第二章：激光材料2

激光的能級系統(tǒng)E1和E2能級上單位體積的原子數(shù)分別為n1和n2。原子的吸收速率和受激輻射速率都等于wA21是自發(fā)輻射系數(shù)n2的變化率:吸收和輻射平衡時：1、二能級系統(tǒng)2、三能級系統(tǒng)，紅寶石激光器n2，n3的變化率:吸收和輻射平衡時：3、四能級系統(tǒng)在外界激勵的條件下，基態(tài)E1的粒子大量地躍遷到E4，又迅速轉移到E3，E3是亞穩(wěn)態(tài)壽命長，E2能級壽命短，到了E2能級的粒子很快回到基態(tài)。因此，四能級系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉是E2和E3之間。紅寶石激光器（1）紅寶石晶體紅寶石的化學表示式為Cr3+:Al203,其激活離子是三價鉻離子Cr3+,基質是剛玉晶體(化學成分是A12O3)。紅寶石是在Al2O3中摻入適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相應的Cr3+密度為ntot=1.58x1019cm-3。

紅寶石晶體結構紅寶石的基本物理化學特性莫氏硬度9熔點2050（攝氏度）熱導率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）化學性質穩(wěn)定，抗腐蝕Cr3+在很強的晶格場作用下,其能級發(fā)生很大的變化,呈現(xiàn)出極為復雜的能級分裂和重新組成的情況。4A2是基態(tài)又是激光下能級,其簡并度g1=4,2E是亞穩(wěn)態(tài),它是由能量差為29cm的2A和E二能級組成,其簡并度都為2。4F1和4F2是兩個吸收能帶。紅寶石中鉻離子的能級結構紅寶石激光器工作特征原子Cr的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻入Al2O3后失去外層三個電子成為三價鉻離子Cr3+，Cr3+的最外層電子組態(tài)為3d3。由4A2向4F1躍遷吸收紫藍光,峰值波長在0.41um附近,稱為紫帶或U帶。由4A2向4F2躍遷吸收黃綠光,峰值波長在0.55μm附近,稱為綠帶或Y帶。這是兩個很強很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約0.1um左右。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。紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的能級結構紅寶石有兩條強熒光譜線(R1和R2線),分別為E和2A能態(tài)向4A2躍遷產生的,室溫下對應的中心波長分別為0.6943um和0.6929um。通常紅寶石激光器中只有

R1=0.6943μm線才能形成激光輸出。（1）亞穩(wěn)態(tài)能級2E分裂成2A和E兩能級，躍遷到2E上的粒子按波爾茲曼分布規(guī)律分布于2A和E上,2A能級上約占47%，E能級上約占53%。E能級比2A能級有更多的粒子數(shù)。（2）由于R1線熒光強度比R2線高,使得R1線的受激輻射幾率比R2線高。因此,R1線容易達到閾值而形成激光振蕩。紅寶石中鉻離子的能級結構為什么紅寶石激光器通常只產生0.6943um的受激輻射？（3）2A和E相距很近,一旦E上的粒子躍遷后,2A上的粒子便迅速地(約10ns)轉移到E上去,這就加強了R1線,而抑制了R2線。在激光脈沖持續(xù)時間遠大于10-9s時,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),因此可把E,2A合并起來看成一個簡并度g2=4的能級。缺點是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。優(yōu)點:機械強度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,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靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質而得到廣泛應用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達上千焦耳。單級調Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進行了測距試驗)。多級放大器件的輸出峰值功率已達數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石激光器的優(yōu)缺點Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+,基質是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡稱)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。一般含Nd3+量為1%原子比,此時Nd3+的密度為1.38×1020cm-3,顏色為淡紫色。實際制備時是將一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在單晶爐中熔化結晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶系,是各向同性晶體。摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子(Nd3＋)Nd3＋:YAG晶體的吸收光譜Nd3＋:YAG的能級結構摻Nd3＋的YAG中屬于四能級系統(tǒng)。

摻釹釔鋁石榴石激光器工作特征1.06um比1.35um的熒光約強四倍,1.06um的譜線先起振,進而抑制1.35um譜線起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只產生1.06um激光。1961年出現(xiàn)釹玻璃激光器。釹玻璃是在某種成分的光學玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。最佳摻入Nd2O3量為1%~5%重量比。對應3%的摻入量,Nd3+的濃度為3×1020/cm3。Nd3+在硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。優(yōu)點：玻璃的制備工藝比較成熟,易獲得良爭好的光學均勻性,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1~2m,直徑30~100mm,可用來制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,用于集成光路中的光放大或振蕩。缺點：釹玻璃最大的缺點是導熱率太低,熱脹系數(shù)太大,因此不適于作連續(xù)器件和高頻運轉的器件,且在應用時要特別注意防止自身破壞。釹玻璃激光器E4:含三個吸收帶(抽運能帶)*(吸收特定波長的光而躍遷到這三個吸收帶)(中心波長5900A)(...............7500A)(...............8000A)E3:三條激光譜線公共的激光上能級

E2:含二條激光譜線的二個激光下能級(四能級系統(tǒng)),即(,對應1.4μm

譜線)(,對應1.06μm譜線)

釹玻璃激光器工作特征E1:基態(tài),一條激光譜線的激光下能級(三能級系統(tǒng)):(對應0.9μm譜線)

躍遷譜線:

①1.06μm:四能級系統(tǒng),躍遷幾率大,通?？捎^察到;

②1.4μm:四能級系統(tǒng),躍遷幾率較小,不一定可觀察到;③0.9μm:三能級系統(tǒng),難實現(xiàn)粒子數(shù)反轉,一般不出現(xiàn).一、固體激光器工作物質是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。固體激光器的泵浦系統(tǒng)惰性氣體放電燈(燈內充入氙山、氪等惰性氣體)金屬蒸氣燈(燈內充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）鹵化物燈(碘鎢燈、鑷鎢燈等)半導體激光器日光泵(用聚光鏡將日光會聚到激光棒中)常用的泵浦光源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Nd:YAG脈沖激光器中應用最廣泛的一種燈.氪燈在低電流密度下工作時,其輻射光譜與Nd:YAG泵浦吸收帶相匹配,故在連續(xù)和小能量脈沖Nd:YAG器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用220V電壓即可,使用簡單、方便,在功率小于1OW的連續(xù)Nd:YAG器件中可以應用。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。砷化鎵半導體激光器體積小,產生的激光又與摻釹工作物質吸收譜相匹配,可用于小型摻鐵激光器。日光泵適用于空間技術中的激光器。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和聚光器。二、泵浦光源應當滿足兩個基本條件。①有很高的發(fā)光效率②輻射的光譜特性應與激光各種物質的吸收光譜相匹配.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。常用的電極材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢。高功率燈的電極要設計成水冷結構,見圖(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。燈管內充入氙(Xe)、氪(kr)氣體。惰性氣體放電燈的結構電極燈管充入的氣體聚光器的作用：將泵浦光源輻射的光能最大限度地聚集到工作物質上去聚光器設計得好壞直接影響激光器的轉換效率和激光性能。聚光器（泵浦腔）聚光器的分類：橢圓柱聚光器圓柱聚光器這種聚光器的內反射表面的橫截面是一橢圓?！敖股戏胖谩薄绻阎惫軣艉桶舴謩e置于橢圓柱聚光器的兩條焦線上(如圖a所示),則可以得到比較好的聚光效果?！敖雇夥胖谩薄獙⒈脽艉图す獍羝叫械匕仓迷诮咕€和腔壁之間(如圖b所示)。圖b橢圓腔的焦外幾何光路圖a橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光器橢圓長軸上焦點外任意點發(fā)出的光,經橢圓反射后必交于另一端焦點外的長軸上,因此,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。焦外放置不如焦上放置成象質量好,但采用焦外放置,結構設計上可以做得比較緊湊。設橢圓的長半軸為a,短半軸為b,焦距為2c,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,在橢圓柱的兩端應有反射端面。但當聚光器橫向尺寸較小,而軸向尺寸比棒、燈長得多時,兩端也可以不加反射面,因為此時可利用的軸向光能很少。cabO在燈內徑和激光工作物質確定后,e越小,聚光器的聚光效率越高,因為e小,泵燈截面經橢圓面反射后成象彌散小,光能被工作物質截獲得多。但e太小,意味著a大或c小.a大則聚光器尺寸大。c小則二焦點靠得近,采用"焦點"放置時則燈和工作物質靠得近,直照強,容易造成工作物質光照不均勻,影響激光光斑質量.因此,一般取e=0.4為宜。這種聚光器的內反射表面是一個圓柱空腔,激光棒和泵燈置于軸線兩側.由于圓相當于焦點重合的橢圓,因此圓柱聚光器內棒、燈的放置相當于橢圓柱聚光器的"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,而且在同樣棒、燈直徑情況下,圓柱聚光器橫截面積大,體積也大。但圓柱聚光器具有結構簡單、加工方便等優(yōu)點。圓柱聚光器兩種聚光器的比較三、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻等，其中以液冷最為普遍。四、泵浦燈和工作物質之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。一、氦-氖(He-Ne)激光器氣體激光器放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產生粒子數(shù)反轉。貯氣室與毛細管相連，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。放電管一般是用GG17玻璃制成。輸出功率和波長要求穩(wěn)定性好的器件可用熱脹系數(shù)小的石英玻璃制作。

He-Ne激光器激光管激光電源放電管：毛細管和貯氣室電極光學諧振腔組成。He-Ne激光器的基本結構形式氦-氖(He-Ne)激光器基本結構形式

He－Ne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。

He－Ne激光管的結構形式是多種多樣的，按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內腔式、外腔式和半內腔式。將諧振腔的兩反射鏡調整好后，用膠固定在放電管的兩端。優(yōu)點：使用時不必進行調整，非常方便，陰極與毛細管同軸放置，其結構緊湊、不易碎裂，安裝方便。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，所以內腔式激光管的長度一般不超過一米。而且當諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內表面污染后也無法清除。并且由于陰極放在放電管內，陰極濺射物質易污染窗片，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穩(wěn)定性不如旁軸式。內腔式

優(yōu)點：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。同時濺射物質不易污染窗片，所以壽命比同軸式長，放電管的熱變形對諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調整，所以長期使用中能保持穩(wěn)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激光輸出。缺點：由于反射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經常調整，使用不方便.但體積大，安裝使用不方便，易破碎。外腔式氦和氖原子的能級圖

與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖激光器的工作氣體是He和Ne，其中產生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。He原子有兩個電子，沒激發(fā)時這兩個原子都分布在1S0殼層上，He原子處于基態(tài)。當He原子受激時，使其中一個電子從1S激發(fā)到2S，He原子成為激發(fā)態(tài)。He原子有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級，分別記為23S1、21S0。與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖氖原子的能級圖

Ne原子有10個電子，基態(tài)1S0(電子分布為1S22S22P6)。激發(fā)態(tài)為1S、2S、3S、2P、3P等，它們對應的外層電子組態(tài)分別為2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。He—Ne激光器的激發(fā)過程在He—Ne激光器中，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的主要激發(fā)過程如下：第一是共振轉移。由能級圖可見，He原子的21S0、23S1態(tài)分別與Ne原子的3S、2S態(tài)靠得很近，二者很容易進行能量轉移，并且轉移幾率很高，可達95%，其轉移過程如下：s2s1Nes3s12s32Hep2p3電子碰撞激發(fā)管壁效應自發(fā)輻射632.8nm共振轉移第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過程中，基態(tài)Ne原子與具有一定動能的電子進行非彈性碰撞，直接被激發(fā)到2S和3S態(tài)，與共振轉移相比，這種過程激發(fā)的速率要小得多。

第三是串級躍遷，Ne與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和3S態(tài)，與前述兩過程相比，此過程貢獻最小。

與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖根據(jù)能量躍遷選擇定則，Ne原子可以產生很多條譜線，其中最強的譜線有三條，即0.6328um、3.39um和1.15um，對應躍遷能級分別為3S2→2P4,3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向1S態(tài)躍遷很快。lS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He—Ne激光器中要有一根內徑較細的放電管的原因。從能級圖可見，He—Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)。He—Ne激光器的輸出特性譜線競爭:He-Ne激光器三條強的激光譜線：

3S2P0.6328m，2S2P1.15m，3S3P3.39m

中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質膜反射鏡的波長選擇。

0.6328um和3.39umm兩條激光譜線有共同的激光上能級3S,而后者增益系數(shù)比較高,如果不進行抑制,則3.39um的輻射在腔內振蕩過程中將消耗大量的3S2態(tài)原子。抑制3.39um輻射的辦法主要有:與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖①選用對3.39um的光具有低反射率的諧振腔反射鏡,使339um達不到閾值條件,如下圖所示,在腔內加色散棱鏡,將兩譜線分開,通過調整諧振腔反射鏡的位置,只允許0.6328um的輻射起振,而使3.39um的輻射偏離出諧振腔外;②腔內放置甲烷吸收盒,因為甲烷對3.39um的光具有強吸收而對0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振蕩;③外加非均勻磁場也能抑制3.39um振蕩。根據(jù)塞曼效應,磁場可引起譜線分裂,分裂的大小與磁場強度成正比。如果激光管內磁場分布不均勻,則各處譜線分裂程度不同并連成一片,相當于譜線變寬。300高斯非均勻磁場中,兩譜線加寬均約900MHz,0.6328umm原譜線半寬度約1500MHz,非均勻磁場對它展寬的比例不大。但3.39um原譜線寬只有300MHz左右,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,所以外加非均勻磁場后,3.39um的增益系數(shù)急劇下降,而0.6328μm的增益系數(shù)卻下降很少.結果提高了0.63281um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,沿放電管軸向放置許多小磁鐵,相鄰的極性相同,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

:

He-Ne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系曲線①右圖表示輸出功率與放電電流的關系曲線。曲線表明:在氣壓比為定值時,每個總氣壓都存在一個輸出最大的放電電流,其大小隨著總氣壓的升高而降低,這是因為氣壓升高,只需要較小的放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流叫最佳放電電流②He-Ne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。

實驗發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為7／1時是最佳分壓比。而總壓強在100Pa～400Pa。

選用He氣作輔助氣體的原因:Ne原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級；He*與Ne*能級極相近,易發(fā)生能量共振轉移。③若放電毛細管的直徑為d，充氣壓強為p，則存在一個使輸出功率最大的最佳p、d值。圖給出了在不同的毛細管內徑d和長度l時,輸出功率與充氣總氣壓和氣壓比的實驗曲線。由圖可見,內徑d不同,最佳充氣壓和氣壓比也不同。氣壓也增加。計算可得:當取最佳充氣條件時,最佳氣壓λPopt與毛細管內徑的乘積約為一常數(shù),一般Poptd=480~533Pamm.④在最佳放電條件下，工作物質的增益系數(shù)和毛細管直徑d成反比。

五、He—Ne激光器的壽命

He－Ne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?，F(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的1／e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：

1．慢漏氣

3．陰極濺射

2．放電管內元件放氣

4．工作氣體的吸附、吸收和滲透

5．諧振腔反射鏡的污染目前He－Ne激光器最長的壽命可達10萬小時。

C02激光器的主要特點是輸出功率大,能量轉換效率高,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用。

C02激光器以C02、N2和He的混合氣體為工作物質。激光躍遷發(fā)生在C02分子的電子基態(tài)的兩個振動-轉動能級之間。N2的作用是提高激光上能級的激勵效率,則有助于激光下能級的抽空。二氧化碳激光器一、CO2激光器的結構封離式CO2激光器結構示意圖構成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調節(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。

二、CO2激光器的激發(fā)過程

CO2激光器中與產生激光有關的CO2分子能級圖。

產生激光有關的CO2分子能級圖C02激光器中,通過以下三個過程將C02分子激發(fā)到0001能級

1.直接電子碰撞電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級。這一過程可表示為

C02(0000)+e→C02(0001)+e

2.級聯(lián)躍遷電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到000n能級,基態(tài)C02分子與高能級C02分子碰撞后躍遷到激光上能級,此過程可表示為C02(0000)+C02(000n)→C02(0001)+C02(000n-1)

3.共振轉移由于N2分子(v=0)能級和電子碰撞后躍遷到v=1的振動能級。這是一個壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)CO2分子與亞穩(wěn)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級。這一過程可表示為

C02(0000)+N2(v=1)→C02(0001)+N2(v=0)由于C02分子0001能級與N2分子v=1能級十分接近,能量轉移十分迅速。此外,N2分子的v=2~4能級與C02分子0002~0004也十分接近,相互間也能發(fā)生共振轉移,處于0002~0004的C02分子與基態(tài)C02分子碰撞可將它激勵至0001能級。產生激光有關的CO2分子能級圖在以上三種激發(fā)途徑中,共振轉移的幾率最大,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間的碰撞。一旦實現(xiàn)了(0001)與

(1000)、(0200)

之間的粒子數(shù)反轉，即可通過受激輻射，產生:0001→1000躍遷產生10.6um波長的激光光0001→0200躍遷產生9.6um波長的激光。由于以上躍遷具有同一上能級,而且0001→1000躍遷的幾率大得多,所以C02激光器通常只輸出10.6μm激光。若要得到9.6um的激光振蕩,則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制10.6um激光振蕩。三、CO2激光器的輸出特性相應于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內總氣壓，以及氣體混合比有關。

實驗指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。例如：管徑為20～30mm

時，最佳放電電流為30～50mA

管徑為50～90mm

時，最佳放電電流為120～150mA(1)放電特性

60%以上消耗：使氣體溫度的升高：1、引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，使粒子的反轉數(shù)減少。2、使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。3、引起CO2分子的分解，降低放電管內的CO2分子濃度。

(2)溫度效應：CO2激光器的高，但是轉換效率<40%特點：超小型、高效率、低成本、工作速度快和波長范圍寬等。應用：是激光光纖通信的重要光源。目前在光存儲、激光高速印刷、全息照相、激光準直、測距及醫(yī)療等許多方面廣泛應用。而在光信息處理、光計算機和固體激光器泵浦等方面卻正是方興未艾。自1962年半導體砷化嫁（GaAs）同質結激光器問世后，半導體從同質結、單異質結、雙異質結到半導體激光器陣列，波長范圍履蓋了可見光到長波紅外。半導體激光器以半導體材料為工作物質的激光器稱為半導體激光器。1．能帶固體的能帶半導體的能帶和產生受激輻射的條件本征半導體的能帶在晶體中，由價電子能級分裂而成的能帶叫做“價帶”，若價帶中的電子受激而進入空帶，則此空帶稱為“導帶”，同時，價帶上由于價電子激發(fā)到導帶后留下一些空著的能級稱為“空穴”?！皟r帶”和“導帶”之間是“禁帶”。半導體摻雜：電子型半導體或N型半導體空穴型半導體或P型半導體

2．電子和空穴的統(tǒng)計分布統(tǒng)計物理學指出：熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費米分布，一個電子占據(jù)能量為E的能級的幾率為3.雜質半導體中費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關系。費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度關系費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度關系①在未摻雜質的本征型半導體中，費米能級居于禁帶中央，導帶內的電子或價帶內的空穴是非簡并化分布(圖a)。②在輕摻雜P型半導體中，受主能級使費米能級向下移動(圖b);輕摻雜N型半導體中，施主能級使費米能級向上移動(圖d);③在重摻雜P型半導體中，費米能級向下移到價帶中，低于費米能級的能帶被電子填滿，高于費米能級的能態(tài)都是空的，導帶中出現(xiàn)空穴——P型簡并半導體(圖c);④在重摻雜N型半導體中，費米能級向上移到導帶中，低于費米能級的能帶被電子填滿，高于費米能級的能態(tài)都是空的，導帶中也有自由電子——N型簡并半導體(圖e);⑤雙簡并半導體——半導體中存在兩個費米能級。

(圖f);兩個費米能級使得導帶中有自由電子；價帶中有空穴。4.在半導體中產生光放大的條件是在半導體中存在雙簡并能帶

(圖f

)中有兩費米能級，導帶有自由電子，價帶中有空穴，當入射光的頻率滿足時，外來光子會誘導導帶中的自由電子向價帶空穴躍遷而發(fā)出一個同樣的光子。

(圖a—e)中的情況都只有一個費米能級，在它上面沒有有自由電子，在它下面已經被電子充滿，不可能發(fā)生電子躍遷，只能將外來光子吸收。PN結和粒子數(shù)反轉把P型和N型半導體制作在一起，是否可能在結區(qū)產生兩個費米能級呢？

一、P-N結的雙簡并能帶結構

未加電場時，由于電子和空穴的擴散作用，在P－N

結的交界面兩側形成空間電荷區(qū)，生產自建場，其電場方向自N區(qū)指向P區(qū)。引起漂移運動，當擴散運動和漂移運動達到熱平衡時，P區(qū)和N區(qū)的費米能級必然達到同一水平。這時，在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)P型簡并區(qū)和N型簡并區(qū)，P區(qū)的價帶頂充滿了空穴，N區(qū)的導帶底充滿了電子。在結區(qū)造成了能帶的彎曲。自建場的作用，形成了接觸電位差VD叫做P－N

結的勢壘高度。P區(qū)所有能級上的電子都有了附加位能，它等于勢壘高度VD

乘以電子電荷e（VDe）PN能帶當給P－N

結加以正向電壓V時，由于“載流子注入”現(xiàn)象，此時結區(qū)的統(tǒng)一費米能級不復存在，行成結區(qū)的兩個費米能級EF+和EF-，稱為準費米能級。它們分別描述空穴和電子的分布。在結區(qū)的一個很薄的作用區(qū)，形成了雙簡并能帶結構。正向電壓V時形成的雙簡并能帶結構二、粒子數(shù)反轉——產生受激輻射的條件是在結區(qū)的導帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉分布。

對于重摻雜的GaAsP－N

結，在P－N

結的附近，導帶中有電子而價帶中有空穴，這一小段區(qū)域稱為“作用區(qū)”。如果電子從導帶中向價帶中躍遷，則將釋放光子，并在諧振腔的反饋作用下，產生受激輻射。當然，價帶中的電子也可能在光子的激發(fā)下躍遷到導帶中，即所謂受激吸收。PN能帶正向電壓V時形成的雙簡并能帶結構在結區(qū)導帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉的條件是此式便是同質結半導體激光器的載流子反轉分布條件。其物理意義是：（1）工作區(qū)中導帶能級的電子占有幾率大于價帶能級中的電子占有幾率。（2）因為發(fā)射的光子能量基本等于禁帶寬度Eg，因而要求(E-F)一(E+F)>Eg（3）所加的正向偏壓必須滿足價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準費米能級來計算

價帶頂電子占據(jù)幾率則為

考慮激光器工作在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)導帶底電子的占據(jù)幾率可以用N

區(qū)的費米能級來計算GaAs激光器的結構半導體激光器的結構與工作原理一、半導體激光器的基本結構P－N

結的厚度幾十微米，一般是在N型GaAs襯底上生長一薄層P型GaAs而形成P－N

結。激光器的諧振腔一般是直接利用垂直于P－N

結的兩個端面。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反射膜。二、半導體激光器工作的閾值條件

激光器產生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉還需要滿足閾值條件

這說明