激光器的基本结构
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。
光纤激光器的基本结构
光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种利用光纤作为激光介质的激光器。
它具有高效率、高稳定性、小体积等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
其基本结构包括泵浦源、光纤增益介质、反射镜和输出窗口。
1. 泵浦源泵浦源是光纤激光器中最重要的组成部分之一，其作用是提供能量给增益介质，使其产生受激辐射。
常用的泵浦源有半导体激光器和二极管激光器两种。
半导体激光器是一种将电能转化为光能的器件，其工作原理是利用半导体材料中的电子与空穴复合时释放出能量的过程来产生激光。
半导体激光器具有小体积、高效率等特点，但其输出功率有限。
二极管激光器也是一种将电能转化为光能的器件，与半导体激光器相比，二极管激光器具有更高的输出功率和更广阔的工作范围。
因此，二极管激光器是目前光纤激光器中常用的泵浦源。
2. 光纤增益介质光纤增益介质是光纤激光器中产生受激辐射的关键部分。
常用的增益介质有掺铒、掺镱等元素的光纤。
掺铒光纤是一种将铒元素掺杂进石英玻璃中制成的光纤，其主要特点是在1.5微米波段具有较高的增益。
掺镱光纤则是将镱元素掺杂进石英玻璃中制成的光纤，其主要特点是在1.06微米波段具有较高的增益。
3. 反射镜反射镜是将激光产生并放大后反射回来形成激射束束流线的关键部分，通常由高反膜和低反膜组成。
高反膜可以使得大部分激发后发出来的能量被反射回去，而低反膜可以使得少量能量通过，从而形成激射束束流线。
4. 输出窗口输出窗口是将激射束束流线从光纤内部输出的关键部分，通常由透明的玻璃或石英制成。
输出窗口可以使得激射束束流线从光纤内部顺利输出，并保护光纤不受外界环境的影响。
总之，光纤激光器的基本结构包括泵浦源、光纤增益介质、反射镜和输出窗口。
这些组成部分相互配合，共同完成了将泵浦能量转化为激射束束流线的过程。
随着科技的不断发展，光纤激光器在各个领域中的应用前景也越来越广阔。
几种激光器的结构示意
几种激光器的结构示意激光器是一种能够产生激光光束的器件。
不同类型的激光器通过不同的结构设计来产生不同的激光波长和激光功率。
下面将介绍几种常见的激光器结构示意。
1.气体激光器气体激光器利用气体放电产生激光。
气体激光器的基本结构包括激活介质、激励源和谐振腔。
激活介质是气体，常用的有氖、氩、氮气等。
激活介质通常填充在放电室内，由于电压作用下的电子激发使激发介质处于激发态，然后通过自发辐射产生的辐射光激发其他激发介质，从而实现光的放大效应。
激光器的谐振腔是由两块平面反射镜构成的，通过调节反射镜间的距离，可以实现激射光束的调谐。
2.固体激光器固体激光器是指利用固体介质产生激光。
固体激光器的基本结构包括激发源、增益介质和谐振腔。
激发源通常是一个脉冲电流或者光源，通过激发能量传递给增益介质，使其转化为激发态。
增益介质通常是晶体或者玻璃，如Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体等。
激发能量在增益介质中逐渐积累，产生激光放大效应。
激光器利用谐振腔来限制光的传播方向，提供光的增益和反射，从而产生高激光功率输出。
3.半导体激光器半导体激光器是利用PN结构形成的电流与光的耦合效应来产生激光。
它的基本结构主要由P型半导体层、N型半导体层和激活层组成。
激活层是半导体激光器的核心部分，通过电流注入的方式产生激发态电子和空穴，然后通过电子空穴复合过程，放出激光。
半导体激光器具有体积小、发光效率高、功耗低等优点，广泛应用于通信、医疗等领域。
4.光纤激光器光纤激光器是利用光纤作为激光介质的激光器。
光纤激光器的基本结构包括光纤、增益介质和谐振腔。
增益介质通常是受控的掺杂光纤，如掺钕光纤、掺铽光纤等。
激发源通过光纤输入激发介质，产生激发态，然后通过自发辐射和受激辐射过程产生激光。
谐振腔的结构通常根据需要采用不同的方式，如光栅镜、光纤光栅、光纤环等。
以上是几种常见的激光器结构示意，每种激光器都有特定的工作原理和结构设计，以满足不同的应用需求。
光纤激光器的基本结构和工作原理
光纤激光器的基本结构和工作原理一、光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种利用光纤作为光学谐振腔的激光器。
它由光纤、泵浦光源、谐振腔和输出耦合器件组成。
1. 光纤：光纤作为光传输的介质，具有较高的光学质量和较低的损耗。
它通常由二氧化硅或氟化物等材料制成。
2. 泵浦光源：泵浦光源是提供激发能量的装置，常见的泵浦光源有半导体激光器、氘灯等。
泵浦光源通过能级跃迁将电能转化为光能，将光纤中的掺杂物激发至激发态。
3. 谐振腔：谐振腔是产生激光放大的空间，由两个反射镜构成，其中一个是部分透射的输出耦合镜。
谐振腔中的光纤被反射镜反射多次，形成光学谐振，增强光的幅度。
4. 输出耦合器件：输出耦合器件是将放大的激光从谐振腔中输出的装置，常见的输出耦合器件有反射镜、光栅等。
它通过调节输出耦合器件的透射率，实现激光的输出。
二、光纤激光器的工作原理光纤激光器的工作原理是基于激光的受激辐射过程。
其工作过程主要可以分为三个步骤：泵浦、光放大和激射。
1. 泵浦：泵浦光源产生的高能量光通过耦合装置输入光纤，激发光纤中的掺杂物（如铥、镱、铍等）的原子或离子跃迁到激发态，形成一个能级反转。
2. 光放大：光纤中的激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子经过多次反射，在谐振腔中不断放大，形成光的增强。
3. 激射：当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射。
激射的激光经过输出耦合器件，部分透射出光纤，形成激光输出。
光纤激光器的工作原理可以通过能级图来解释。
在泵浦过程中，泵浦光源提供的能量使得光纤中的掺杂物原子或离子跃迁到激发态。
在光放大过程中，激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子通过多次反射，在谐振腔中不断受到增益介质的放大。
当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射，形成激光输出。
光纤激光器具有很多优点，如小型化、高效率、高质量光束、稳定性好等。
激光器基本结构
激光器基本结构一、激光器的基本原理激光器是一种能够产生高强度、高单色性的光束的装置。
它的核心部分是一个能够产生受激辐射的介质，通常采用激光介质，如Nd:YAG晶体或CO2气体等。
当这个介质被能量激发时，它会放出一束相干的光束。
二、激光器的基本结构1. 激发源：用于提供能量以激发介质产生受激辐射。
通常采用电子束、闪光灯和半导体等。
2. 激光介质：用于产生受激辐射的物质，通常采用固态、液态或气态介质。
3. 光学谐振腔：由两个反射镜组成，其中一个为半透明镜。
它们将产生的光束反复反射在内部形成一条相干且强度增强的光线。
4. 准直系统：用于控制输出光束方向和形状，通常由透镜和棱镜组成。
5. 输出窗口：将准直后的光线引出谐振腔，输出到外界。
三、激光器的工作原理1. 激发介质：激光器的激发源提供能量，使介质中的原子或分子进入高能态。
2. 受激辐射：当介质中的原子或分子处于高能态时，它们会受到外界光线的刺激，并发生受激辐射，产生相干光束。
3. 谐振腔：产生的相干光束在谐振腔内反复反射，形成一条强度增强、相干性好的光线。
4. 输出：准直系统控制输出光线方向和形状，通过输出窗口将光线引出谐振腔。
四、常见的激光器类型1. 固态激光器：采用固体介质，如Nd:YAG晶体等。
2. 气体激光器：采用气体介质，如CO2气体等。
3. 半导体激光器：采用半导体材料作为介质。
4. 其他类型：还包括自由电子激光器、化学气相激光器等。
五、应用领域1. 制造业：激光器在制造业中广泛应用，如激光切割、激光打标等。
2. 医疗领域：激光器在医疗领域中常用于手术、皮肤美容等。
3. 通信领域：激光器在通信领域中被用于传输信息。
4. 科学研究：激光器在科学研究中也有广泛的应用，如原子物理实验等。
六、发展趋势1. 激光器技术将继续发展，产生更高功率和更高质量的激光束。
2. 激光器应用领域将不断扩大，特别是在智能制造和高精度加工等方面。
3. 激光器将成为未来通信、医疗和科学实验的重要工具。
co2激光器基本结构
CO2激光器的基本结构包括以下几个主要部分：
1. 激光介质：CO2激光器的激光介质是由碳氢化合物（通常是混合物）组成的。
这些化合物在激发态下能够产生CO2分子的激发态，从而产生激光。
2. 激发源：激发源通常是电子束或者放电电流。
电子束或电流通过激光介质，将能量传递给激光介质中的碳氢化合物，使其激发。
3. 光学腔：光学腔是CO2激光器的一个重要组成部分，它由两个反射镜组成，一个是高反射镜（HR镜），另一个是部分透射镜（OC镜）。
光学腔的作用是将激发产生的光反射回激光介质中，形成光的反馈，从而放大光的强度。
4. 冷却系统：CO2激光器在工作过程中会产生大量的热量，因此需要一个冷却系统来保持激光器的温度在合适的范围内。
冷却系统通常使用水冷或者气冷的方式。
5. 控制系统：控制系统用于控制激光器的工作参数，
如激发源的电流、激光器的频率等。
控制系统还可以监测激光器的工作状态，以确保其正常运行。
以上是CO2激光器的基本结构，不同型号的CO2激光器可能会有一些差异，但基本原理是相似的。
激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质
f
νGGf (νν)a内8cν221Lf2νlnν2erd1rJ2
J阈
a内
21Llnr1r2
8
22ed
c2
5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
5.2.3 Ar+离子激光器
1. Ar＋激光器的结构
➢Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
2. Ar＋激光器的激发机理
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 ➢Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
➢图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激 光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。
➢He-Ne激光器是 典型的四能级系 统，其激光谱线 主要有三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器 ➢红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3) 生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)， 如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能 级模型
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-26) PN能带
➢在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级E
F
和E
F
，称为准费米能
级，如图(5-27)。
图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构
激光器产生激光的三个基本结构
激光器产生激光的三个基本结构一、引言激光器是一种能够产生单色、高亮度、几乎无散射的光束的装置，广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
激光器的基本结构有三种，分别是气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
本文将详细介绍这三种激光器的基本结构及其工作原理。
二、气体激光器1. 气体激光器的基本结构气体激光器由放电管和反射镜组成。
放电管是一个密闭的玻璃管，内部填有稀薄气体（如氦氖气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
反射镜则是由两个平面镜或球面镜组成，其中一个反射镜具有一定透过率。
2. 气体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的气体被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得氦原子发生受激辐射，产生激光。
激光在反射镜间来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 气体激光器的应用气体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，二氧化碳激光器被广泛应用于工业加工领域，如切割、焊接和打孔等。
三、固体激光器1. 固体激光器的基本结构固体激光器由放电管和固态材料组成。
固态材料通常是掺有特定元素（如钕）的晶体或玻璃材料。
放电管则是一个密闭的腔体，内部填有闪烁物质（如氙气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
2. 固体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的闪烁物质被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得掺杂元素发生受激辐射，产生激光。
激光在固态材料中来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 固体激光器的应用固体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，钕掺杂的固态激光器被广泛应用于医疗领域，如眼科手术和皮肤美容等。
四、半导体激光器1. 半导体激光器的基本结构半导体激光器由PN结和反射镜组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组合而成的结构，反射镜则是由两个端面反射镜组成。
2. 半导体激光器的工作原理当PN结加上正向电压时，电子从N型区域流向P型区域，与空穴复合产生辐射能量，产生激光。
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激光器的基本结构
1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是常体、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。
作为激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。
根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。
工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状。
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。
泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。
泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质
的吸收光谱相匹配。
常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。
其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件，尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源，二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。
LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦；纵向:垂直入射的侧面泵浦。
LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。
3、聚光系统聚光腔的作用有两个，一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。
工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。
椭圆柱聚光腔是目前小型固体激光器最常采用的。
4、光学谐振腔：由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。
光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。
最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。
5、冷却与滤光系统：是激光器必不可少的辅助装置。
固体激光器工作时会产生比较严重的热效应，所以通常都要采取冷却措施。
主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保
证激光器的正常使用及器材的保护。
冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。
要获得高单色性的激光束，滤光系统起了很大的作用。
滤光系统能够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。
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