光電子技術(shù)第1章光源(編輯修改稿)
2025-01-18 13:38 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 光學(xué)和量子力學(xué)的實驗研究準備了條件 。 已有數(shù)百種激光器，輸出波長從近紫外直到遠紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級。 工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣 ， 通過氣體放電實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。 工作物質(zhì) （ 氣體 ） 均勻性好 ， 輸出光束的質(zhì)量相當高 。 工作物質(zhì)是摻雜的晶體或光學(xué)玻璃 ， 光泵浦 。 有脈沖輸出激光器和連續(xù)輸出激光器 。 主要優(yōu)點：能量大 、 峰值功率高 、 結(jié)構(gòu)緊湊 、堅固可靠和使用方便 。 工作物質(zhì)是有機染料溶液 ， 光泵浦 。 輸出激光波長可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧 ， 有極好的光束質(zhì)量 。 有連續(xù)輸出的激光器 ， 也有脈沖輸出的激光器 。 可產(chǎn)生超短光脈沖 ， 峰值功率達幾百 MW。 （ LD） 工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料形成的 PN結(jié) 。 與結(jié)平面垂直的晶體解理面構(gòu)成 FP諧振腔。 對 PN結(jié)正向注入電流或 光泵浦 ，可激發(fā)激光。 體積小 ， 重量輕 ， 易調(diào)制 ， 功耗低； 波長覆蓋面廣 （ ～ 44μ m） ； 能量轉(zhuǎn)換效率高 ， 有大功率 、 高集成度器件 。 主要優(yōu)點 工作物質(zhì)主要是稀土摻雜的光纖，用光泵浦，諧振腔有多種形式。 是近年來發(fā)展起來的新型激光器，具有一系列獨特的優(yōu)點。在光通信系統(tǒng)、光能源系統(tǒng)中都有重要作用。 固體激光器 介紹幾種代表性的 固體激光器 ?YAG激光器 基質(zhì)晶體 Y3Al5O12熱物理性能優(yōu)良， 使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。 3 :N d Y AG?輸出波長 1064nm，加倍頻技術(shù)可輸出 532nm。 已經(jīng)實現(xiàn)了 KW級大功率輸出，廣泛用于激光加工、激光醫(yī)療、科學(xué)研究之中。 3 :E r Y A G?輸出波長 ,用于激光醫(yī)療。 YA GHo :3 ?輸出波長 , 用于激光醫(yī)療 ,空間光通信。 ?可調(diào)諧的固體激光器 323 : OAlTi ? 輸出激光有寬的調(diào)諧范圍（ 7001000nm，峰值波長 800nm），應(yīng)用廣泛，并實現(xiàn)飛秒脈沖。 423 : OB eAlCr ?可調(diào)諧范圍 700800nm。采用調(diào) Q技術(shù)，輸出755nm脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重要。 ?激光二極管（ LD）泵浦的固體激光器 LD泵浦 :實現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換 ,有端面泵浦和側(cè)面泵浦。 獲得百瓦級高功率激光輸出。 下圖是縱向、雙端面泵浦 一個橫向、側(cè)面泵浦的激光器 市場上高功率的 LD泵浦固體激光器都是 用側(cè)面泵浦方式，輸出功率可達 6000W以上。 ?非線性頻率轉(zhuǎn)換得到短波長固體激光器 固體激光器的波長多在紅外波段。用非線性材料進行波長轉(zhuǎn)換 ,可得到短波長固體激光器。 LD泵浦固體激光器與準相位匹配頻率轉(zhuǎn)換結(jié)合，以期制造出結(jié)構(gòu)簡單小巧、價格便宜的可調(diào)諧激光器。 研究趨勢 用 LD泵浦 晶體得到 1064nm激光， 再用 KTP晶體進行腔內(nèi)倍頻，得到 532nm綠激光。 3 4 :N d Y V O?還用非線性頻率轉(zhuǎn)換得到藍光、紫外固體激光器。 半導(dǎo)體激光器 一、半導(dǎo)體材料的能帶 ?晶體中電子的共有化運動 ?晶體中的能帶 關(guān)于價帶 導(dǎo)帶 禁帶 導(dǎo)電載流子： 電子、空穴 ?I型 、 N型 、 P型半導(dǎo)體 關(guān)于施主能級 受主能級 費米統(tǒng)計分布 ( ) /1()1 fE E k TfEe ???式中， Ef為費米能級，是電子占據(jù)率大于或小于。 二、 PN結(jié)的能帶 ?PN結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場的形成 ?PN結(jié)的能帶彎曲 重摻雜 P型、 N型半導(dǎo)體的能帶 熱平衡時 PN結(jié)的能帶彎曲 加上正向電壓后， PN結(jié)勢壘降低 PN結(jié)達到動態(tài)平衡時，一個平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級。自建電場的方向由 N區(qū)指向 P區(qū)， P區(qū)、 N區(qū)的電子能級差為： pfnfDD EEqUUq ?????? )()(PN結(jié)加上正向電壓時，熱平衡被破壞， PN結(jié)區(qū)勢壘降低，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 電子、空穴復(fù)合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。經(jīng)諧振腔選頻，可形成激光輸出。 PN結(jié)就是光輻射的有源區(qū)。 三、實用中代表性的 LD的結(jié)構(gòu) 閾值電流 Ith 注入電流 I＞ Ith ,才能形成激光。 器件結(jié)構(gòu)要著力于降低 Ith 。 同質(zhì)結(jié) 單異質(zhì)結(jié)（ SH） 雙異質(zhì)結(jié)（ DH） 、 ?條形異質(zhì)結(jié) LD: 增益導(dǎo)引條形DHLD 掩埋條形 DHLD ?量子阱（ QW） LD 單量子阱（ SQW） 多量子阱（ MQW） 超晶格結(jié)構(gòu) MQW結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性 ： ?閾值電流很低 ?改善頻率啁啾 ?調(diào)制速率高 ?溫度特性好 MQW的能帶 ?分布反饋激光器 諧振腔是波紋光柵結(jié)構(gòu) nmB /???? ?? mn ??? )sin1( ?mn ??2分布反饋 基于 布拉格衍射 原理 DFB 激光器 DBR 激光器 ?每一個柵距 相當于一個微 FP腔 ,易形成單 縱模振蕩。波紋光柵相當于許多微 FP腔多級 調(diào)諧，使波長選擇性大大提高，譜線寬度窄。 ?在高速調(diào)制時仍然保持單縱模特性。 ?溫度特性好。 波紋光柵分布反饋的優(yōu)點 MQWDFB LD性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)中。 ?四、 LD的工作特性 I＞ Ith 形成激光輸出 , 光功率急劇上升， PI曲線的線性好。 斜率效率。 I＜ Ith 自發(fā)輻射階段， 光功率較小 。 LD是對溫度很敏感的器件，溫度升高，性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸出光功率和峰值波長。 1. PI特性 2. 光譜特性 I＜ Ith I＞ Ith 單縱模 LD是矩形光波導(dǎo) :厚度為 d，條形寬度為 W 。 出光發(fā)散角： )arcsin (2 d?? ?? )arcsin (2//w?? ? 約 30176。 ～ 40176。 約 6176。 ～ 8176。 具有直接調(diào)制的能力 )()( tfIItI bmb ??調(diào)制電流 模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制 LD芯片的調(diào)制頻率達 10GHZ 量級。 五、 LD的應(yīng)用及新的發(fā)展 LD體積小，重量輕，易
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