半导体泵浦激光原理研究

摘要 目 录 TOC \o "1-4" \u 摘 要： 1 0 前言 1 1 激光科学发展及原理 2 1.1 激光发展史 2 1.2 发光原理 4 2 激光器的结构 9 2.1 激光工作介质 9 2.2激励源 9 2.3谐振腔 9 3 激光器的种类 10 3.1固体激光器 10 3.2 气体激光器 12 3.3 半导体激光器 17 3.4 液体激光器 18 4 LD泵浦Nd:YVO4固体激光器简介 18 4.1光谱匹配性好 19 4.1体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长 19 5 半导体泵浦激光实验 19 5.1实验装置图 19 5.2 实验 20 6 结论 27 参考文献 27 半导体泵浦激光原理 摘 要： 半导体激光光源是半导体激光器发射的激光。它是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD。可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz)的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。 本论文主要论述激光特别是半导体激光器工作原理，并通过半导体泵浦激光原理实验，调节激光器光路，观察倍频现象，测量阈值、相位匹配等基本参数等，加深对激光技术理解。 关键词：半导体激光，LD，泵浦源， The principle of diode-pumped lasers Ni Sikai (School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China) Abstract: The semiconductor laser light source is launched by the semiconductor laser. It’s working substance is the semiconductor materials, which is also called diode laser, and abbreviation of the ld. For simple way to the injection pumps westport, and its working voltage and current and integrated circuits, and therefore be compatible with the single integrated ； And can be used as high as GHz(109 hz) frequency modulation with a current high-speed make lasers output Ld in a laser light, , storage, and light the gyro and laser discs , printing, range and guidance, the light fuse and radar, has been widely used large, the ld for medical treatment, processing and as a solid laser pump , etc. This paper is mainly about the laser especially the principle of semiconductor laser, and by the expriment of the principle of the pump laser,to observe the times of frequency and to measure the threshold, phase match for basic parameters, to deepen the understanding on the laser technology. Key words: Semiconductor lasers，LD, pumping source 0 前言 半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。特别是进入20世纪80年代，借用微电子学制作技术(称为外延技术)，现已大量生产半导体激光器。以半导体LD条和LD堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多，应有尽有。 按照半导体器件功能的基本结构可分为：注入复合发光，即电—光转换；光引起电动势效应，即光—电变换。这里主要讨论前者。 导体激光光源是半导体激光器发射的激光。它是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD。与其相对应的非相干发光二极管，英文缩写为LED。它具有工作电压低、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz)的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。 半导体激光器是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，目前在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。  在本实验中我们将对半导体泵浦激光器的主要发光器件——激光二极管（LD）进行全面的实验研究。 1​ 激光科学发展及原理 1.1 激光发展史 激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。 此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。 如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大；如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。这就是激光器的工作原理。1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的。 然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”，对于激光器到底能否研制成功，在当时还是很渺茫的。 但科学家的努力终究有了结果。1954年，前面提到的美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。 汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波，功率很小。生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。1958年，汤斯与姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性。 此后，世界上许多实验室都被卷入了一场激烈的研制竞赛，看谁能成功制造并运转世界上第一台激光器。 1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。 “梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑，因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。 尽管梅曼是第一个将激光引入实用领域的科学家，但在法庭上，关于到底是谁发明了这项技术的争论，曾一度引起很大争议。竞争者之一就是“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)一词的发明者戈登·古尔德。他在1957年攻读哥伦比亚大学博士学位时提出了这个词。与此同时，微波激射器的发明者汤斯与肖洛也发展了有关激光的概念。经法庭最终判决，汤斯因研究的面工作早于古尔德9个月而成为胜者。不过梅曼的激光器的发明权却未受到动摇。 1960年12月，出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年，科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。 1.2 发光原理 1.1.1普通光源的发光—受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则 可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。 1.1.2激光产生原理 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。 如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E1-E2时才能被吸收。 激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。 处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3，E3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2上的粒子不断积累，E1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1能级间的粒子数反转。激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 1.1.3半导体激光器的工作原理 半导体激光器与其它激光器没有原则区别，只是因工作物质不同，而有其自身的特点。图4示给出了GaAs激光器的外形及其管芯结构，在激光器的外壳上有一个输出激光的小窗口，激光器的电极供外接电源用，外壳内是激光器管芯，管芯形状有长方形、台面形、电极条形等多种。它的核心部分是PN结。半导体激光器PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，这两个表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成激光谐振腔。激光可以从某一侧解理面输出，也可由两侧输出。 图4 半导体激光器的构造 半导体材料是一种单晶体，各原子最外层的轨道互相重叠，导致半导体能级不再是分立能级，而变成能带，如图5所示。 图5 半导体原子能带示意图 在低温下，晶体中的电子都被原子紧紧束缚着，不能参与导电，价带以上的能带基本上空的。当价带中的电子受到热或光的激发，获得足够的能量，即可跃迁到上面的导带。导带与价带中的禁带宽度Eg又取决于导带底的能量EC和价带顶的能量EV，且有 半导体材料很多，但目前常用的有两大类：一类是以砷化镓(GaAs)和镓铝砷(Gal-xAlxAs)，其中下标x表示GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分比数。x值决定了波长，通常为850nm左右。这种器件主要用于短距离光通信和固体激光器的泵浦源。另一类材料是以镓铟磷砷(Gal-xInxAsl-yPy，)和磷化铟(InP)，其激活波长为920nm～1.65m。特别是1.3m和1.55m广泛用于光纤通信中。 产生激光的机理与其它激光工作物质相似，半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和自发辐射过程。在电流或光的激励下，半导体价带上的电子获得能量，跃迁到导带上，在价带中形成了一个空穴，这相当于受激吸收过程。导带中的电子跃迁到价带上，与价带中的空穴复合，同时把大约等于的能量以光子形式辐射出来，这相应于自发辐射或受激辐射。显然，当半导体材料中实现粒子数反转，使得受激辐射为主，就可以实现光放大。如果构成谐振腔，使光增益大于光损耗，就可以产生激光。 问题是，怎样才能在半导体中实现粒子数反转? 1.1.4 粒子数反转 半导体激光器的核心是PN结，见图(a)，它与一般的半导体PN结的主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即P型半导体中的空穴极多，N型半导体中的电子极多，因此，半导体激光器PN结中的自建场很强，结两边产生的电位差VD(势垒)很大。 当无外加电场时，PN结的能级结构如图(b)所示，P区的能级比N区高eVD，并且导带底能级(EC)N比价带顶级(EV)P还要低。由于能级越低，电子占据的可能性越大。所以N区导带中(EC)N与费米能级EF间的电子数，比P区价带中(EV)P与费米能级EF间的电子数多。 当外加正向电压时，PN结势垒降低。在电压较高、电流足够大时，P区空穴和N区电子大量扩散并向结区注入，并如图(c)所示，在PN结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成电子数反转分布区域，称为激活区(也称为介质区、有源区)。因为电子的扩散长度比空穴大，所以激活区偏向P区一边。在激活区内，由于电子数反转，起始于自发辐射的受激辐射大于受激吸收，产生了光放大。进一步，由于两解理面可以构成谐振腔，所以光不断增强。形成了激光。 上述分析可知，只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能产生激光；否则，只能产生荧光。在半导体激光器的输出功率P与注入电流I的关系曲线中，曲线的转折点对应于阈值电流。该阈值是自发辐射和激光产生的分界点，也是从发光二极管状态到激光二极管工作的过渡点。一旦激光开始，曲线斜率就变陡。一般来说，发光二极管产生的光功率峰值最多是数百毫瓦量级，而激光二极管产生的光功率峰值国内可达数百瓦，国外可达千瓦以上。 1.1.5 光的倍频 利用一些非线性材料，可以将某个频率的激光改变成另一种频率。比如，我们实验中用(磷酸氧钛钾)KTP晶体将1064nm激光变换成532nm的激光，则称为倍频。我们的实验中，(磷酸氧钛钾)KTP晶体被置于激光谐振腔内，叫内腔倍频。 光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。 考虑电场的平方项 出现直流项和二倍频项cos2ωt，直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： 式中L为晶体长度，Iω、I2ω分别为入射的基频光、输出的倍频光的光强，△k=kω-2k2ω分别为基频光和倍频光的额传播矢量。 2 激光器的结构 激光器一般包括三个部分。 2.1 激光工作介质 激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。 2.2激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 2.3谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E3，被抽运到E3上的电子很快（～10－8s）通过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级，E2到E1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E2上积聚起来，实现E2和E1两能级上的粒子数反转。从E2到E1受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms，每个光脉冲能量在10J以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级E1是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相当强的激励才行。 3 激光器的种类 对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。 3.1固体激光器 一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W。固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图6是脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。 掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)激光器 Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd​3+的密度为1.38×1020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。 掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋ )，其吸收光谱如图7所示 YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图8所示。它属于四能级系统。 3.2 气体激光器 气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。 3.2.1、氦－氖激光器。 He－Ne激光器的结构 He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。 放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用 热胀系数小的石英玻璃制作。He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。 He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。 He－Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。 内腔式如图中10所示，将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端，其优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片．，使用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式。 图10 内腔式 外腔式如图中11所示，优点：这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便. 但体积大，安装使用不方便，易破碎。 图11 外腔式 在He—Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图12可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%。 第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。 第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。 （1） 图12 原子能级跃迁图 式中，He(11S0)表示He的11S0能级；He*和Ne*表示激发态的He和Ne； e表示碰撞前的电子，et表示碰撞后能量（或速度）变小的电子 3.2.2、二氧化碳激光器 CO2激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长(10.6um) ，广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。 CO2激光器以CO2、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率,则有助于激光下能级的抽空。 CO2激光器的结构 图13是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图14所示。 CO2激光器中,通过以下三个过程将CO2分子激发到0001能级 (1).直接电子碰撞 电子与基态(0000)CO2分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过程可表示为 CO2(0000)+e →CO2(0001)+e (2).级联跃迁 电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级,基态CO2分子与高能级CO2分子碰撞后跃迁到激光上能级,此过程可表示为 CO2(0000)+CO2(000n)→CO2(0001)+CO2(000n-1) (3).共振转移 由于N2分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿命较长的亚 稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程可表示为 CO2(0000)+N2(v=1)→CO2(0001)+N2(v=0) 由于CO2分子0001能级与N2分子v=1能级十分接近,能量转移十分迅速。此外,N2分子的v=2~4能级与CO2分子0002~0004也十分接近,相互间也能发生共振转移,处于0002~0004的CO2分子与基态CO2分子碰撞可将它激励至0001能级。 一旦实现了(0001)与 (1000)、 (0200) 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生: 0001→1000跃迁产生10.6um波长的激光光0001→0200跃迁产生9.6um波长的激光。 由于以上跃迁具有同一上能级,而且0001→1000跃迁的几率大得多,所以CO2激光器通常只输出10.6μm激光。若要得到9.6um的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10.6um激光振荡。 3.3 半导体激光器 半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。 GaAs激光器 图15是台面形管芯激光器的外形结构，管芯的形状有长方形，台面形,电极条形等多种，图(5-28a) 的管芯形状是长方形， P－N 结的厚度仅几十微米，一般是在N型GaAs衬底上生长一薄层P型 GaAs 而形成P－N 结。激光器的谐振腔一般是直接利用垂直于P－N 结的两个端面，由于GaAs的折射率n＝3.6，所以对于垂直于端面的光的反射率为32%。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中一个反射面镀金反膜。 3.4 液体激光器 常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器是一种以染料为工作物质，用激光器为泵浦源的激光器。这种激光器输出激光的波长连续可调。因而人们可以得到所需要波长的激光。它具有高的输出功率和波长连续可调的特点，故此种激光器应用范围较广，目前使用不同的染料和泵浦源产生的激光波长已可覆盖（3200～12850）×10-10米的区间。连续染料激光的线宽已可压缩到1千赫以下。而脉冲染料激光的脉冲时间已可压缩到8×10-15秒。用于染料激光器的染料是有机大分子，分子量一般在几百。染料激光器按泵浦的方式可分为脉冲和连续运转两类。对于脉冲染料激光的形成过程为：未被泵浦的染料分子处于S0（v=0）能级。在泵浦光作用下，跃迁到S1（v=1，2，…）而后又很快通过振转能级间弛豫而到达S1（v=0）能级。因而被激发的分子都聚集在S1（v=0）能级上。同时S0（v＞0）上的分子由于同样的过程而聚集在S0（v=0）能级上，而S0（v＞0）的各能级则是空的。这样，就在S1（v=0）和S0（v＞0）各能级间形成粒子数反转，提供了高增益。这就使S1（v＝0）和S0（v＞0）间的光跃迁可能形成激光振荡。由于下能级是S0（v＞0）的一系列能级，一般能复盖几百厘米-1；所以在激光腔中加入色散元件就可选择激光波长，实现激光波长连续可调。由于S1有相当的宽度，所以激发谱很宽。当用激光来激发时，一种固定波长的激光也可用以激发多种染料。但是，染料激光器输出的激光波长一定比做为光泵的激光器的波长更长。 4 LD泵浦Nd:YVO4固体激光器简介 LD泵浦的固体激光器，其泵浦源为半导体激光二极管，用它给激光增益介质提供能源，可以得到光束质量更好的激光。这类的激光器具有以下特点 4.1光谱匹配性好 如果采用闪光灯泵浦固体激光器，由于闪光灯的发射光谱和工作物质吸收光谱之匹配不好，将导致器件的泵浦效率很低，比如，氪灯或氙灯的发射光谱都是范围很宽的连续谱，而Nd3+的吸收光谱是一些有着很强峰值的分立光谱，这将使其发射光谱的很小一部分光能能够被工作物质吸收，其余部分将转变为器件的热能。而采用激光二极管作为泵浦源可以较好的解决上述问题，因为它的输出谱线很窄，通常为几个纳米。 4.1体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长 激光二极管体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电影体积的十分之一，采用激光二极管泵浦，由于热效应与闪光灯泵浦的器件相比很小，因此，可以减小冷却系统，使器件结构简单，装调维修方便，为固体器件的小型化创造了有利的条件；同时，激光二激光二极管的使用寿命长，其典型寿命为105小时，这使得固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高了。 LD泵浦(掺钕钒酸钇)Nd:YVO4固体激光器中的LD的波长为808nm，它泵浦Nd:YVO4激光晶体，得到532nm的激光输出。 5 半导体泵浦激光实验 5.1实验装置图 图16、实验装置图 5.2 实验内容 5.3.1 泵浦光源的调整 首先将仪器中的其他调整架去下，只留下泵浦光源及其调整架固定在仪器道轨上，采用外置He-Ne激光器进行自准直调整。 然后调节激光器使激光器光斑中心对准泵浦光源中心。将泵浦光源调整架沿着导轨前后移动，并观察激光器光斑是否始终在泵浦光源中心，如果不在中心则调节激光器或激光器固定立板，直至激光器光斑始终在泵浦光源中心位置。 图16 泵浦源在导轨近端时使校准激光打在泵浦源光孔正中心 图17 泵浦源在导轨远端时使校准激光打在泵浦源光孔正中心 5.3.2 汇聚物镜的调整 首先把泵浦光源固定在导轨的中后部，将会聚物镜调整架放到导轨上，调整泵浦光源与会聚物镜距离为50—60mm，打开泵浦光源开关观察其光斑是否打到物镜的外面。将小孔光阑放置到激光与工作台之间，打开准直激光器，调整小孔光阑使激光束能够均匀并最大通过，此时入射激光将与反射激光发生相干现象，在小孔光阑上出现类似牛顿环的干涉圆环，调整汇聚物镜上的旋钮使干涉圆环中心与小孔光阑中心重合。 图18调整泵浦光源与会聚物镜距离为50—60mm 图19 调整汇聚物镜上的旋钮使干涉圆环中心与小孔光阑中心重合 5.3.3 激光晶体的调节 将激光晶体调整架放到导轨上，关掉准直激光器并打开泵浦光源，此时将在工作晶体上出现矩形光斑，调节泵浦光源上的旋钮使矩形光斑中心与工作晶体的中心重合。泵浦光经过会聚物镜成像与工作晶体之上，前后调整工作晶体的位置直到观察到激光晶体上有最亮的白点为止，此时泵浦光源成像在激光晶体的位置最佳，并固定激光晶体调整架，然后关掉泵浦光源并打开准直激光器，微调工作晶体使激光的反射点与光阑中心重合（激光晶体的准直调节）。 图20 工作晶体上出现矩形光斑 图21调节泵浦光源上的旋钮使矩形光斑中心与工作晶体的中心重合 图22前后调整工作晶体的位置直到观察到激光晶体上有最亮的白点为止 图23 激光晶体反射打在光阑上的光斑 图24 微调工作晶体使激光的反射点与光阑中心重合（激光晶体的准直调节） 5.3.4倍频晶体的调节 将倍频晶体调整架放到导轨上，将倍频晶体移动到尽可能靠近激光晶体位置并固定，同时用进行准直调节，使激光的反射点与光阑中心重合。 图25将倍频晶体调整架放到导轨上，将倍频晶体移动到尽可能靠近激光晶体位置并固定 图26倍频晶体反射打在光阑上的光斑 图27 微调倍频晶体使激光的反射点与光阑中心重合（倍频晶体的准直调节） 5.3.5输出镜的调节 将输出镜调整架放到道轨上并尽量靠近倍频晶体，然后用He-Ne激光器进行准直调节；调整好后，关掉He-Ne激光器，并打开泵浦开关，观察输出镜输出光，此时应出现绿色激光。注意：若没有激光输出，微调前面的器件，观察是否出光，微调时应清楚调节的量，以便复原不影响其它器件的微调。 . 图28 将输出镜调整架放到导轨上，将输出镜移动到尽可能靠近激光晶体位置并固定 图29 微调输出镜使激光的反射点与光阑中心重合（输出镜的准直调节） 5.3.6光强的调节 仪器组装完毕并看到绿色激光发出后，仔细调节各个部件使绿色激光光强最大。 图30 输出的绿色激光穿过盛满水的烧杯的情景 6 结论 本文通过对激光的发展和原理进行了简单的介绍，后面主要是对半导体激光器的阐述，并用实验验证了半导体激光器的发光原理。试验中用准直激光器校准实验装置比较麻烦，需要很强的耐心和细心。当时做半导体泵浦激光原理实验时，我们反复做了五六次花费了三天的时间才得到绿色激光。实验中对泵浦光源的调整一定要足够的精确，把泵浦光源放在导轨上，前后来回移动，确保准直激光器的光斑一直打在泵浦光源输出孔的中心，这一步做不到的话，想要实验成功是很难的。另外，各个器件的准直调节也非常重要，调节时差之毫，厘谬以千里，故务必做到十分的精确。通过这个实验锻炼了我的耐心和细心，对以后的科研工作有很大帮助。 参考文献 [1]​ 江剑平.半导体激光器.北京：电子工业出版社，2001 [2]​ 黄德修.体激光器及应用.北京：国防工业出版社，1999 [3]​ 张伟风. 近代物理实验教程. 开封：河南大学出版社，2009, 54-60 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