程前向向雙程反雙程反向向原理：原理： 由于泵浦光的激勵，由于泵浦光的激勵，粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉。如果亞穩(wěn)態(tài)。如果亞穩(wěn)態(tài)的粒子自發(fā)輻射，的粒子自發(fā)輻射，產(chǎn)生光子的傳輸在光纖接收角內，產(chǎn)生光子的傳輸在光纖接收角內，就能夠在光纖內傳輸，就能夠在光纖內傳輸，誘發(fā)許多亞穩(wěn)態(tài)的粒子受激誘發(fā)許多亞穩(wěn)態(tài)的粒子受激輻射躍遷，并產(chǎn)生完

52、全相同的光子而放大。輻射躍遷，并產(chǎn)生完全相同的光子而放大。 如果光纖的增益足夠，就稱之為放大的自發(fā)輻如果光纖的增益足夠，就稱之為放大的自發(fā)輻射（射（Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。特點：與普通光纖激光器相比，特點：與普通光纖激光器相比，沒有諧振腔沒有諧振腔。Fig.2 輸出功率與摻輸出功率與摻鉺光纖長度的關系鉺光纖長度的關系超過最佳長度超過最佳長度將被再吸收將被再吸收Fig.3 不同長度光纖的不同長度光纖的泵浦功率與波長的關系泵浦功率與波長的關系DPF: 因為因為1535nm處的處的ASE信號比信號比1550nm處的處的ASE信號信號增長快，所以小的

53、反射率也有大的帶寬增長快，所以小的反射率也有大的帶寬DPB: 反射率達到反射率達到50%時，時，1535nm處的處的ASE信號飽和，而信號飽和，而1550nm處的處的ASE信號繼續(xù)增強，所以帶寬增加。信號繼續(xù)增強，所以帶寬增加。 價帶：價帶：是價電子能級分裂出來的價電子能帶，是價電子能級分裂出來的價電子能帶，當晶體處于絕對零度和無外界激發(fā)時，價電子當晶體處于絕對零度和無外界激發(fā)時，價電子完全被共價健束縛住，是不導電的。完全被共價健束縛住，是不導電的。 導帶：導帶：導帶是自由電子能帶，在沒有自由電子導帶是自由電子能帶，在沒有自由電子的情況下，這個能級是空著的。當有自由電子的情況下，這個能級是空著

54、的。當有自由電子時，它們在外電場作用下就能參與導電時，它們在外電場作用下就能參與導電 。 禁帶（帶隙）：禁帶（帶隙）：在價帶和導帶之間存在一段空在價帶和導帶之間存在一段空隙，稱為禁帶或帶隙。隙，稱為禁帶或帶隙。（1 1）半導體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進入導帶。導）半導體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進入導帶。導帶中的電子在外場作用下運動而參與導電。帶中的電子在外場作用下運動而參與導電。（3 3）金屬）金屬導體沒有禁帶，可顯示很強的導電性。導體沒有禁帶，可顯示很強的導電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進入導帶，）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進入導帶，導電性很差。導電性很差。E

55、外外 場場E E滿帶滿帶導帶導帶滿帶滿帶導帶導帶滿帶滿帶導帶導帶（1 1）半導體）半導體eVEg1 禁帶禁帶eVEg10 禁帶禁帶外外 場場（2 2） 絕緣體絕緣體（3 3）金屬）金屬 完全純凈、結構完整沒有雜質的半導體。完全純凈、結構完整沒有雜質的半導體。 在本征半導體中摻入微量雜質可使半導體性質發(fā)生顯在本征半導體中摻入微量雜質可使半導體性質發(fā)生顯著變化，稱為摻雜半導體。著變化，稱為摻雜半導體。若摻入的雜質提供電子給導帶，稱為若摻入的雜質提供電子給導帶，稱為N N 型雜質型雜質或施主雜質，如摻入錫和碲。摻入或施主雜質，如摻入錫和碲。摻入N N型雜質的材料稱為型雜質的材料稱為N N型型半導體半

56、導體 。若摻入的雜質提供空穴給價帶，稱為受主雜質若摻入的雜質提供空穴給價帶，稱為受主雜質或或P P 型雜質型雜質 ，如摻入鍺。摻入如摻入鍺。摻入P P 型雜質的材料稱為型雜質的材料稱為P P 型型半導體。半導體。（1 1）本征半導體）本征半導體純凈的半導體，如硅、鍺等。純凈的半導體，如硅、鍺等。 半導體禁帶寬度窄、在外場的作用下半導體禁帶寬度窄、在外場的作用下, , 導帶中的導帶中的電子電子、滿帶中的、滿帶中的空穴空穴都可參與導電。都可參與導電。（本征導電性。見下圖）（本征導電性。見下圖）外外 場場滿帶導帶E（2 2）雜質半導體）雜質半導體 當四價的元素中當四價的元素中 摻入少量摻入少量五價元

57、素五價元素時形成時形成n n 型半導體。型半導體。如：硅中摻入雜質磷后，磷原如：硅中摻入雜質磷后，磷原子在硅中形成局部能級位于導子在硅中形成局部能級位于導帶底附近（稱為施主能級）。帶底附近（稱為施主能級）。 一般溫度下，雜質的價電一般溫度下，雜質的價電子很容易子很容易 被激發(fā)躍遷至導帶，被激發(fā)躍遷至導帶，成為導電電子，使導帶中的電成為導電電子，使導帶中的電子濃度大大增加。子濃度大大增加。 n n 型半導體型半導體以電子導電為主。以電子導電為主。* n 型半導體型半導體E外場外場滿帶導帶施主能級n 型半導體型半導體* P 型半導體型半導體 四價的元素中摻入四價的元素中摻入 少量三價元素時形成少量

58、三價元素時形成 P P 型半導型半導體，如：在硅中摻入三價的雜質體，如：在硅中摻入三價的雜質硼，雜質原子的局部能級位于價硼，雜質原子的局部能級位于價帶頂附近（稱為受主能級）。帶頂附近（稱為受主能級）。 一般溫度下，滿帶中的電子一般溫度下，滿帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質能級上，很容易被激發(fā)躍遷至雜質能級上，滿帶中留下的空穴也將因此而大滿帶中留下的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。大增加，而成為多數(shù)載流子。P P 型半導體以空穴導電為主。型半導體以空穴導電為主。外場外場E滿帶導帶受主能級P 型半導體型半導體4Si4Ge5P5As5Sb3In3Al3B3Ga附：幾個附：幾個3、4、5價的

59、元素價的元素P-N結：結：正向連接正向連接時，時，P中的空穴和中的空穴和N中的電子都易于通過中的電子都易于通過P-N 結，結， 形成形成P N的正向宏觀電流。的正向宏觀電流。 （2）作用：作用： PN結具有單向導電作結具有單向導電作用用,是制造整流器和集成電是制造整流器和集成電路的基本結構。路的基本結構。結果：交界處出現(xiàn)正、負電偶層，阻擋繼續(xù)擴散達到結果：交界處出現(xiàn)正、負電偶層，阻擋繼續(xù)擴散達到平衡，形成平衡，形成P-N結。結。P型材料中的空穴將向型材料中的空穴將向N型材料擴散；型材料擴散；N型材型材料中的電子將向料中的電子將向P型材料擴散。型材料擴散。 NP NP 正向連接正向連接反向連接反

60、向連接反向連接反向連接時，時，P中的空穴和中的空穴和N中的電子都難以通過中的電子都難以通過P-N 結。故結。故 P-N結具有單向導電的性能。結具有單向導電的性能。PN （1）形成：形成：P與與N密切接觸密切接觸(EF)PP型區(qū)N型區(qū)(EF)N(EF)P(EF)NqVD=(EF)N-(EF)P PNPN結的特性：結的特性：當當P P型半導體和型半導體和N N型半導體結合后，在它型半導體結合后，在它們之間就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別，電子和空穴都們之間就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度底的地方擴散，擴散的結果破要從濃度高的地方向濃度底的地方擴散，擴散的結果破壞了原來壞