光电子学中的激光器原理
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
认识光纤激光器
Wp
Q
max min
ni nt n f max min
(a)
t (b)
t (c)
t (d ) t p t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 调Q光纤激光器
R=100% A O M
Pump Systerm
Output Yb-DC fiber Coupler
透镜组端面泵浦耦合
优点：构造简朴、易于实现 缺陷：耦合占用了端面，无法 同其他光纤级联，降低了灵活 性；透镜组与光纤是分立旳， 稳定性低不易集成
优点：构造简朴紧凑、实现了 激光器旳全光纤化 缺陷：尾纤与光纤尺寸不同， 熔接对准困难，附加损耗大
端面直接熔接耦合
两种措施都只有两个端面用于 泵浦，限制了最大功率。
其他腔型构造
光纤圈反射器（光纤环形镜）包 括一种定向耦合器和由该耦合器 两输出端口连接在一起形成旳一 种光纤圈。 工作原理：耦合器耦合系数为0.5， 光波从端口1进入耦合器，耦合器 将二分之一旳功率耦合到端口3， 另二分之一耦合到端口4，即在光 纤圈顺时针方向和逆时针方向传 播旳输入光各二分之一。跨过耦 合器旳光波比直通旳光波相位滞 后π/2。在端口2处旳透射功率是任 意相位φ旳顺时针场和相位为φ-π 旳逆时针场旳叠加，恰好相互抵 消，透射输出为零，全部输入光 沿端口1返回。
光
纤
芯 光
泵
纤
浦 光
保 护
芯
保
激
激 光 内输包层 出
护 层
泵 浦
外
光包
层
光 输 出
层
单包层与双包层掺杂光纤旳构造
光纤芯：由掺稀土元素旳SiO2构成，它作为激光振荡旳通道，对 有关波长为单模；
半导体激光器实现粒子数反转的条件
半导体激光器实现粒子数反转的条件一、概述半导体激光器作为现代光电子学中的重要组件，已经在通信、医疗、工业等领域得到了广泛的应用。
而半导体激光器中的粒子数反转现象是其实现激光放大和发射的关键过程。
本文将探讨半导体激光器实现粒子数反转的条件。
二、半导体激光器原理概述1. 电子激元：半导体激光器中，由于外界能量激发，使得电子和空穴在晶格中发生复合，释放出光子，形成电子激元。
2. 非平衡态构成：在半导体激光器工作时，需要维持一定程度的非平衡态，即电子和空穴浓度的差异，才能实现粒子数反转。
三、实现粒子数反转的条件1. 贵重能带填充：在半导体激光器中，需要通过外加电压或注入电子和空穴来使得导带和价带的粒子数发生反转，并形成电子激元。
2. 寿命延长：在激发电子和空穴形成电子激元后，需要尽量延长电子激元的寿命，以便产生相对稳定的非平衡态。
3. 半导体材料：选择合适的半导体材料，例如GaAs、InP等，具有较高的激子寿命和较小的能带宽度，有利于粒子数反转的实现。
4. 极低温度：降低半导体激光器的工作温度可以减少热激发效应，提高粒子数反转的效率。
5. 光泵浦: 采用光泵浦的方式激发半导体材料，可以提供更高的能量，促进粒子数反转的发生。
四、粒子数反转的应用1. 激光放大：通过粒子数反转，可以实现激光的放大效应，进而在通信、医疗等领域发挥重要作用。
2. 激光发射：粒子数反转是激光发射的基础，在激光器工作时，通过粒子数反转产生的光子得以放大和发射。
五、结论半导体激光器实现粒子数反转的条件是多方面的，包括能带填充、寿命延长、半导体材料选择、低温环境和光泵浦等。
粒子数反转是半导体激光器发挥作用的基本前提，其应用对现代光电子学领域具有重要意义。
希望本文对半导体激光器的粒子数反转过程有所启发，推动该领域的进一步研究和发展。
六、粒子数反转的影响因素除了前文提及的条件外，还有一些其他因素对半导体激光器实现粒子数反转也产生着重要的影响。
光纤激光器的特点与应用
光纤激光器的特点与应用光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。
近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。
光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。
它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。
1.光纤激光器工作原理光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。
光纤激光器的基本结构如图1所示。
掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。
当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。
反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。
从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。
激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。
光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。
例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。
激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。
光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。
三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
激光器原理
激光器原理各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢典型激光器的原理与应用激光之源--典型激光器的原理、特点及应用一前言自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。
激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。
图1 第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。
其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。
激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
二典型激光器1，气体激光器气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。
它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式最常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
下面是典型激光器的示意图：图2 气体激光器示意图根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。
采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。
原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。
He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。
光电子技术激光原理 PPT
光的自发辐射、受激辐射、受激吸收
爱因斯坦在光量子理论的基础上,考虑了光和物质相互作用的模型(原 子的两个能级),引入了两个重要概念,同样得出了普朗克公式
•光的自发辐射
在没有外界作用的情况下,原子从 高能级E2向低能级E1的跃迁方式 有两种:无辐射跃迁和自发辐射跃
迁。
辐射出的光子能量:
h 21 E 2 E1
：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光的产生
▪当光与物质相互作用时,自发辐射、受激辐射和 受激吸收这三个过程是同时出现的,如何实现大 量原子的受激辐射产生激光?
激光产生必须具备的前提条件
集居数反转分布(粒子数反转分布)
激光产生的三个前提条件
1. 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物 质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于 产生受激辐射的能级结构;
2. 有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居 数反转;
3. 有激光谐振腔,使受激辐射的光能够在谐振腔 内维持振荡。
光学谐振腔的构成
光学谐振腔的构成
最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射 镜构成。
常用的基本概念: 光轴:光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线 孔径:光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件,大多数情况下,孔径是激活物质的两个端面, 但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。
感谢您的聆听！
光的自激振荡和激光谐振腔
▪ 光的自激振荡:光在增益介质内传播放大,总存在各种各样的 光损耗,当增益和损耗达到平衡时光强不再增加并达到一个 稳定的极限值。
▪ 只要激光放大器的长度足够大,就估计成为一个自激振荡器, 实现稳定运转的激光振荡。
激光原理与技术
激光的光化学效应与光生物效应
光化学效应
激光能够激发化学反应，改变物质的化学性 质。光化学效应在光催化、光合成等领域具 有重要应用，如利用激光诱导化学反应合成 新材料。
光生物效应
激光对生物组织的作用，包括光热作用、光 化学作用和光机械作用等。光生物效应可用 于激光治疗、光遗传学等领域，如利用激光 进行视网膜修复、神经刺激等。
激光的特性
激光具有一系列独特的特性，如方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等。这些特性使得激光在科学研 究、工业生产、医疗诊断等领域具有广泛的应用价值。
02
激光器类型与技术
固体激光器
01
02
03
晶体激光器
使用掺杂有激活离子的晶 体作为工作物质，如 Nd:YAG激光器。
玻璃激光器
以玻璃为基质，掺入激活 离子制成的激光器，如钕 玻璃激光器。
变换特性
利用光学系统，如透镜组、反射镜、波片等，可以对激光束进 行变换，如扩束、缩束、旋转、偏振状态改变等。
激光束的聚焦与整形
聚焦特性
通过透镜或反射镜等聚焦元件，可以将激光束聚焦到极小的焦点上，实现高能量密 度的集中。聚焦后的激光束可用于切割、焊接、打孔等高精度加工。
整形特性
利用特定的光学元件或算法，可以对激光束进行整形，如生成特定形状的光斑、实 现均匀照明等。整形后的激光束可应用于光刻、显示等领域。
激光治疗
利用激光的生物刺激效应，对病 变组织进行照射，以达到治疗目
的。
激光手术
使用激光代替传统手术刀进行手 术，具有精度高、出血少、恢复
快等优点。
激光美容
通过激光照射肌肤，改善皮肤质 地、去除色斑、减少皱纹等。
激光通信技术
光纤通信
激光产生的基本原理
激光产生的基本原理
激光，全称为“光电激射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生基于激光的三个基本原理：受激发射、光学放大和光学共振。
让我们来了解一下受激发射。
在一个原子或分子中，电子围绕原子核运动，处于不同的能级。
当一个电子处于高能级时，如果它受到足够的能量激发，就会跃迁到更高的能级。
而当这个电子从高能级回到低能级时，会释放出能量，这种能量以光子的形式发射出来，这就是受激发射的过程。
接下来是光学放大。
在一定条件下，通过受激发射产生的光子可以被其他原子或分子吸收，使它们的电子跃迁到高能级。
这样就形成了一个光子的“雪崩效应”，光子的数量和能量逐渐增加，产生了光的放大效应。
最后是光学共振。
在激光器中，通常有两个镜子，一个是半透射镜，另一个是全反射镜。
当光子在两个镜子之间来回反射时，只有在特定的波长下，光子才会受到增强，其他波长的光子则会被滤除。
这种在谐振腔内的光子反复受到增强的过程就是光学共振。
通过受激发射、光学放大和光学共振这三个基本原理，激光得以产生。
在现代科技中，激光已经被广泛应用于各个领域，如激光医学、激光通信、激光切割等。
激光的特点使其在精密加工、精确测量、
信息传输等方面具有重要作用。
总的来说，激光的产生基于受激发射、光学放大和光学共振这三个基本原理，这些原理的相互作用使得激光成为一种独特而强大的光线。
随着科技的不断发展，相信激光技术将会在更多领域展现出其无限的潜力。
光电子技术电子课件-激光器的结构及工作原理
2.工作物质
• 在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原
子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激 励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激 光呢?不是的，激励只是一个外部条件，激光的产 生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的 工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所 讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是 说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所 有已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统。
9
• 当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与
稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒子当自发
地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种发射是无规律的
，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发态上的粒子产生
受激辐射。从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽
管它也可以诱发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积
增益媒质，它可以是气体、液体、固体或半导体
。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括
从真空紫外线到远红外线，非常广泛。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。激光工作物质的主要要求，
是尽可能在其工作粒子特定能级间实现较大程度
的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射过
12
激励的方法很多，一般可以用气体放电的方 法来利用具有动能的电子去激发介质原子， 称为电激励，如图a;也可以用脉冲光源来照射 工作介质，称为光激励，如图b。
a.气体放电激励
b.光激励
13
利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片 、高能粒子或放射线来激励工作物质并 实现粒子数反转叫核能激励。还有热激 励、化学激励等。各种激励方式被形象 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。
激光器的工作原理
激光器的工作原理是利用受激辐射实现光放大的结果。
具体来说，一个光子和一个拥有E2能级电子的原子相互作用，产生一个与原光子同频率、同相位、同传播方向的第二个光子，同时电子从E2->E1。
这个过程就是受激辐射。
在激光器中，增益介质是光子的产生场所，泵浦源实现光放大的能量输入，而谐振腔则帮助激光在增益介质中多次通过，实现更多的能量的提取（高亮度），同时谐振腔也可以约束激光的震荡方向（方向性好）。
此外，激光器可以产生单模或多模激光【1】。
在谐振腔内，只要满足的电磁波亥姆霍兹方程（一个描述电磁波的椭圆偏微分方程，以德国物理学家亥姆霍兹的名字命名。
其基本形式涉及到的物理量包括波数k，振幅A以及哈密顿算子∇。
）就可以存在，而亥姆霍兹方程的本征解【2】不止一个，这时候就会有基模（高斯光束）和高阶模【3】的概念。
当激光器同时震荡产生多个模式时，就称为多模运转。
高斯光束是激光器运转效率最高时的一种输出状态。
【1】单模激光器和多模激光器的区别主要在于激光输出模式：单模激光器的输出光束模式中只有一个模式，而多模激光器的输出光束模式中有多个模式。
单模激光指的是激光能量在二维平面上的单一分布模式，而多模激光指的是多个分布模式叠加在一起而形成的空间能量分布模式在焊接应用上：如果需要深熔焊，适合使用单模或者少模，因为单模在拼接深熔焊、叠焊、角焊等方面有优势，高能量密度更容易打出熔深。
而多模则适合浅层焊接，平整度好，焊缝能量均匀，也可以避免母材熔点过低带来的焊缝中心烧蚀、穿孔等质量损失。
在切割应用上：单模激光器的纤芯较细，光束质量优于多模，能量分布呈高斯分布，中间能量密度领先高，三维图是一个尖圆的山峰状。
多模激光器的纤芯相比粗一些，光束质量相比单模要差一些，能量分布相比单模光斑平均一些，三维图像一个倒扣的杯子。
针对不同厚度的材料切割，单模和多模的优势各不相同。
在切割薄板时，单模的切割速度比多模高20%，而在切割2mm厚的板材时，速度优势逐步下降，从3mm开始，多模激光器的速度和效果的优势就非常明显地体现出来。
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光电子学中的激光器原理
光电子学是现代科学技术中的重要领域之一，其中最具代表性
的技术就是激光技术。
激光是一种高度聚焦的光线，具有极高的
单色性、相干性和功率密度，因此具有广泛的应用前景。
在光电
子学中，激光器作为最核心的部分，极大地推动了激光技术的发展。
激光器是一种产生激光的装置，其中包含了诸如光学增益介质、光学谐振腔、光学控制系统等多个部分。
其基本原理是利用受激
辐射的工作原理来放大光波，通过光学谐振腔的干涉使其形成激
光束。
具体来说，激光器分为固体激光器、气体激光器、半导体
激光器等不同种类。
固体激光器的典型代表是钕玻璃激光器。
其工作原理是利用将Nd3+掺杂入玻璃基质中，形成一个Nd3+-离子的吸收带，其锐角
位置可以通过吸收剂的种类和掺杂浓度来选择。
当高光强度的光
束通过吸收带时，会导致Nd3+离子在激发态之间发生跃迁，最终
经过热平衡达到最低激发态，在这个过程中会向周围释放能量，
即通过辐射或热量释放出来。
这个过程是非常快的，因此Nd3+离
子的费用能随即跃迁到激发态，形成光学放大。
气体激光器则利用激光气体在电场的作用下受激辐射的工作原
理来产生激光。
典型的代表是氦氖激光器，它主要由一个激光管、电源和金属膜弹性体腔组成。
其工作原理是通过外部电源给氖气
填充的氦氖激光器内的电极施加直流电压，产生等离子体。
当氮
气的电子与氦氖等离子体的原子发生碰撞时，氦氖等离子体被激
活产生激发态，进而通过一个简单的三能级内部能级跃迁机制产
生两种谱线，发出270纳米和632.8纳米的激光。
半导体激光器则以半导体晶体为基础结构，采用PN结形成的
发射结构来发射激光光束。
其特点是具有小体积、易集成、效率
高等优点，因此在通信、光存储等领域中具有广泛的应用。
其工
作原理是当外加电压大于一定的阈值电压后，PN结区域被注入大
量载流子，这些载流子在P型区和N型区之间受限运动，激发P
型区与N型区的电子和空穴复合发射激光。
总的来说，激光器在光电子学中的应用和发展是非常广泛的。
通过激光器产生的强激光光束，可以被用于各种不同的用途，例
如激光制造、光刻技术、通信技术、医疗、量子计算等领域。
因此，研究激光器原理以及激光器的不同种类和工作原理都是光电
子学领域的重要课题，也是推动激光技术不断发展的必要途径。