第二章激光材料2.ppt

原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做载流子注入。 * 而P－N 结两边的PP型和NN型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导带和价带。 * 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即0.6328um、3.39um和1.15um，对应跃迁能级分别为3S2→2P4,3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这就是为什么He—Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，He—Ne激光器是典型的四能级系统。 He—Ne激光器的输出特性 谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线： 3S?2P 0.6328?m ， 2S?2P 1.15?m ， 3S?3P 3.39?m 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。 0.6328um和3.39umm两条激光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系数比较高,如果不进行抑制,则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子。抑制3.39um辐射的办法主要有: 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 ①选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜,使339um达不到阈值条件,如下图所示,在腔内加色散棱镜,将两谱线分开,通过调整谐振腔反射镜的位置,只允许0.6328um的辐射起振,而使3.39um的辐射偏离出谐振腔外; ②腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振荡; ③外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应,磁场可引起谱线分裂,分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分布不均匀,则各处谱线分裂程度不同并连成一片,相当于谱线变宽。300高斯非均匀磁场中,两谱线加宽均约900MHz,0.6328umm原谱线半宽度约1500MHz,非均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39um原谱线宽只有300MHz左右,非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽,所以外加非均匀磁场后,3.39um的增益系数急剧下降,而0.6328μm的增益系数却下降很少.结果提高了0.63281um的竞争能力,3.39um则被抑制。外加非均匀磁场的装置如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁,相邻的极性相同,这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。 (2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。 输出功率与放电电流的关系曲线 ① 右图表示输出功率与放电电流的关系曲线。曲线表明:在气压比为定值时,每个总气压都存在一个输出最大的放电电流,其大小随着总气压的升高而降低,这是因为气压升高,只需要较小的放电电流就能得到相同的电子密度。 在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 ② He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。 实验发现，氦气与氖气的分压比为7／1时是最佳分压比。而总压强在100Pa～400Pa。 选用He气作辅助气体的原因: Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级 ； He*与Ne*能级极相近, 易发生能量共振转移 。 ③若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳p、d值。 图给出了在不同的毛细管内径d和长度l时,输出功率与充气总气压和气压比的实验曲线。由图可见,内径d不同,最佳充气压和气压比也不同。气压也增加。计算可得:当取最佳充气条件时,最佳气压λPopt与毛细管内径的乘积约为一常数,一般Poptd=480~533Pamm. ④在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。 五、He—Ne激光器的寿命 He－Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1／e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面： 1．慢漏气 3．阴极溅射 2．放电管内元件放气 4．工作气体的吸附、吸收和渗透 5．谐振腔反射镜的污染 目前He－Ne激光器最长的寿命可达10万小时。 C02激光器