光电子学教程 Chapter6-1

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1、第六章发光器件§6-1气体激光器§6-2固体激光器§6-3半导体激光器概述：激光的产生推动了光电子学的发展，光源是极其重要的光电子器件。⎧⎧气体激光器⎪⎪⎪⎪固体激光器⎪相干光源⎨受激辐射光⎪液体激光器（染料）⎪⎪⎪光源⎨⎩半导体激光器（LaserDiode）⎪⎧热辐射光源（白炽、卤钨灯）⎪⎪⎪非相干电光源气体放电光源（汞灯、氙灯）⎨⎪⎪自发辐射光⎪⎩⎩固体发光光源（发光二极管LED）实际使用的光源多种多样，了解光源，从事光电技术工作意义重大。§6-1气体激光器•气体激光器简介•He-Ne激光器•二氧化碳激光器•氩离子、准分子激光器一、气体激光器简介⎧⎧He,Ne,Ar,Kr,

2、Xe惰性气体（红外）⎪原子气体激光器⎨⎪⎩镉铜锰锡金属原子蒸汽（可见）⎪⎧coN,（双原子紫外、可见）⎪2⎪⎪气体激光器分子气体激光器⎨⎨co2,水蒸气（红外）⎪⎪∗⎪⎩准分子激光器XeCl⎪+⎧⎪惰性气体离子（Ar激光器）⎪离子气体激光器⎨⎪⎩⎪⎩金属蒸汽离子离子激光器是利用电离后的气体离子产生激光1961年，发明HeNe−激光器，其发展十分迅速。气体激光器的特点：（1）工作波长极其丰富，从真空紫外到毫米波范围，输出谱线上万条。（2）激光器的性能有很大提高。CO激光器的功率2可以达到100kW；CO激光器的效率可达40%，器件寿命达到上万小时。二、HeNe−激光器1、HeNe−激光

3、器的结构⎧⎧⎧套管⎪⎪⎪⎪⎪放电管毛细管（工作区）⎨⎪⎪⎪⎪⎩贴镜管⎪⎪⎪⎧阳极（钨棒）⎪⎪⎪⎪激光管电极阴极（用电子发射率高和溅⎨⎨结构⎨⎪⎪⎪⎪⎩射率小的铝及其合金制成）⎪⎪⎧全反镜（>99%）⎪⎪光学谐振腔⎨⎪⎪⎩部分反射镜（98%）⎪⎪⎪⎩⎪⎩激光电源工作介质为一定比例的氦、氖混合气体根据放电管和谐振腔的放置方式（是否连接）不同，激光器可以分为外腔式、内腔式和半内腔式三种。HeNe−激光器的发光机理在He-Ne激光器中，He原子只起到传递能量的作用，实际发光的是Ne原子，Ne原子属于惰性气体。Ne原子有10个核外电子226基态电子组态：1ss22p225激发态：1ss223p

4、s2251ss22p3p2251ss22p4s2251ss22p4p2251ss22p5sHeNe−激光器的主要谱线⎧3S→=2Pλµ0.6328m(应用广泛，在可见光1⎪-3−1⎪波段，10cm)⎨⎪2SP→=2λµ1.152m（最强）2⎪−1⎩3SP→=3λµ3.39m（谱线较强，增益0.1cm）3HeNe−激光器的输出谱线：⎧3sp→=2λµ0.6328m241⎪⎨22sp→=λµ1.52m242⎪⎩3sp→=3λµ3.39m243λλ和有共同的激光上能级，且3.39µm13激光的增益要大于0.6328µm的增益，为了抑制谱线的产生，可以通过镀膜来实现，λ3使得反射镜对0.63

5、28µm有较高的反射率。三、CO激光器2CO激光器属于分子气体激光器，广泛应用于2金属切割。优点：（1）有比较大的功率和较高的能量转换效率（一般的CO激光器可以做到几十瓦的2连续输出，最高的气动CO激光器可以达到几2十万瓦的连续输出，它的能量转换效率可达30∼40%。）（2）输出谱线很丰富，在10m附近有几十条。µ（3）输出波段正好是大气窗口（大气的吸收率比较低）1.工作特性（1）量子效率激光辐射能量Ε−Εhυ21η===激励能量ΕΕ22原子气体激光器的效率较低，分子气体激光器的效率较高。co分子激光器10.6µm谱线：20.291ev-0.172evη==41%0.291ev(2)

6、辅助气体对输出功率的影响N——起传递能量的作用2He——提高输出功率，适量加入，提高510∼倍Xe——提高输出功率30%与转换效率10%H——延长激光器寿命的作用2CO:N:HeXeH::=−−1:(1.52):(68):0.5:0.1222四、其他几种气体激光器1.氩离子激光器输出波长488nm514nm和-4−5能量转换效率很低，10∼10范围电离2262622625+基态：12233SSPSP→12233SSPSPA（r）+44444Ar的激发态：3Pd3,3P4,3sP4,3PP43dP,5s45其中：434sPs()→3P（基态）辐射真空紫外光44434PPP()→34Ps

7、可见光氩离子激光器的结构：2、准分子激光器以惰性气体Xe为例，一般情况下，Xe不能行成分子，只能以原子形式存在。在外界的激励下，处于激发态的Xe原子，可以与另一个Xe原子暂时结合在一起，寿命只有几十纳秒，称为准分子。-8这种准分子的激发寿命在10ns量级，基态寿命-13更短10s，或者说，准分子基态上基本没有粒子，这样在激发态和基态之间很容易形成粒子数反转。所以这种激光器具有较高的量子效率，净效率可达1015%∼激发过程∗'⎧Xee+→Xe+e表示激发态∗