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激光机理的能量激发和谐振放大与激光种类的介绍

消耗积分:0 | 格式:rar | 大小:0.3 MB | 2017-09-26

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  形成“激光”,先完成两个重要步骤

  「激光(Laser)」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的缩写,意思是「利用激励放射来增加光的强度」,所谓的「激励放射」其实就是完成两个重要的步骤,第一个是「能量激发(Pumping)」,第二个是「共振放大(Resonance)」:

  能量激发(Pumping)

  固体激光(大多使用光激发光)属于「原子发光」,前面曾经介绍过原子发光的原理为,外加能量(光能或电能)激发掺杂原子的电子由内层能级跳到外层能级,当电子由外层能级跳回内层能级时,将能量以光能的型式释放出来,如图二(a)所示。半导体激光(大多使用电激发光)则是属于「半导体发光」,前面曾经介绍过半导体发光的原理为:外加能量(光能或电能)激发半导体的电子由价带跳到导带,当电子由导带跳回价带时,将能量以光能的型式释放出来,如图二(b)所示。

  要发出激光,受激辐射是最基本的条件,如图二(c)所示,能量激发有「光激发光(PL)」或「电激发光(EL)」二种方式,不论使用那一种方式都可以产生激光,光激发光(PL)是外加光能使电子跳跃;电激发光(EL)则是外加电能使电子跳跃,将在后面详细介绍。

  激光机理的能量激发和谐振放大与激光种类的介绍

  图二 能量激发的原理

  谐振放大(Resonance)

  在发光区外加一对「谐振腔(Cavity)」,谐振腔其实可以使用一对镜子组成,如图三所示,使光束在左右两片镜子之间来回反射,不停地通过发光区吸收光能,最后产生谐振效应,使光的能量放大。

  光激发光(PL:Photoluminescence)?我们以「钛蓝宝石激光(Ti Sapphire laser)」为例,先在蓝宝石内掺杂钛原子得到钛蓝宝石晶体,在晶体四周放置许多高亮度的光源(发出某一种波长的光)对着晶体照射,当晶体吸收光能产生「能量激发(Pumping)」,则会发出另外一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」,由于右方的反射镜设计可以穿透5%的光,所以高能量的激光就会由右方穿透射出,如图三(a)所示。

  电激发光(EL:Electroluminescence)我们以「砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)」为例,先在砷化镓激光二极管芯片(大约只有一粒砂子的大小)上下各蒸镀一层金属电极,对着芯片施加电压,当芯片吸收电能产生「能量激发(Pumping)」,则会发出某一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个晶体镜面反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」,由于右方的反射镜设计可以穿透5%的光,所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出,如图三(b)所示。

  激光机理的能量激发和谐振放大与激光种类的介绍

  图三 激光产生的原理

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李岩章 2017-10-07
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