1、趙風周物理學院九月 22激光原理與技術LASER Principles and Technology1第三章 典型激光器1960年，休斯頓飛機公司的梅曼博士研制成功世界上第一臺紅寶石激光器為人類開發(fā)利用整個光頻電磁波段掀開了嶄新的一頁，為光學領域注入了生機，產(chǎn)生了量子光學、非線性光學等現(xiàn)代光學分支2第一節(jié) 概述1.1 激光器的基本結構激光器的基本結構：工作物質、激勵源、光學諧振腔工作物質是激光器的核心，是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大的源泉激勵源為工作物質中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布提供能源31.2 激光器的分類及主要輸出特性1、按照激光工作物質劃分(1) 固體激光器以固體激光介質作為工作物質固體工作物質

2、通常是在基質材料中摻入少量金屬離子(激活離子)，激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級之間激活離子：三價稀土金屬離子、二價稀土金屬離子、過渡金屬離子、錒系金屬離子典型代表：紅寶石激光器(Cr3+:Al2O3)、摻釹釔鋁石榴石激光器(Nd3+:YAG)、釹玻璃激光器、鈦寶石激光器(Ti3+:Al2O3)4激勵：固體激光器多采用光激勵，光源主要有閃光燈和半導體激光二極管波長范圍：位于可見光-近紅外波段，激光譜線數(shù)千條特點：輸出能量大，運轉方式多樣，固體激光器結構緊湊、牢固耐用、易與光纖耦合傳輸應用：工業(yè)、國防、科研、醫(yī)學等領域激光測距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學、激光核聚變等5(2) 氣體激光器

3、以氣體和金屬蒸氣作為工作物質根據(jù)工作氣體性質，分為原子激光器、分子激光器、離子激光器原子激光器：躍遷發(fā)生在氣體原子不同激發(fā)態(tài)之間。主要采用氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體和銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸汽。代表He-Ne激光器分子激光器：躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振-轉能級之間。主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等氣體分子。代表CO2激光器6準分子激光器：分子激光器的一種。準分子：在基態(tài)離解為原子而在激發(fā)態(tài)暫時結合成分子的不穩(wěn)定締合物。 激光躍遷發(fā)生在束縛態(tài)和自由態(tài)之間。采用的氣體主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等典型代表：XeF準分子激光器離子激光器：工作物質是已電離的氣

4、體離子，躍遷發(fā)生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體離子主要有惰性氣體離子、分子氣體離子、金屬蒸汽離子等。典型代表：Ar+激光器7激勵：主要是氣體放電激勵，還有電子束激勵、熱激勵、化學反應激勵波長范圍：位于真空紫外-遠紅外波段，激光譜線上萬條特點：輸出光束質量高(方向性單色性好)，連續(xù)輸出功率大(CO2激光器等)，器件結構簡單，造價低廉應用：計量、材料加工、激光通信、能源等1961年，第一臺氣體激光器He-Ne激光器問世8(3) 液體激光器工作物質：有機化合物液體(染料)和無機化合物液體常用的染料有：吐噸類染料、香豆類激光染料、惡嗪激光染料、花青類染料 激勵：主要有激光激勵和閃光燈激勵兩種形

5、式波長范圍：紫外-近紅外波段(300nm1.3mm)，通過混頻技術可以將波長范圍擴展至真空紫外到中紅外波段特點：波長連續(xù)可調，器件結構簡單、價格低廉；染料溶液穩(wěn)定性比較差1966年世界上第一臺染料激光器氯鋁鈦花青染料激光器問世，采用紅寶石激光激勵 9(4) 半導體激光器半導體激光二極管，或激光二極管(Laser Diode, LD） 工作物質：半導體材料。IIIA-VA族化合物半導體，GaAs、InP、等IIB-VIA族化合物半導體，CdS等IVA-VIA族化合物半導體，PbSbTe等類型：同質結、異質結(單、雙)、量子阱激勵：注入電流激勵波長范圍：近紅外波段(920nm1.65mm)特點：能

6、量轉換率高、易于進行高速電流調制、超小型化、結構簡單、壽命長(十萬甚至百萬小時)10應用：光纖通信、光存儲、光信息處理、科研、醫(yī)療等激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動化、激光準直等等 1962年，第一臺半導體激光器GaAs激光器問世11(5) 化學激光器通過化學反應實現(xiàn)粒子數(shù)反轉產(chǎn)生激光輻射 工作物質：目前主要是氣體，HF、DF、氧碘激勵：化學能，一般采用一些引發(fā)措施促成化學反應，光引發(fā)、電引發(fā)、化學引發(fā)等波長范圍：紫外-微米波段特點：功率高、能量輸出高、無需外界提供激勵源，可將化學能直接轉化成激光能量，特別適合野外等無電源處應用：激光武器、同位素分離1964年，第一臺光解離碘原子化學

7、激光器問世12(6) 自由電子激光器是一種新型激光器 工作物質：相對論電子束通過電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對論電子束的動能轉變?yōu)榧す廨椛淠芗睿嚎臻g周期磁場或電磁場特點：能量轉換效率、輸出激光波長連續(xù)可調應用：在未來的生物、醫(yī)療、核能等領域具有重要的應用前景13(7) X射線激光器輸出波長位于X射線波段(1-10nm)工作物質：高度電離的等離子體激勵：光激勵，須特殊的X射線源(8) 光纖激光器工作物質：摻入某些激活離子的光纖，或利用光纖本身的非線性光學效應激勵：半導體激光二極管激勵特點：總增益高、閾值低、能量轉換率高、很寬的波長調諧范圍，器件結構緊湊1963年，第一臺光纖激光

8、器Nd2O3光纖激光器問世142、按照激光工作方式劃分連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種工作方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器3、按照激光技術的應用劃分調Q激光器、鎖模激光器、穩(wěn)頻激光器、可調諧激光器4、按照諧振腔類型劃分非穩(wěn)腔激光器、平面腔激光器、球面腔激光器等等15第二節(jié) 固體激光器固體激光器在激光器家族中具有最長的歷史。我國研制的第一臺激光器叫做“小球照明紅寶石激光器”，1961年8月誕生于中國科學院長春光機所。激光器的設計師是王之江教授。王之江教授因此被中國光學界尊稱為“中國激光之父”。“小球照明紅寶石激光器”在結構上比梅曼那臺激光器又前進了一大步，主要表現(xiàn)在激勵氙燈采用直管式，而非螺旋形；紅寶石棒與氙

9、燈并排放在球形聚光器的球心附近。這種結構可以獲得更高的激勵效率。直至今天，閃光燈激勵的固體激光器還大都采用這種方式162.1 固體工作物質固體工作物質由固體基質材料和少量摻雜離子(金屬離子)兩部分構成。其中固體工作物質的物理性能由基質材料體現(xiàn)，而其光譜特性則由摻雜離子決定。基質材料有晶體和玻璃兩大類。晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧化物晶體有單一氧化物和混合氧化物。單一氧化物晶體如Al2O3 ；混合氧化物晶體如石榴石型晶體YAG、YAP。氟化物晶體也有單一氟化物，如CaF2晶體和混合氟化物；如LiYF4 晶體。玻璃則有硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。17摻雜離子種類三價稀土金屬離子：

10、如釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、釤(Sm+)、銪(Eu3+)、鏑(Dy3+) 、鈥(Ho3+)、鉺(Er3+)、鐿(Yb3+)等。二價稀土金屬離子：如釤(Sm2+)、鉺(Er2+ )、銩(Tm2+ )、鏑(Dy2+)等。過渡金屬離子：如鈦(Ti3+)、鉻(Cr3+)、鎳(Ni3+ ) 、鈷(Co3+)等。錒系金屬離子：多具有放射性，不易制備，只有鈾(U3+)曾有所應用。18固體工作物質特點與要求固體工作物質達數(shù)百種，從中已獲得激光譜線數(shù)千條。在一般固體工作物質中，參與受激輻射作用的離子濃度約為10251026m-3 ，比氣體工作物質高34個數(shù)量級以上，且固體工作物質激光上能級的壽命也比較長，

11、 因此固體激光器比較容易獲得大能量輸出，適合于調Q固體工作物質通常加工成圓棒狀(或盤片狀)，棒側面磨毛。對棒兩端面的加工要求很高：兩端面為垂直于棒軸向的平行平面，平行誤差在510之間；端面與棒軸向的垂直度t，可按單脈沖情況分析對于t t，棒內溫度還沒有恢復到常溫狀態(tài)，下一個激勵脈沖又疊加上來，產(chǎn)生新的溫度分布隨著激勵脈沖個數(shù)的增加，棒內溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)對于t t 的情況，按連續(xù)情況考慮53二、冷卻與濾光消除熱效應的主要措施有冷卻、光學補償和采用非圓柱形工作物質1、冷卻目的：降低工作物質的整體溫度。液體冷卻：水，蒸餾水、去離子水；野外使用一般加入低于冰點的甲醇或乙二醇；冷卻方式分整體冷卻和分別冷

12、卻541、冷卻氣體冷卻：利用風扇或吹風機產(chǎn)生氣流散熱，適用于平均功率比較低的激光器傳導冷卻：將工作物質與散熱器通過機械方式直接緊密接觸，利用熱傳導冷卻2、濾光濾光：濾去燈的寬帶輻射譜中的有害光，尤其是紫外光紫外光易在工作物質中形成色心，使工作物質性能劣化常用方法：濾光液法和濾光玻璃法3、采用非圓柱工作物質工作物質改為盤狀或板條狀，增大冷卻面積，降低溫度554、光學補償法光學補償法：采用光學的方法對激光工作物質產(chǎn)生的熱透鏡效應及熱應力雙折射進行補償 (1) 對熱透鏡效應的光學補償常采用修磨端面法和設計相應的諧振腔兩種方法修磨端面法：將棒的一個端面修磨成凹面，凹面的曲率半徑R與棒熱透鏡效應形成的熱

13、焦距fT存在以下關系棒端面修磨相當于在諧振腔內加入一個與熱透鏡效應等焦距的負透鏡，抵消熱透鏡影響適用于熱焦距穩(wěn)定的情況56(2) 對熱應力雙折射的補償補償方式：使用90o(/2)石英旋光片原理為了使工作物質棒沿徑向和切向偏振分量的光通過棒和補償光學元件之后具有相同的相位延遲，可通過偏振旋轉實現(xiàn)。將兩根熱應力雙折射效應相同的棒串聯(lián)，中間放置90o石英旋光片相互補償57第三節(jié) 氣體激光器氣體激光器大多采用氣體放電激勵方式所謂氣體放電，是指在高電壓作用下，氣體分子(或原子)發(fā)生電離而導電常用氣體激光器的氣體放電屬于弱電離氣體放電，其氣體電離度一般不超過0.1%。氣體放電有多種形式：按照放電管電極上所

14、加電壓不同，可分為直流連續(xù)放電、高頻放電和脈沖放電3.1 氣體放電激勵基礎氣體放電的方式581. 直流連續(xù)放電直流連續(xù)放電是指在氣體激光器放電管兩電極間加上可調的直流電壓。調節(jié)放電管兩端的電壓或電阻，測出相應的放電電流，即可得到放電管直流連續(xù)放電的伏安特性曲線59D點所對應的管壓降稱為著火電壓，也稱起輝電壓，或擊穿電壓。 AD段為非自持放電階段。放電電流雖然隨端電壓升高而增加，但其值很小。此時若去掉外界電離源，放電電流則很快減小直至放電終止。此階段的放電電流范圍一般在10-20-10-11A之間。 60D點以后，則為自持放電階段，陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射DE段叫作自持暗放電，放電不穩(wěn)定平坦的EF段

15、。該區(qū)域的特點是電流增加，但管壓降幾乎保持不變，放電管內出現(xiàn)明暗相間的輝光，稱之為正常輝光放電。輝光放電階段，由于二次發(fā)射的電子隨電場的增加而迅速增加，故當放電管端電壓略有增加時，放電電流就增大很多。輝光放電的電流范圍一般在10-410-1A之間FG段則為反常輝光放電階段。此階段管壓降隨著電流增加而增加。反常輝光放電階段，陰極濺射很強烈，放電管一般應避免在此狀態(tài)下工作。61G點所對應的電壓叫做弧光著火電壓。過G點后，放電管管壓降再次迅速下降，放電電流快速增大，放電管中發(fā)出耀眼的弧光，稱之為弧光放電。弧光放電的GH段呈現(xiàn)出負阻特性，放電不穩(wěn)定。HK段為穩(wěn)定弧光放電階段，放電電流一般大于10-1A

16、。62輝光放電： 高電壓、小電流(幾毫安至幾十毫安)放電，是一種穩(wěn)定的自持放電。 He-Ne激光器與CO2 激光器都是工作在輝光放電區(qū)域。弧光放電：低電壓大電流(幾十安至幾千安)的自持放電；弧光放電的著火電壓一般比輝光放電的著火電壓高，但對陰極表面積和電子逸出功都很小的放電管而言，其弧光著火電壓也可低于輝光著火電壓Ar+ 激光器工作于弧光放電區(qū)域632. 高頻放電高頻放電也叫做射頻氣體放電。所謂射頻，通常指頻率在幾兆到幾百兆范圍內的電磁波。當兩電極間施加高頻交變電場后，由于帶電粒子在兩電極之間的渡越時間遠大于電場的變化周期，使得電子不能再做長距離的運動，而只能在某個固定位置附近振蕩，并在振蕩過

17、程中與氣體粒子碰撞，產(chǎn)生電離和激發(fā)，以維持放電。射頻放電時，由于電子不斷來回運動使電子飛越的路程增大，從而使電子與氣體粒子碰撞的次數(shù)增加，電離能力極大提高，也使得作為電子來源的陰極的重要性大為減弱。因此，射頻放電可以用內電極，也可以用外電極，甚至可以不用電極。20世紀70年代，射頻氣體放電技術成功地應用于大功率輸出CO2 激光器，并已展示出其廣闊的應用前景。643. 脈沖放電放電管兩電極間施加脈沖電壓，即產(chǎn)生脈沖放電。按放電電流密度的大小，放電管內可產(chǎn)生脈沖輝光放電和脈沖弧光放電。按所加電壓的交變狀態(tài)，可分為直流脈沖放電和交流脈沖放電按脈沖持續(xù)時間,又可分為短脈沖放電和長脈沖放電。準分子激光器

18、采用脈沖放電方式。大功率高氣壓氣體激光器多采用短脈沖放電方式。除上述三種放電方式外，還有火花放電和電暈放電等方式653.2 He-Ne激光器工作介質：He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器，Ne為工作物質，He為輔助氣體。特點： He-Ne激光器輸出連續(xù)光，主要工作波段在可見光到近紅外區(qū)域，最常用的工作波長為632.8nm；其次是1.15m和3.39m以及1.52m、543.5nm等He-Ne激光器輸出光束質量很高，表現(xiàn)為單色性好(n20Hz)和方向性好(Q1mrad)器件結構簡單，造價低廉增益低，輸出功率一般為毫瓦量級(0.5100mW)應用：He-Ne激光器廣泛應用于準直、精密計量、信

19、息處理、醫(yī)療、照排印刷等領域。66一、He-Ne激光器的基本結構 He-Ne激光器的基本結構由激光管和電源兩部分組成激光管主要包括放電管、電極和諧振腔三部分放電管是He-Ne激光器的核心，放電管通常由毛細管和儲氣室構成。67He-Ne激光管的電極分為陽極和陰極。陽極一般采用鎢棒，陰極多采用電子發(fā)射率高而濺射率小的鋁及其合金這類冷陰極材料。為增加電子發(fā)射面積，減小陰極濺射，陰極通常做成圓筒狀，再用鎢棒引至管外。He-Ne激光器因為增益低，諧振腔一般采用平凹腔。平面鏡為輸出反射鏡，透過率約1%2%，凹面鏡為全反射鏡68He-Ne激光器結構形式多樣，按照諧振腔與放電管的放置方式不同，可分為內腔式、外

20、腔式和半內腔式 He-Ne激光器的結構形式(1) 內腔式諧振腔的兩反射鏡調整好之后直接固定在放電管的兩端優(yōu)點：使用中不必進行任何調整，使用方便，腔內損耗小，有利于提高功率缺點：器件的工作過程，當毛細管受熱變形時，諧振腔反射鏡將偏離校準狀態(tài)69(2) 外腔式諧振腔反射鏡與放電管分離，放電管兩端封有布儒斯特窗優(yōu)點：放電管的熱變形對諧振腔影響很小，且腔鏡可調整，可保證長期使用中輸出穩(wěn)定；布儒斯特窗的加入，使激光可獲得線偏光輸出，偏振度一般大于99%；可以方便的在腔內插入其他光學元件，獲得調頻、條幅輸出缺點：腔鏡與放電管位置易改變，使用中需經(jīng)常加以調整70(3) 半內腔式71二、He-Ne激光器的工作

21、原理 He-Ne激光器中的激光躍遷產(chǎn)生于Ne原子的不同激發(fā)態(tài)之間，He原子為輔助氣體，其作用是提高Ne原子的激勵速率He原子核外有兩個電子，其基態(tài)電子組態(tài)為1s1s。He原子基態(tài)能級符號表示為 1s0當He原子受激時，其中一個電子由1s殼層激發(fā)到2s殼層 (電子組態(tài)為1s2s)，使He原子處于激發(fā)態(tài)。該激發(fā)態(tài)中有兩個亞穩(wěn)能級(21s0和23s1 )與He-Ne激光躍遷有關1. He-Ne的能級結構72Ne原子核外有10個電子，基態(tài)電子組態(tài)為1s22s22p6 Ne原子基態(tài)能級為1s0受激時，2p殼層中的一個電子躍遷到較高能態(tài)而形成激發(fā)態(tài)與激光躍遷有關的Ne原子電子激發(fā)組態(tài)為 1s22s22p5

22、3s，1s22s22p53p，1s22s22p54s，1s22s22p55s7374根據(jù)能量躍遷選擇定則，在Ne原子的3s與2p、3p能態(tài)之間，2s與2p能態(tài)之間的很多對子能級之間都能產(chǎn)生躍遷譜線(現(xiàn)已獲得100多條譜線)最強的譜線有3條，即632.8nm、3.39m和1.15m，分別對應于3s22p4、3s23p4和2s22p4 之間的躍遷。75一般He-Ne激光器輸出工作波長為632.8nm，對應于3s22p4 的躍遷。躍遷至激光下能級2p4上的Ne原子通過自發(fā)輻射躍遷到1s能級，最后通過擴散返回基態(tài)。 He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)。762. Ne原子激光上能級的激發(fā)過程Ne原子激光

23、上能級有三種激發(fā)過程(1) 共振能量轉移激發(fā)He原子的21s0和23s1與Ne原子的3s、2s能級十分接近，粒子之間很容易發(fā)生共振能量轉移，幾率高達95%是電子直接碰撞激發(fā)的6080倍轉移過程為77(2) 電子直接碰撞激發(fā)激發(fā)過程為(3) 串級躍遷Ne原子與電子碰撞被激發(fā)到更高的能態(tài)，然后再躍遷至2s和3s能態(tài)。在三種激發(fā)過程中，此過程貢獻最小783. Ne原子激光下能級的弛豫過程Ne原子激光下能級2p和3p向基態(tài)的躍遷為選擇定則所禁戒，粒子只能通過自發(fā)輻射躍遷到1s能級。由于1s能級向基態(tài)的躍遷也屬禁戒，因此1s能級的Ne原子只有擴散到放電管管壁， 通過與管壁碰撞釋放能量后方能返回基態(tài)， 稱

24、之為“管壁效應”。激光下能級如不能被較快抽空, 將會造成粒子的堆積，形成“瓶頸效應”。這就是He-Ne激光器放電毛細管內徑要很小的主要原因。 79He-Ne激光器放電毛細管管徑d與小信號增益系數(shù)Gm 之間存在經(jīng)驗公式:上式表明為了提高增益系數(shù)，He-Ne激光器的放電毛細管要細，但管徑d 小會限制器件的輸出功率80三、He-Ne激光器的譜線競爭 632.8nm、3.39m與1.15m三條譜線是He-Ne激光器上百條譜線中最強的三條 三者之中，由于3.39m譜線與632.8nm譜線共用一個激光上能級3s2，且增益都很高。因此，二者之間存在激烈的譜線競爭。3.39m譜線的振蕩，將大量消耗激光上能級的

25、粒子，導致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降，甚至振蕩被抑制為保證632.8nm譜線起振并提高其輸出功率，應設法抑制3.39m譜線的振蕩。抑制所遵循的原則是增大3.39m譜線的損耗或者降低其增益81(1) 棱鏡色散法(2) 腔內放置甲烷盒吸收82(3)外加非均勻磁場法其原理是利用塞曼效應。塞曼效應指磁場將引起譜線的分裂，譜線分裂的大小與磁感應強度成正比。施加非均勻磁場后，造成放電管內各處譜線分裂程度不同，其作用相當于把譜線展寬83四、放電參數(shù)對輸出功率的影響He-Ne激光器的放電條件包括放電電流i、充氣氣壓p和He、Ne氣壓比(pHe:pNe)器件的增益G正比于激光上下能級反轉粒子數(shù)密度n

26、 (Gn)，可通過分析n與放電條件的關系來討論增益與放電條件的關系(1)增益與放電電流i 的關系He-Ne激光器的輸出功率并不隨著放電電流的增加而單調的增加，而是存在一個最佳放電電流 在放電管中，同時存在激發(fā)和消激發(fā)過程 Ne的上能級集居數(shù)密度n2正比于He的亞穩(wěn)態(tài)集居數(shù)密度n384n3變化率方程為J為電流密度，K1, K2, K3為過程常數(shù)，nHe為基態(tài)He原子密度 第一項對應電子碰撞激發(fā)過程 第二項對應于管壁碰撞和共振能量轉移引起的消激發(fā)過程 第三項對應于電子與亞穩(wěn)態(tài)原子He*碰撞使其回歸基態(tài)的消激發(fā)過程 85穩(wěn)態(tài)時，上式左邊為0，有電流很小時，n3正比于J 隨著電流增大，n3和n2趨于飽

27、和(nHeK1/K3) 實驗中發(fā)現(xiàn)，激光躍遷下能級的粒子數(shù)密度n1正比于J下能級粒子的激發(fā)速率和放電電流密度成正比，消激勵主要通過2P41S的自發(fā)輻射，其速率與放電電流無關86放電電流存在一個最佳值，器件工作于最佳值時，對應于最大的反轉粒子數(shù)密度n=n2-n1因增益G n，故增益也對應有最佳放電電流。87(2)增益與充氣總氣壓p 的關系He-Ne激光器的輸出功率與充氣壓強有關 放電毛細管的直徑為d，則存在最佳的pd值使輸出功率最大He-Ne激光器的最佳pd 值約為(4.85.3)102Pamm88(3)增益與He、Ne氣壓比(pHe:pNe )的關系Ne原子比例過小會降低輸出功率Ne原子比例過

28、高則會因電離過多使電子離子數(shù)目增加，在低電場下維持一定的放電電流，導致電子溫度下降，激發(fā)速率降低，輸出功率隨之下降一般pHe:pNe7:110:189(4) 最佳充氣條件最佳充氣總氣壓與最佳He、Ne氣壓比稱為He-Ne激光器的最佳充氣條件 當器件工作于最佳充氣條件時，其放電毛細管內徑d與最佳充氣總氣壓popt的乘積為一常數(shù)，其取值范圍poptd=480533 (Pamm)由上述分析得出結論: 為獲得最大增益，He-Ne激光器應工作在最佳放電條件下，即采用最佳放電電流、 最佳充氣總氣壓和最佳He、Ne氣壓比903.3 CO2激光器工作介質：CO2為工作物質， N2 、He、CO、Xe、H2 O

29、、H2 與O2 等為輔助氣體，其作用是提高激光器的輸出功率和效率。 N2可提高上能級的激勵效率，He有助于激光下能級的抽空特點： 輸出功率或能量相當大，能量轉換效率高：CO2激光器連續(xù)輸出功率可達數(shù)十萬瓦，是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件；脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦，脈寬可壓縮到納秒量級，脈沖功率密度可達TW量級輸出波長分布在918m波段，已觀察到的激光譜線二百多條 應用：激光加工、醫(yī)療、大氣通信、軍事等領域。91一、CO2分子的能級結構及振-轉躍遷 分子的總能量包括以下四部分：電子繞核運動的能量分子中原子的振動能量分子的轉動能量平動能量除平動能量外，前三種運動的能量部是量子化的。相鄰電子能級

30、、振動能級及轉動能級問能量差的比例約為104：102：1。N2分子是雙原子分子，只有一種振動模式，振動量子數(shù)v=0, 1, 2, 3921、CO2分子的能級結構(1) CO2 分子的振動有三種基本形式(三種簡正振動)對稱振動：氧原子沿分子軸同時朝向或同時背向碳原子振動，碳原子保持不動 彎曲振動：3個原子不是沿分子軸振動，而是垂直于分子軸振動,且碳原子的振動方向與2個氧原子相反 反對稱振動：3個原子沿分子軸振動, 碳原子的振動方向與2個氧原子相反 93在一級近似下，CO2分子上述三種振動方式相互獨立，其振動能量為三種振動方式的能量之和 用4個對應的量子數(shù)標記其振動能級，符號為(v1 v2l v3

31、)。vi 分別代表其對稱、形變及反對稱的主量子數(shù)，而l 代表形變時其投影角動量守恒且量子化，lv2，v2-2，v2-4，1或0 94CO2分子可能產(chǎn)生的躍遷譜線有很多條，其中強度最強和最具價值的是10.6m譜線(對應于00011000能級的躍遷)和9.6m譜線(對應于00010200能級的躍遷)。二者具有同一上能級，且00011000的躍遷概率大得多，因此CO2激光器一般只輸出10.6m激光CO2 分子的能級結構屬四能級系統(tǒng)95(2) CO2 分子的轉動CO2分子可做整體轉動，轉動能量為轉動能級間的躍遷定則是J = 0, 1962、CO2分子的能級激發(fā)直接電子碰撞電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)

32、到激光上能級CO2(0000)+e CO2(0001)+e級聯(lián)躍遷電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激發(fā)態(tài)000n能級，其與基態(tài)CO2碰撞將其激發(fā)到激光上能級CO2(0000)+ CO2(000n) CO2(0001)+ CO2(000n-1) 共振轉移基態(tài)N2和電子碰撞躍遷到v=1的振動能級，該能級壽命長，屬于亞穩(wěn)態(tài)，與基態(tài)CO2發(fā)生非彈性碰撞躍使其遷至激光上能級CO2(0000)+N2(v=1) CO2(0001)+N2(v=0)97CO2分子0001能級與N2的v=1的能級接近， N2的v=24能級與CO2的00020004也接近易發(fā)生共振轉移， 00020004的CO2與基態(tài)CO2分子碰

33、撞，也可激勵到0001以上三種激發(fā)途徑，共振轉移幾率最大，作用最顯著983、CO2分子的振-轉躍遷CO2 分子的紅外光譜并不是一條單一的振動譜線，而是一條有一定寬度的譜帶。 這是由于CO2 分子除振動運動外，同時存在轉動運動。在其影響下，CO2分子的振動能級將分裂為一系列轉動子能級。根據(jù)分子光譜理論，分子振動能級之間的躍遷必然伴隨著轉動子能級之間的躍遷，產(chǎn)生帶狀光譜99振-轉躍遷的選擇定則對于振動能級: v=0,1對于轉動子能級: J=0,1對轉動子能級間的躍遷，選擇定則規(guī)定:J=+1，稱為R支,記為R(J)J=-1，稱為P支,記為P(J)J=0，稱為Q支。因為CO2分子的對稱性質，譜帶中心沒

34、有該支譜線，即不存在Q支躍遷。 1004、CO2分子激光躍遷下能級的抽空CO2分子激光躍遷下能級的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞過程1000和0200能級的CO2分子與基態(tài)的CO2分子碰撞后均躍遷至0110能級E1和E2均遠小于kBT，上述過程發(fā)生幾率很高，1000、0200、0110三個能級很快就能達到熱平衡；分布可由玻爾茲曼分布描述 1010110能級的CO2分子與基態(tài)的CO2分子碰撞后返回基態(tài)由于E3高達667cm-1，該過程發(fā)生的幾率很小，使0110能級稱為下能級排空的瓶頸，對激光的運轉極為不利解決的途徑：在放電管中充入一定比例的He基態(tài)He原子與0110能級的CO2分子碰撞大大縮短了此

35、能級的壽命，使激光躍遷下能級的壽命大為縮短 He其具有較高的熱導率，降低了放電空間的溫度，可以有效的降低激光躍遷下能級的集居數(shù)密度 102二、CO2激光躍遷能級壽命和譜線加寬自發(fā)輻射壽命和波長的三次方成正比CO2激光躍遷波長很長，致使激光躍遷上能級的自發(fā)輻射壽命很長，上能的壽命t2主要取決于分子間碰撞弛豫過程的速率 pi和ai為各種氣體的分壓強和碰撞弛豫速率常數(shù)103CO2激光譜線加寬CO2激光躍遷波長很長，使激光躍遷能級間的自發(fā)輻射譜線具有較小的多普勒加寬：T=400K時，nD60MHz 高氣壓下，碰撞加寬占主導地位104三、CO2激光器的結構CO2激光器諧振腔一般采用平凹腔增益高，也可采用

36、非穩(wěn)定腔高反射鏡可用金屬制成，也可用玻璃表面鍍金制成輸出端可采用小孔耦合或使用透紅外光的材料制成輸出窗1051. 縱向慢流CO2激光器四、CO2激光器的分類氣體流動的目的：排除CO2分子與電子碰撞時分解出來的CO，補充新鮮氣體放電電流密度和氣體壓強均有一個使輸出功率最大的最佳值：實驗表明，最佳值大致與放電管徑成反比最佳條件下，該激光器的輸出功率約為5060W/m1062. 封離型CO2激光器封離型是指工作氣體被封離在放電管中該結構的器件單位長度可輸出的功率比流動型或氣動型器件要低得多，一般輸出功率都低于200W封離型CO2激光器的基本結構也分為內腔式、半內腔式和外腔式三種。工作氣壓和放電電流都

37、較高，需要對放電毛細管水冷。107封離型CO2激光器中，必須加入催化劑，促使O和CO重新結合成CO2選用與O2不發(fā)生反應的陰極材料，以保證激光器中有足夠的氧氣和CO重新結合催化劑：通常為H2和H2O1083. 縱向快流CO2激光器在縱向慢流激光器中，放電產(chǎn)生的熱量主要靠氣體的擴散運動傳給管壁，再由沿管壁外表而流動的冷卻液帶走。由于這種散熱方式效率較低，電流密度和壓強不能太大，因此限制了輸出功率。如果提高氣體流動速度(約50ms)，使放電管內的熱氣流流出管外，在管外冷卻后再返回放電管，則不再存在放電電流密度的最佳值，輸出功率隨放電電流密度線性增加。單位長度輸出功率可達1kWm以上。目前，(13)

38、kW的縱向快流CO2激光器已廣泛用于激光加工。與大功率的橫向流動激光器相比，縱向快流CO2激光器中放電電流密度分布的圓對稱性較好，因此具有更好的光束質量。1091104橫向流動CO2激光器縱向快流CO2激光器需要很高的氣體流速才能及時將熱氣體導出。若使氣體流動方向與光軸垂直，由于氣體通道截面大，氣體流動路徑短，因此較低的流速就能達到縱向快流同樣的冷卻效果。和縱向快流CO2激光器一樣，在橫向流動CO2激光器中，輸出功率的電流飽和效應不明顯。最佳氣體壓強高達1.3104Pa。高壓強運轉有利于提高輸出功率，但頻繁的碰撞使電子溫度降低，必須在強電場中才能維持足夠高的電子溫度。在橫向流動CO2激光器中，

39、縱向放電不切實際，通常采用電場與光軸垂直的橫向放電方式。 采用橫向放電方式的激光器稱作TE激光器。此類激光器中單位長度輸出功率可達每米數(shù)千瓦，總輸出功率已高達(120)kW。1115. 橫向激勵大氣壓CO2激光器(TEA CO2 Laser)高氣壓橫向激勵激光器中，壓強過高會導致放電不穩(wěn)定。為此，常常采用脈沖放電激勵方式。由于快速脈沖放電時放電不穩(wěn)定過程來不及充分發(fā)展，因此氣體壓強可增高至大氣壓或高于大氣壓。由于壓強高，橫向激勵大氣壓激光器(簡稱TEA激光器)單位體積輸出能量可高達(1050)J/L，總能量和峰值功率可分別高達10kJ和20TW。在數(shù)個大氣壓的高氣壓情況下，由于壓力加寬效應引起

40、轉動能級的重疊，出現(xiàn)準連續(xù)寬帶增益譜，可導致波長在(9.210.7)um范圍內的連續(xù)可調激光輸出。1121131146. 氣動CO2激光器氣動CO2激光器采用熱激勵方式。含有CO2的混合氣體在容器內燃燒以形成高溫高壓狀態(tài)，由于溫度很高，CO2的激光上、下能級均具有較高的集居數(shù)密度。混合氣體通過噴管絕熱膨脹時氣體溫度急劇下降，但由于上能級的壽命較下能級長，集居數(shù)密度減少的速度較下能級慢，于是在膨脹區(qū)的相當大的范圍內可形成集居數(shù)反轉狀態(tài)。氣動CO2激光器的輸出功率可達80kW。1157波導CO2激光器所謂波導，在微波技術中是指用來引導電磁波的器件。波導激光器由于采用孔徑很小、內表面反射率很高的空心

41、導管對激光光束進行傳輸形成空心波導效果而得名。波導激光器由于自身結構的這一特點，使其激光振蕩模式與普通激光器不同。普通激光器的光學諧振腔理論以電磁波在自由空間的傳播為基礎，而在波導激光器諧振腔中，電磁波在其傳播途中的某一部分或全部上被波導所引導而不服從自由空間的傳播規(guī)律。波導激光器本征模的特征已不主要取決于模尺寸、腔鏡的曲率半徑及其間距這些描述普通激光器本征模的特征參量。1161173.4 準分子激光器準分子：激發(fā)態(tài)結合為分子，基態(tài)離解為原子的不穩(wěn)定締合物右圖為準分子的勢能曲線。由激發(fā)態(tài)勢能曲線可見，在某一核間距時勢能最小，這是束縛態(tài)的特征。基態(tài)勢能曲線隨核間距的增加而單調下降，顯示了原子相排

42、斥的特征。激光躍遷發(fā)生在束縛態(tài)和自由態(tài)之間。118準分子躍遷到基態(tài)后立即解離，這意味著激光下能級總是空的，只要激發(fā)態(tài)存在分子，就處于集居數(shù)反轉狀態(tài)。由于激光下能級不是某個確定的振動-轉動能級，躍遷是寬帶的，因此準分子激光器可以調諧運轉。準分子可由異類或同類分子構成，已成功運轉的準分子激光器的波長示于下表119準分子激光器普遍采用電子束或快速放電激勵。放電激勵多采用Blumlein電路，它具有體積小、結構簡單、可高重復率運轉等優(yōu)點，在商用準分子激光器中得到廣泛應用。 準分子激光器的激勵120以放電激勵KrF*準分子激光器為例在放電過程中，被電場加速的自由電子與Kr原子碰撞產(chǎn)生大量受激氪原子(Kr

43、*)，Kr*與含鹵素分子NF3碰撞產(chǎn)生KrF*準分子。 以上過程可表示為準分子激光器中常加入He、Ne或Ar等緩沖氣體，其作用是使電子溫度下降，以便碰撞時產(chǎn)生更多的激發(fā)態(tài)粒子(如Kr*)，而不產(chǎn)生過多的離子。與緩沖氣體分子的碰撞還可促使高振動能級的準分子向低振動能級弛豫。121特點：準分子激光器脈沖輸出能量可達百焦耳量級， 峰值功率達千兆瓦以上，平均功率可大于200W，重復頻率高達1KHz。應用：光化學、同位素分離、醫(yī)學、生物學、光電子及微電子工業(yè)122第四節(jié) 染料激光器染料激光器采用溶于適當溶劑中的有機染料作激光工作物質。附錄三中列出了若干主要的染料、溶劑及相應的激光波長4.1 工作物質適用

44、作激光工作物質的染料是包含共軛雙鍵的有機化合物123常用染料的種類已獲得運轉的激光染料達500余種，其中最常用的有以下四類：吐噸類染料香豆素類染料惡嗪染料花青類染料124典型的染料分子由五十多個原子組成，是一個結構非常復雜的大分子系統(tǒng)。很難把染料發(fā)出的熒光歸結為是其中哪一對原子所發(fā)射的，要精確地計算能級非常困難右圖為模仿簡單的雙原子分子模型得出的染料分子能級結構4.2 染料分子的能級125自由電子模型 復雜的染料大分子中分布著電子云，電子云中的2n個電子與勢阱中的自由電子相似。 當分子處于基態(tài)時，2n個電子填滿n個最低能級，每個能級為兩個自旋相反的電子所占據(jù)，總自旋量子數(shù)為零，形成單重態(tài)S0。

45、當分子處于激發(fā)態(tài)時，電子云中有一個電子處于較高能級。若此電子自旋方向不變，則總自旋量子數(shù)仍為零，形成S1、S2等單重激發(fā)態(tài)。 若此電子自旋反轉，則形成T1、T2等三重態(tài)。126由選擇定則可知，單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍遷是禁戒的。 每一個電子態(tài)都有一組振動轉動能級；電子態(tài)之間的能量間隔為106m-1量級，同一電子態(tài)相鄰振動能級間的能量間隔為105m-1，而轉動子能級間的能量間隔僅為103m-1量級。實際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動引起的加寬，使得振動、轉動能級幾乎相連。因此每個電子態(tài)實際上對應一個準連續(xù)能帶。 寬帶結構正是染料激光器能夠在比較寬廣的光譜范圍內實現(xiàn)連續(xù)調諧的物理基礎。1

46、274.3 染料分子的吸收和發(fā)光過程1、吸收和熒光染料分子吸收了激勵光能量由基態(tài)S0躍遷到S1的某一振轉能級后，在和溶劑分子頻繁的碰撞中迅速地將能量傳遞給溶劑分子并躍遷至S1的最低振轉能級。染料分子由此能級躍遷至S0的各振動能級時產(chǎn)生熒光。躍遷至S0的較高振轉能級的染料分子迅速通過元輻射躍遷過程返回S0的最低能級。激光躍遷發(fā)生在S1最低振動能級與S0的較高振動能級之間1281292、染料分子的三重態(tài)“陷阱”作用“系際交叉”：S態(tài)和T態(tài)之間的偶極躍遷是禁戒的，但是由于S1態(tài)的受激分子與周圍其他分子的碰撞導致了電子自旋的倒轉，使分子的總自選角動量不再為零，所以存在S1向T1的躍遷三重態(tài)“陷阱”作用

47、：由躍遷選擇定則S=0，可以T1、T2到S0的躍遷屬于自旋禁戒躍遷，粒子在T1的壽命比較長，為毫秒量級，則三重態(tài)T實際上起到了“陷阱”的作用130131“陷阱”原因粒子從S1T1的躍遷消耗了S1的粒子數(shù)，使S1S0躍遷的粒子數(shù)減少，導致熒光躍遷粒子減少 T1壽命較長，粒子在T1態(tài)堆積，并產(chǎn)生T1T2的受激吸收且較強由于T1-T2和S0-S1能級間距非常接近，嚴重的后果是T1T2吸收帶中某些波長正好與S1S0躍遷的熒光帶重合，造成熒光效率下降，甚至導致熒光淬滅 系際交叉對染料分子產(chǎn)生受激輻射極為不利132消除“陷阱”作用主要從選擇染料、加入淬滅劑和窄脈沖激勵三方面著手染料選擇：影響系際交叉速率的

48、主要參數(shù)是自旋磁矩和軌道磁矩的耦合，選擇軌道磁矩小的染料，則三重態(tài)效率就很低，羅丹明6G的三重態(tài)效率僅為19%加入淬滅劑：加入少量三重態(tài)淬滅劑(氧)，縮短T1態(tài)壽命采用窄脈沖激勵：采用脈寬窄、峰值功率高且上升沿陡的脈沖激勵，可是染料分子在T1態(tài)形成積聚之前建立激光振蕩，則三重態(tài)影響可忽略 1334.4 染料激光器的激勵方式通常采用閃光燈、N2分子激光器、準分子激光器或倍頻Nd3+:YAG激光器發(fā)射的532nm激光等作脈沖染料激光器的激勵光源，而連續(xù)染料激光器則常用氬或氪離子激光器作激勵源。激勵光的波長必須小于染料激光器的輸出激光波長。可以采用光柵、棱鏡、標準具及雙折射濾光片等波長選擇元件對染料

49、激光器進行波長調諧。134單縱模環(huán)行染料激光器光路圖135特點：具有較寬的頻帶鎖模染料激光器可以獲得很窄的脈沖：羅丹明6G可獲得30fs的脈沖，還可壓縮成6fs的脈沖應用：激光光譜、同位素分離、醫(yī)學及其他高科技領域136CD Player = 632 nmDVD Player = 658 nmBlueray DVD = 405 nm第五節(jié) 半導體二極管激光器137優(yōu)點：體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來激勵。工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。可用高達Ghz的頻率直接進行電流調制以獲得高速調制的激光輸出。半導體二極管激光器是實用中最重要的一類激光器。在激光通信、光存儲

50、、光陀螺、激光打印、測距以及光雷達等方而已經(jīng)獲得了廣泛的應用。138激勵方式有三種：電注入式、光泵式和高能電子束激勵式半導體二極管激光器的光學諧振腔是介質波導腔，其振蕩模式是介質波導模。原則上應用邊界條件求解介質波導中的麥克斯韋方程組可解求得這些模式本節(jié)將首先引入晶體中的能帶概念；隨后描述半導體中的電子狀態(tài)；接下來的幾節(jié)循序漸進地闡述半導體激光器的工作原理及其發(fā)展；最后介紹半導體激光一些重要的應用1395.1 半導體的能帶結構和電子狀態(tài)一、能帶概念量子力學計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的每一個能級，變成了N條靠得很近的能級，稱為能帶由于N值通常很大(1

51、023 /cm-3量級)分裂出的能級十分密集，形成一個能量上準連續(xù)的能帶，稱為允許能帶。由原子不同能級分裂成的允許能帶之間則是禁戒能帶，簡稱禁帶。140能帶的寬度記作E ，數(shù)量級為 EeV。若N1023，則能帶中兩能級的間距約10-23eV141能帶的特點：越是外層電子，能帶越寬，E越大。點陣間距越小，能帶越寬，E越大。兩個能帶有可能重疊。 142固體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上.電子的填充原則：服從泡利不相容原理服從能量最小原理設孤立原子的一個能級 Enl，它最多能容納2(2l+1)個電子. 這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，能帶最多能容納2N(2l+1)個電子.14314

52、4二、半導體中的電子狀態(tài)用量子力學確定孤立原子的電子能量和運動狀態(tài)是通過求解薛定諤方程實現(xiàn)的。然而，由于固體中所含原子數(shù)量極大，對每個電子求解薛定諤方程是根本不可能，只能采取某種近似的方法：其相應的能量本征值為145V：所有其他電子對某一電子的相互作用視為疊加在原子實周期勢場上的等效平均場，并用V(r)表示, 勢場的周期為晶格常數(shù)a。k為波數(shù)，me 為電子質量則動能146在k足夠小的范圍內，可將Ek 展開為Maclaurin(麥克勞林)級數(shù)，且只保留前兩項，得到 其中，meff 稱為電子的有效質量，與me 不同，meff 既可以取正值，也可以取負值。 147當 meff0K時，即使達到300K

53、，kT也只有10-2eV的兩級，而半導體的帶隙一般是eV兩級，所以一般仍有根據(jù)Fermi-Dirac統(tǒng)計，可知導帶中的載流子占據(jù)幾率為價帶中的載流子占據(jù)幾率為161導帶中只有很少量電子，且服從Boltzman分布定律,集中在相對靠近EF 的導帶底部。價帶基本被電子占滿，只有少量空穴，且按照Boltzman分布律集中在相對靠近EF 的價帶頂部。162在平衡狀態(tài)下，本征半導體材料中的電子基本處于價帶，導帶中只有很少電子，且主要集中在導帶底部。當材料受到某種激發(fā)時，價帶中的部分電子躍遷到導帶，并在價帶中形成與激發(fā)電子等量的空穴。導帶中的電子可以自發(fā)地，或受激地向下躍遷回到價帶，與那里的空穴復合，導致

54、復合發(fā)光。半導體材料中的導帶和價帶分別相應于二能級原子系統(tǒng)中的激光上、下能級。電子的激發(fā)和復合 163三、非本征半導體材料pn結半導體知識本征半導體是指純凈的半導體本征半導體的導電性能在導體與絕緣體之間。其導電性是由于自由電子從價帶躍遷到導帶上， 形成自由電子及空穴造成的摻雜雜質原子比材料原子多一個或少一個電子，則在能帶結構中，通常使帶隙中接近帶邊處產(chǎn)生附加能級。164兩個重要概念施主：在摻雜原子比材料原子多一個電子的情況下，附加能級接近導帶，雜質能級上的電子室溫下很容易進入導帶，使導帶中產(chǎn)生大量過剩電子，這種材料稱為n型材料，而雜質稱為施主;受主：若摻雜原子比材料原子少一個電子，則附加能級接

55、近價帶，其上的空穴很容易進入價帶，使價帶中出現(xiàn)大量過剩空穴，這種材料稱為p型材料，而雜質稱為受主。摻雜的凈效果是在導帶和價帶中形成過剩的自由載流子。p型材料和n型材料接觸時形成pn結(pn junction)165費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度關系166n型材料導帶中有過剩電子，相當于EF上移p型材料價帶中有過剩空穴，相當于EF下移p、n區(qū)域有各自的Femi能級1、當兩種材料未接觸時167同質結：兩種材料實際為同一種基質中分別摻以施主或受主雜質，則形成的pn結稱為同質結異質結：如果兩種材料的基質不同，則得到異質結 過剩電子和空穴分別由n區(qū)和p區(qū)向對方擴散，在結區(qū)邊緣建立空間電荷，兩區(qū)的EF

56、逐漸接近，直到平衡時兩者相等。空間電荷形成電壓V0，從n型區(qū)指向p型區(qū)，相當一個高勢壘，阻止擴散繼續(xù)進行在沒有外電場的情況下，上述過程很快結束，擴散電流停止2、當兩種材料接觸時1683、加正向偏壓正極接p型材料，則能量勢壘明顯降低，電流得以維持大量多數(shù)載流子向相鄰區(qū)域運動，即n型材料中的電子流入p型區(qū)，使p型區(qū)中的電子增加；p型區(qū)中的空穴流入n型區(qū)，使那里的空穴增加。電子在向p區(qū)擴散過程中逐漸減少，而這種減少正是與那里的空穴發(fā)生復合較好的結果，即在這個過程中輻射光子數(shù)增加。因而稱這一區(qū)域為有源區(qū)，其厚度與載流子的擴散長度具有相同數(shù)量級，對早期同質結半導體激光材料，大致在24m范圍。169170

57、5.3 激光振蕩條件一、半導體中的光增益半導體材料的導帶和價帶相應于二能級原子系統(tǒng)的上、下激光能級。適當波長的光與材料發(fā)生作用時，也有受激吸收和受激發(fā)射兩種過程同時發(fā)生。受激吸收：價帶電子吸收光子能量躍遷到導帶，并在價帶留下一個空穴受激發(fā)射：在入射光子誘導下，導帶電子躍遷到價帶，與價帶的空穴復合，并輻射一個與入射光子全同的光子171增益受激輻射增益：受激發(fā)射過程對入射光的增益G1 為正，且與導帶被電子占據(jù)的幾率及價帶被空穴占據(jù)的幾率成正比，即有：G1=a0hnPcePvha0：導帶能級全部被電子占據(jù)(Pce=1)，價帶能級全部被空穴占據(jù)(Pvh=1)時的增益受激吸收增益：而受激吸收過程對入射光

58、的增益G2則為負(衰減)，且與導帶被空穴占據(jù)的幾率及價帶被電子占據(jù)的幾率成正比，即，即有：G2=-a0hnPchPve172占據(jù)幾率有如下關系可得受激發(fā)射和受激吸收對光作用的總效果為有凈增益的條件為：PcePve，即導帶能級被電子占據(jù)的幾率大于價帶能級被電子占據(jù)的幾率 本征半導體平衡狀態(tài)下電子幾乎全部處于價帶，所以滿足有凈增益的條件的分布是反轉分布狀態(tài)173反轉分布狀態(tài)反轉分布狀態(tài)屬于非平衡態(tài)，該狀態(tài)下，導帶與價帶有各自的Fermi能級，分別稱為導帶準Fermi能級和價帶準Fermi能級，記為受激吸收過程中，價帶中能量為Ev=E-hn的電子只能吸收一個能量為hn的光子躍遷到導帶中Ec=E 的未

59、被電子占據(jù)的空能級上 受激發(fā)射過程中，Ec=E上的電子也只能躍遷到價帶中Ev=E-hn且未被占據(jù)的能級上，同時輻射一個能量為hn的光子 Pce(E)Pve(E-hn)174可見在非平衡態(tài)下，準Fermi能級不再位于禁帶區(qū)，而是分別進入導帶與價帶內。而為使pn結實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，需滿足兩個條件:(1) 摻雜濃度足夠高，使準Fermi能級分別進入導帶和價帶(2) 正向偏壓V足夠高，使eVEg，從而EFc -EFv =eVhn175二、損耗和閾值振蕩條件半導體二極管激光器也包含一個光學諧振腔和有源介質當光在腔中傳播時，除增益外，還會經(jīng)歷各種損耗只有當增益大于所要克服的損耗時，光才能被放大或維持振蕩

60、損耗用ai(cm-1)概括，主要包括衍射、自由載流子等引起的非本征吸收和各種損耗以及端面反射R1、R2所引起的損耗176對長度為L的腔，初始強度為I0的光在腔內一次往返后變?yōu)榭傻瞄撝翟鲆鏋閍i主要由自由載流子的吸收引起，其大小正比于載流子濃度n：室溫下，對GaAs材料有經(jīng)驗公式ai0.510-17n (cm-1)其中，n包括本底載流子濃度n0和閾值條件下注入載流子濃度nth，單位cm-3。典型值，當n=21018cm-3時，ai=10cm-1177在實際情況下，光場不可能完全被約束在有源區(qū)。但是只有在有源區(qū)中傳播的光才能獲得增益，在有源區(qū)外傳播的光得不到增益，卻要經(jīng)受由吸收和反射引起的傳播損耗