2005年4月 湘南学院学报 Apr.,2005 第26卷第2期 Journal of Xiangnan University Vol.26No.2
收稿日期:2005-02-08
作者简介:董 辉(1978-),女,湖南宜章人,湘南学院物理系助教.
超快激光脉冲的产生和放大
董 辉,姚 敏
(湘南学院物理系,湖南郴州 423000)
摘 要:超快激光脉冲是实现超高速通信最为重要的部分.近十年来,啁啾脉冲放大技术和宽带增益介质的结合,高功率超快激光脉冲取得了迅猛的发展.在小型实验室桌面激光器就可以产生数太瓦功率的激光.本文介绍了用啁啾脉冲放大技术实现超快脉冲的产生和放大.
关键词:超短激光脉冲;啁啾脉冲放大;飞秒
中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1672-8173(2005)-02-0033-05
1 引言
啁啾脉冲放大(Chirped -Pulse -Amplification,简称CP A)[1]技术是目前使用最普遍和最有效的一种超短脉冲激光放大技术.CPA 技术和固体放大介质相结合,就能放大产生峰值功率达TW(1012W)、甚至PW(1015W)量级的超强超短脉冲输出[2].当今几乎所有的高功率超短脉冲激光系统都采用啁啾脉冲放大技术来实现.啁啾脉冲放大系统示意图如图1所示
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图1 啁啾脉冲放大系统示意图
啁啾脉冲放大技术是在1985年由D.Strickland 和G.Mourou 最先提出的[1]
,目的是为了提高超短脉冲的能量,同时又要在放大的过程中克服自相位调制和自聚焦等非线性效应对脉冲的影响.其基本原理是在脉冲放大前首先用展宽器把超短脉冲展宽到纳秒(10-9s)或亚纳秒量级,然后把展宽后的长脉冲进行放大,放大完成后再用压缩器把放大后的长脉冲压缩回其原来的宽度,从而就可获得大能量、高峰值功率的超强超短激光脉冲输出.通过展宽,放大介质的能量可以有效的被萃取,又避免了强激光对放大器的损坏.C PA 技术对于储能密度较高(1J-10Jc m -2)的固体放大介质的有效利用特别有益,因为充足的能量在很短的时间内被萃取必然导致光强超过放大介质的损坏阈值.为了能够把放大后的长脉冲压缩回其原来的宽度,正确的激光系统设计就显的尤为重要了.
本文在接下来的部分介绍高功率超短脉冲的各种组成部分.2 超短脉冲激光振荡器
啁啾脉冲放大系统分为超短脉冲的产生和放大两个部分.虽然在1988年就有利用CPA 技术到报道[3],但并没有得到广泛的应用,直到简单可靠的锁模飞秒激光光源工作在宽带固体放大介质的波长范围内,例如Ti:sapphire (800nm),Nd:glass (1.06nm)和Cr:LiSAF (850nm).
要产生超短脉冲,必须要有宽频带增益介质的支持.因为光脉冲的时间和光谱特性通过傅里叶变换彼此是相关的,所以光谱宽度v W P 和脉冲宽度S P 之积存在一个最小值,即傅里叶变换极限.
v X P S P =2P v T P S P =2P C B (2.1)式中C B 是近似为1的常数.由(2.1)可知,脉宽越短的光脉冲其频率带宽越大.所以若要得到超短激光脉冲,增益介质的发射频谱必须要有足够大的频宽,这样才能提供足够的频率成分来合成超短脉冲.
在1990年,D. E.Spence 等人发现了钛宝石(Ti:sapphire)激光器中的自锁模现象[4],并率先把钛宝石激光
振荡源的输出脉冲宽度降低到60fs 后,CP A 技术得到了飞速的发展.掺杂钛宝石晶体是一种优秀的超短脉冲放大介质,它具有以下的优点:1增益谱线宽,波长范围从600nm 到1100nm,o良好的导热性,?能量存储密度接近1Jc m -2.因此钛宝石也特别适用做超短脉冲激光放大系统的增益介质.
理想激光器的输出光束应只有一个模式,然而若不采取选模措施,多数激光器的工作状态往往是多模的,含有多纵模及多横模的激光束单色性及相干性较差.现有的被动锁模染料激光器依赖于染料的低能量存储密度使得锁模容易实现,而被动锁模却在大部分固体增益介质中不可行[5].自锁模钛宝石激光器却使用一种不同的机制来实现超短脉冲的产生:克尔非线性效应.一般透明的光学介质都具有光学克尔效应(optical Kerr ef -fect),也就是介质的折射系数n 随着光强度I 而变化:
n(I)=n 0+n 2I(t)(2.2)式中,n 0为与光强无关的折射率,n 2为非线性折射率,I(t)为脉冲的光强.低吸收介质的n 2都很小,所以通常克尔效应可以忽略,但是对于一强度很高的超短脉冲而言,这种非线性效应则有明显的影响.表现在时间上会出现自相位调制,使得脉冲频宽增加;表现在空间上,正的n 2会导致自聚焦(self-focusing)效应而改变其空间模式.利用这种特性我们可以设计激光共振腔,使得强度较高的空间模式具有比较大的增益,强度较低的模式具有比较小的增益,如此强者越强、弱者越弱,脉宽因而被压缩更短[6].由于这种锁模机制是利用克尔效应所引起的自聚焦现象,故称之为克尔透镜锁模.这种激光腔如图2所示[5]
.
图2 克尔透镜锁模振荡器在图2所示的激光装置里可以获得脉宽为8fs 的超短脉
冲[5],这些脉冲由于棱镜的高阶色散调制,其频谱不再是简单的
高斯线型或双曲线型.放大后的脉冲通过整形和调整中心波长可
获得更短的脉冲.最终限制激光脉冲宽度减小的因素仍是一个研
究的主题.对于超短脉冲,时域和空域的耦合变的很复杂.对于脉
宽小于10fs 超短脉冲,在光腔内同时出现的自聚焦和自相位调制
效应导致不同频率成分的波的发散变得显著起来.这些因素使得高功率超短脉冲放大的研究转移到能有效的避免增益变窄上面.
3 脉冲展宽和压缩
超短脉冲在放大之前,展宽器将脉冲展宽到原来的103-104倍,展宽的程度是由克服光束对光学元件的损坏和非线性引起的脉冲波形畸变决定的.脉冲展宽后峰值强度降低,然后再送入放大器进行放大.此时脉冲强度大幅降低,所以能够有效地放大其能量而不会损坏光学元件,直到其峰值强度接近放大器系统的损坏阈值为止.当放大完成后,在空间上将脉冲扩束以降低其峰值强度,然后送入脉冲压缩器在时间上将脉冲压缩回原来的脉冲宽度,而得到极高峰值功率的超短激光脉冲[6]
.
超短脉冲(10fs-1ps)在展宽器中通过引入频率啁啾来展宽脉宽,当一脉冲通过光学介质时,其高频成分较低频成分传输得慢些,所以脉冲将展宽成为一个频率随时间变化的啁啾脉冲.脉冲在光纤等光学介质中传播一段距离便可很容易的获得频率啁啾.在光纤中自相位调制效应会展宽脉冲的频率带宽,而其高阶色散引起的波形失真使得光纤不适用于飞秒脉冲.
为了获得更大的展宽因子,用光栅对可让脉冲频谱中不同颜色的光在光学系统中经历不同的路程.Mar -
tinez 通过在光栅对里放置一个望远镜来实现上述想法[7].采用这种装置,可以实现展宽/压缩的完美匹配.
脉冲压缩器则与脉冲展宽器刚好相反,让较快的低频成分通过较长的光学路径,而较慢的高频成分通过较短的光学路径,于是脉冲就被压缩回原来的脉宽.在理想的啁啾脉冲放大系统中,脉冲展宽器与脉冲压缩器是完全对称,也就是说脉冲展宽器所引入的色散,会在脉冲压缩器内完全补偿,使得脉冲回到原本展宽前之波形.但是放大器系统中除了以上两者,还包含许多其他的光学介质,例如透镜、极化晶体、偏振片以及增益介质等,另外还有在放大过程中的增益饱和与B 积分效应所引入的相位变化,这都会使得放大后的激光脉冲无法有效压缩.
4放大
自20世纪80年代末期超短脉冲固体激光光源出现以来,绝大部分的高功率超短脉冲激光器都采用固体放大介质,包括钛宝石、Nd:glass、alexandrite和Cr:LiSAF等.这些介质具有相对比较长的上能级寿命、高的饱和能流密度(从1到几十Jcm-2)、宽的发射频带和高的损坏阈值.在过去的十多年里,钛宝石放大介质得到了最为广泛的应用,脉冲通过很小直径(20mm)的放大介质的12-15程三级放大,能量便能超过1J.
尽管钛宝石的增益带宽较大,但由于放大介质的有限带宽,放大过程不仅可以放大脉冲的能量,同时也可以对脉冲产生频移和变形.由于增益介质对脉冲的不同频谱成分的放大程度不同,对靠近中心发射频率的放大高于其对两侧其它频谱成分的放大,这会导致脉冲经过多次放大后其输出频谱变窄,如图3(a)[5]所示.这种效应叫增益变窄.增益变窄在整个脉冲的放大过程中都存在,是影响激光放大器输出脉冲质量的重要因素.
另一种对脉冲形状造成影响的是增益饱和效应.在放大过程中,啁啾脉冲的前沿消耗了大量的激发态反转粒子数,以至脉冲后沿得不到和前沿同样的放大.所以脉冲后沿所能获得的增益就会降低,当放大器接近饱和时,这种效应最为显著,故称之为增益饱和.对于一个正啁啾激光脉冲,其前沿瞬间频率较后沿低,所以这种效应会导致输出频谱的红移.这就是如图3(b)[5]所示的频移.
其它的放大介质都有增益变窄、频移和增益饱和现象,且比钛宝石更为严重.对于脉宽小于20fs的脉冲,增益变窄成为放大带宽限制的主要因素.
图3(a)预放大前后的脉冲(b)功率放大前后的脉冲
还有一种非线性效应会引起脉冲波形的变形,当脉冲峰值强度上升时,通过增益介质、透镜、极化晶体等光学元件将引入额外的非线性相位变化,这会对放大后的脉冲波形造成失真.我们一般以所谓的B积分参数来度量这种非线性相位变化的大小:
B=2P K Q v n n dl=2P K n2Q l0I(z)dz(4.1)其中K是脉冲中心波长,n2是通过介质的非线性折射率,I(z)是脉冲峰值强度,积分是对介质长度做积分.一般而言,要维持放大后激光脉冲波形没有严重的失真,B积分参数必须限制在一定的范围[3].
大多数的高功率超短脉冲激光系统把振荡源产生的超短脉冲,经展宽器展宽后,使用高增益的前置放大器放大,超短脉冲能量从nJ量级放大到1mJ-10mJ量级,放大器的大部分净增益(~107)是在这一阶段获得的.经前置放大器放大后的脉冲进入功率放大器,脉冲在这一阶段吸取足够的能量使输出的功率达到tW量级.脉冲放大器按工作方式分为再生放大和多程放大两种[5].
再生放大是把脉冲引入一个稳定的谐振腔进行放大,放大完成后用电光装置把脉冲引出来.再生放大器中脉冲可以在谐振腔中来回放大多次(~20),每次的放大倍数较小,输出脉冲质量较高.再生放大器每次的放大倍数较小是为了避免放大的自发辐射的形成.放大的自发辐射的存在增加了放大器的噪声,同时自发辐射引起的受激辐射将使激光上能级寿命减少.当放大的自发辐射引起的上能级粒子衰减率与其他驰豫过程造成的衰减率可以比拟时,反转粒子数将显著下降,因而增益系数也随之下降[8].再生放大器需要的光学元件多,对放大脉冲产生的高阶色散大,增加了脉冲压缩的困难,因此不适宜直接放大脉宽小于20fs-30fs的脉冲.尽管这样,仍有用再生放大器对脉宽为30fs或更短的脉冲进行放大的报道[9,10].
多程放大不同于再生放大,它是利用反射镜把光束折叠,让折叠后的光束分别以不同角度通过同一块增益介质进行放大.由于多程放大不需要谐振腔,放大的自发辐射可以得到很好的抑制,这样单程增益(~10)也就比再生放大器的高,通过放大介质的次数也就少(一般小于10次).多程放大具有对脉冲引入的高阶色散少,增益变窄轻和由于B积分引起的非线性相位失真较小等优点,因此更适合于对超短脉冲进行放大.
虽然钛宝石有很高的热导率,但由于在放大的过程中为了获得足够大的单程增益,数十瓦功率聚焦在大约1mm的直径上,会造成钛宝石的热畸变,例如热透镜、双折射和应力效应.钛宝石的折射率会随着激光强度的变化而变化,且局部的热膨胀使晶体的表面发生变形而加剧聚焦效应[5].无论是再生放大还是多程放大,连续通过放大介质而积累的热透镜效应会很快的增大放大光束的尺寸.在再生放大器中,可以采用设计谐振腔补偿热透镜效应,而在多程放大器中,可以采用增加负透镜的方法[5].
自20世纪90年代以来,经过许多研究小组的努力,钛宝石超短脉冲激光器取得了显著的发展.在重复频率为10Hz的情况下,放大后的脉冲能量超过2J,脉冲宽度为20fs-25fs,峰值功率高达100TW[11].
5聚焦强度
啁啾脉冲放大系统输出的脉冲的空间品质对于应用目标来说非常重要.在放大器中存在着几何像差、光学元件的表面质量、镜子的有限大小、热效应和掺杂钛宝石晶体的不均匀等因素会影响光束的聚焦.也就是说每一种影响都会降低脉冲的空间特性,例如能量分布和波前.其结果会导致出现不同的传输模式和降低聚焦质量,大量的能量蔓延到焦斑的侧翼上[5].焦斑的直径也就变大,激光强度降低.从强度的理论定义中就知道空间品质的重要性.
I=E
P r2v S(5.1) E是光束的能量,r是焦斑最大强度1/e2的半径,v S是脉冲持续时间.通过减小焦斑的尺寸来获得更高的光强比通过增加放大级数来增加能量和减小脉宽来说更为有效.
6结论
自20世纪90年代以来,高峰值功率超快激光技术研究取得了飞速的发展,并且在不久的将来肯定会取得激动人心的进步.激光脉冲可以达到更高的能量、更短的脉冲宽度,更小的聚焦点.在原有的基础上,实验室桌面激光器在脉冲的峰值功率、脉冲宽度等方面的性能会得到继续提高,将其聚焦之后的峰值强度由目前的1020W/cm2推进到1023W/cm2,而带领当代物理研究走向新的突破.这些发展使超快光学进入X射线频域范围,在工业如精密仪器、激光测距、光纤通信、超高速信息处理、光电子等领域得到广泛的应用.
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Preparation of Cyclohexene from Dehydration of
Cyclohexanol Catalyzed by Solid Acid
YU Shan-xin,GU AN Shi-bin,LIU Mei-yan
(C ollege of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan Normal University,Changsha410081,China)
Abstract:The preparation of cyclohe xene by dehydration of cyclohexanol on catalyst:p-toluene sulfonic acid;
stannic chloride pentahydrate;stannous chloride dihydrate;ferric chloride hexahydrate;sodium bisulfate monohy-drate;Ti4+-Cationic exchange resin;solid superacid;heteropoly acid and zeloite molecular sieve were revie wed.
It point out the solid superacid,heteropoly acid and zeloite molecular sieve are all good catalysts for preparation of cyclohe xene by dehydrate of cyclohexanol.
Key w ords:c yclohexene;preparation;cyclohexanol;dehydration;catalyst
(上接第36页)
The Generation and Amplification of Ultra-fast Laser Pulse
DO NG Hui,Y AO Min
(Department of Physics,Xiangnan University,Chenzhou423000,China)
Abstract:Ultra-fast laser pulse is the most important part of the ultra-fast c ommunication syste ms.Since1990s the development of high-power laser pulses has made an unprecedented progress thanks to the c onjunction of the chirped pulse technique and the spec trally broad-band laser https://www.doczj.com/doc/797713546.html,sers is capable of producing mult-i terawatt pulses in a small laboratory.We review the generation and the a mplification of ultra-fast pulses by the chirped pulse amplification technique.
Key w ords:ultra-fast laser pulse;chirped pulse amplification;femtosecond
超快激光精细加工的应用情况简介 时间:2011-08-07 14:54发布人:星之球激光点击:316次 1．引言从1960年第一台红宝石激光器诞生至今，人们对激光技术的探索从未曾止步。 因其优越的特性越来越多的为人们所知，更多的应用将被发掘出来，尤其是对高新技术比较敏感的工业领 关键字：超快激光,精细加工 ? ?1．引言 从1960年第一台红宝石激光器诞生至今，人们对激光技术的探索从未曾止步。因其优越的特性越来越多的为人们所知，更多的应用将被发掘出来，尤其是对高新技术比较敏感的工业领域。可以说，就人类社会发展的现阶段，工业需求是社会发展的最强大的动力。激光应用于工业加工领域已经有20多年的历史，激光在工业领域的应用的深度和广度都已经达到了前所未有的阶段。 2．激光加工工业的发展 在第一台激光器诞生之初，功率较低，系统整体较大，实际上无法直接应用于工业加工领域。在这之后的几十年里，随着激光技术的发展，新的激光介质的出现，激光技术瓶颈的突破，激光器无论从深度上还是广度上都有很大的进步。激光在工业中的应用之多，数不胜数，如：激光印刷，刻录，打标，雕刻，焊接，切割，毛化，调阻，熔敷等等，且潜力巨大。 从上世纪80年代开始，从深度上来看，激光加工工业的发展主要经历了三个阶段： 第一阶段是纳秒激光器应用阶段。调Q技术获得的纳秒脉冲，其峰值功率远高于平均功率，能够实现连续激光器无法达到的高瞬时功率密度，从而瞬间超过材料破坏阈值，实现刻蚀效果。 第二阶段是本世纪伊始，SESAM（半导体可饱和吸收镜）使皮秒激光技术迅猛发展，并很快应用于工业中。皮秒激光器一直以来都是通过染料进行锁模，但是染料需要循环，且经常容易漂白而影响锁模的稳定性。SESAM不但能够代替染料进行锁模，而且能够实现自启动。在此背景下，迅速涌现出了众多商业化的工业级皮秒激光器。 相较纳秒激光，皮秒激光器以其更短的脉冲宽度，更高的峰值功率，能够实现更精细的加工效果。因此，一时间，精细加工成为热点话题。 然而，真正做到精细加工是在飞秒激光下实现的，这也是我们说的第三阶段。我们首先来看激光与固体之间的相互作用机理： （1）激光首先激发的是固体的电子，在100飞秒的时间内电子吸收光子的能量而跃迁到高能级； （2）由于电子相对于晶格的温度更高，因此其处于非平衡态。为了达到平衡，电子会在1皮秒的时间内将能量传递给晶格； （3）在10皮秒的时间内，这些能量将被逐步传递到材料内部。
连续激光顾名思义 激光输出时间上时连续的 脉冲激光的输出是不连续的 商用的最短能到几飞秒的量级吧 所以脉冲激光常用于测量超快的物理过程。 但是连续激光也有好处 经过稳频 可以得到很窄的线宽 能用于激光测距 精细光谱。 两者峰值功率差很多 连续激光中比较好的半导体激光器能做到百W量级 而脉冲激光现在飞秒的能做到TW的量级 脉宽越短 热作用效应越少 精细加工 中都是用脉冲激光较多。 峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度 平均功率=单脉冲能量*重复频率 激光的脉宽是对脉冲激光器或准连续的激光器而言的 简单说可以理解为每次发射的一个激 光脉冲的作用时间或一个激光脉冲的持续时间。重复频率是每秒中激光器发射的脉冲数 如10Hz就是指一秒钟发射10个激光脉冲。但是每个激光脉冲的脉宽就因不同激光器而不同 是纳秒级的还是微妙级的还是毫秒级的。 就像上面朋友说的 有如下关系 峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度 平均功率=单脉冲能量*重复频率。 激光线宽是表征激光单色性的 线宽越窄 激光单色性越好 什么是连续激光和脉冲激光,区别在哪？ 发表日期：2016-06-21 文章编辑：廖浏览次数: 503 激光（英语： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER，或laser），港澳地区称“激光”、“雷射”，台湾地区称“雷射”、“镭射，是指通过受激辐射而产生，放大的光，即受激辐射的光放大。特点是单色性极好，发散度极小，亮度（功率）可以达到很高。产生激光需要“激发来源”，“增益介质”，“共振结构”这三个要素。 脉冲 就是隔一段相同的时间发出的波（电波/光波等等）等机械形式。 激光脉冲 指的是脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲，简单的说，好比手电筒的工作一样，一直合上按钮就是连续工作，合上开关立刻又关掉就是发出了一个“光脉冲”。用脉冲方式工作有它的必要性，比如发送信号、减少热的产生等。激光脉冲能做到特别短，譬如“皮秒”级别，就是说脉冲的时间为皮秒这个数量级，而1皮秒等于一万亿分之一秒(10E-12秒) 连续激光 激光泵浦源持续提供能量，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合脉冲激光
5．6 (3) 一．概述 (3) 1．飞秒激光脉冲的特性 (3) 2．飞秒脉冲的传输 (5) 3．光束空间传输 (6) 4．脉冲传输的数值模拟 (6) 5．时空效应 (9) 5.1自相位调制 (10) 5.2相位调制对有限光束的影响——自聚焦 (11) 二．飞秒光学 (13) 1．简介 (13) 2．色散元件 (13) 2.1 膜层色散 (13) 2.2 材料体色散 (13) 2.3 角色散元件 (14) 3．群速度色散的补偿及控制 (14) 4．聚焦元件 (16) 4.1 透镜的色差 (16) 4.2 脉冲畸变与PTD效应 (16) 三．飞秒激光器 (18) 1．锁模简介 (18) 2．克尔透镜锁模 (18) 3．飞秒激光振荡器 (20) 4．光纤孤子激光器 (21) 四．飞秒脉冲的放大与压缩 (23) 1．简介 (23) 2．飞秒脉冲放大的困难 (25) 3．啁啾脉冲放大技术 (26) 4．CP A放大器的设计 (27) 4.1 CP A激光系统的工作脉宽 (27) 4.2 高增益的前置放大器 (27) 4.3 装置的色散控制 (28) 4.4 设计多程CP A放大器的理论模型 (31) 五．脉冲整形 (34) 1．脉冲整形 (34) 2．飞秒光脉冲整形的物理基础 (34) (1)线性滤波 (34) (2)脉冲整形装置 (35) (3)脉冲整形的控制 (38) 3．几种典型的空间光调制器 (39) (1)可编程液晶空间光调制器(LC SLM) (39) A．电寻址方式 (39) B．光寻址方式 (40) (2)声光调制器 (41)
(3)变形镜 (41) 4．脉冲压缩 (42) 2.1 波导介质中的SPM (42) 2.2 级联非线性压缩脉冲 (43) 六．脉冲时间诊断技术 (45) 1．强度相关 (45) (1) 多次平均测量 (45) (2) 单次工作方式 (47) (3) 三次相关法 (48) 2．干涉相关 (49) 3．脉冲振幅与位相的重建 (50) 七．大口径高功率激光装置 (53) 1．高能量的PW钛宝石/钕玻璃混合系统 (55) 2．关键技术问题 (56) 2.1 高阶色散 (57) 2.2 光谱窄化和漂移引起的光谱畸变 (57) 2.3 非线性自位相调制SPM (58) 2.4 自发辐射放大ASE (58) 3．光参量啁啾脉冲放大(OPCPA) (58) 3.1 大口径高能钕玻璃泵浦的OPCPA 系统 (62) 3.2 小口径低能量高重复率OPCPA 系统 (63) 4．展望 (64) 4.1 峰值功率的理论极限 (64) 4.2 光学元件的限制 (65) 4.3 非线性B积分的限制 (65)
超强超快激光的特点及发展方向 ?激光作为20世纪人类最重要的科技发明之一，经过40年的发展，直接推动了一批新兴学科与高新技术的发展，如非线性光学、激光光谱学、强场物理、光通信、光计算、光信息存储、激光化学、激光医学、激光生物学、激光核聚变、激光分离同位素、激光全息术、激光加工等等。同时，激光技术也已经走进了人们的日常生活，如随处可见的CD唱机、VCD影碟机、超市收银机的条形码扫描仪、激光打印机等，无不采用先进的激光技术。激光的发展开拓了激光技术的应用，激光技术的应用又推动了激光科学技术的进一步发展。 激光科技的最新前沿之一是超强超快激光。超强即超高的功率和功率密度（指单位面积上的功率），目前一个激光系统甚至可产生高达1015瓦的峰值功率，而全世界电网的平均功率只不过1012瓦数量级；超快即极短的时间尺度，目前激光脉冲最短不过几个飞秒（10－15秒），光在1飞秒内仅仅传播 0.3微米。 近年来新型小型化超强超快激光技术的迅猛发展，为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件。这种在实验室中创造的极端物理条件，目前还只有在核爆中心、恒星内部、或是黑洞边缘才能找到。 在当今超强超快激光技术已经提供并将由于其进一步发展而能提供的越来越强并越来越快的光场条件下，激光与各种形态物质之间的相互作用，将进入到前所未有的高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快范围，并将进一步把光与物质的相互作用研究深入到更深的物质层次，甚至光与真空的相互作用，由此开创了超强超快激光这一全新的现代科学技术前沿领域。 超强超快激光物理与技术 输出功率大于1太瓦，脉宽小于1皮秒，可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超强超快激光的发展研究，是超强超快激光研究广泛深入开展的基础和推动力。 近十几年来，由于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, 简称CPA)技术的提出和应用，宽带激光晶体材料（如掺钛蓝宝石）的出现，以及克尔透镜锁模技术的发明，使超强超快激光技术得到迅猛发展。小型化飞秒太瓦（1012瓦）甚至更高数量级的超强超快激光系统已在各国实验室内建成并发挥重要作用。https://www.doczj.com/doc/797713546.html,/最近，更短脉冲和更高功率的激光输出，如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲，小型化飞秒100太瓦级超强超快激光系统，以及CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置上获得1拍瓦（1015瓦）级激光输出已有报道，激光功率密度达到1019～1020瓦/厘米2的超强超快激光与物质相互作用研究也已开始进行。 ?传统的激光放大采用直接的行波放大，而对超短激光脉冲来说，随着能量的提高，其峰值功率将很快增加，并出现各种非线性效应及增益饱和效应，从而限制了能量的进一步放大。 CPA技术的原理是，在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级，形成所谓的啁啾脉冲。这样，在放大过程中，即使激光脉冲的能量增加很快，其峰值功率也可以维持在较低水平，从而避免出现非线性效应及增益饱和效应，保证激光脉冲能量的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的能量之后，借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度，即可使峰值功率大大提高。深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机 为了突破CPA技术的一些局限性，目前国际上正在积极探索发展新一代超强超快激光的新原理与新方法，如啁啾脉冲光学参量放大（OPCPA）原理，目标是创造更强更快的强场超快极端物理条件，特别是获得大于（等于）1021瓦/厘米2的可聚焦激光光强。OPCPA充分发挥了啁啾脉冲放大与光学参量放大各自的优点，是国际上近年来提出的发展超强超快激光的全新技术途径。
第14卷 第4期强激光与粒子束V o l.14,N o.4 2002年7月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Ju l.,2002 文章编号:100124322(2002)0420516205 光参量啁啾脉冲放大增益特性研究① 黄小军, 张树葵, 袁晓东, 王晓东, 唐 军, 曾小明, 魏晓峰 (中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 通过对非线性三波耦合方程组进行数值求解,研究了光参量放大(O PA)的增益特性及饱和放 大特性。给出了泵浦光、信号光参数对参量增益的影响及其与晶体饱和长度的关系。结果表明:O PA具有传统 啁啾脉冲放大(CPA)系统所不具有的优点,将有可能取代传统的CPA系统而作为超短超强激光系统的新型前 端。 关键词: 啁啾脉冲;光参量放大;增益;饱和放大 中图分类号:TN24 文献标识码:A 近年来,超短超强脉冲激光技术的飞速发展,不但为X光激光、强场物理等研究领域提供了全新的实验工具,还为惯性约束聚变开辟了新的“快点火”途径[1]。啁啾脉冲放大(CPA)技术是产生超短超强激光脉冲有效的且是成熟的方法。世界上许多实验室都建立了多TW的CPA台面系统,有的甚至建立了大型(>100TW)的CPA超短脉冲激光装置。但是传统的CPA系统有自身难以克服的弱点,即放大后脉冲的本底强,信噪比低,这与强场物理研究中高信噪比打靶脉冲的需求相矛盾。 光参量啁啾脉冲放大(O PCPA)技术[2]是先将飞秒脉冲展宽至几百p s甚至n s以上,利用光波在非线性介质中的相互耦合提供增益而使种子光得到放大,它作为一种全新的超短脉冲放大途径,以其独特的优势引起了人们的广泛关注和研究。首先,O PCPA有很高的增益,且有非常宽的增益谱(>100nm);O PA仅在泵浦光的脉冲宽度内有增益,故放大后脉冲本底很小,放大脉冲的信噪比可比传统的CPA系统大大提高;O PA由光波间的耦合来提供增益,放大介质的热效应很小,放大光束基本没有热相位畸变等等。基于上述优点,O PCPA将可能是发展下一代超短超强脉冲激光装置的可选技术途径之一。 本文着重研究光参量放大过程的增益特性和饱和放大特性,研究了泵浦光和信号光初始参数对放大过程影响的定量关系,并给出了一个O PCPA的设计实例。 1 基本理论 光参量放大过程是三波在非线性介质中的耦合作用,通常是将一个强的泵浦光和一个弱的信号光同时入射到非线性晶体中,在满足相位匹配条件时,它们相互耦合产生一个差频光(空闲光),同时弱的信号光在此过程被放大,这就是所谓的光参量放大(O p tical Param etric Am p lificati on)。 光参量放大过程可用三波耦合波方程组来描述[2～5] (5 5z+ 1 v g1 5 5t+Α1)E1(z,t)=-i Ξ1d eff n1c E32(z,t)E3(z,t)exp(-i?kz)(1) (5 5z+ 1 v g2 5 5t+Α2)E2(z,t)=-i Ξ2d eff n2c E31(z,t)E3(z,t)exp(-i?kz)(2) (5 5z+ 1 v g3 5 5t+Α3)E3(z,t)=-i Ξ3d eff n3c 1 co s2ΒE1(z,t)E2(z,t)exp(i?kz)(3) 以上各式中:下标j=1,2,3分别代表信号光、空闲光和泵浦光;E,n,Α,Ξ分别代表三波的电场、折射率、损耗系数和光波频率;c是真空光速;z是光的传播方向;d eff代表有效非线性系数;Β是Poyting矢量的走离角;?k=k3 -k1-k2代表相位失配。 O PCPA中的信号光被展宽到n s或亚n s,泵浦光是n s脉冲,因此可认为各耦合波的群速度基本相等,即v g1≈v g2≈v g3。对方程(1)～(3)作如下的坐标变换,Φ=z,Σ=t-z v g,且在不考虑损耗情况下,可得如下的归一 ①收稿日期:2001210224; 修订日期:2002202217 基金项目:中国工程物理研究院重大基金资助课题(YJ201) 作者简介:黄小军(19742),男,硕士,主要从事超短脉冲激光放大及相关技术研究;绵阳9192988信箱。
超短脉冲激光提升微加工的速度与效率 在微加工领域，短脉冲、尤其是超短脉冲激光器正在取代传统的加工方法。对于超短脉冲激光器，得益于其冷烧蚀特性，因此其对所要加工的材料几乎没有任何限制。 在冷烧蚀过程中，材料的去除本质上只能通过化学键断裂来实现，因此其产生的热影响仅限于几微米的区域，并且相应的变形也最小。不幸的是，超短脉冲激光器的烧蚀速率仍然非常低，进而限制了其在工业领域的广泛应用。 金属材料的烧蚀阈值在0.2J/cm2的范围内，而玻璃和陶瓷的烧蚀阈值则在几个J/cm2的范围内。为了提高去除速率，可以使用具有较大聚焦口径的高脉冲能量，以在更大的区域内工作。在诸如玻璃或聚合物等透明材料加工应用中，可通过非线性效应（如多光子过程）来提高去除速率。此外，也可以提高重复频率。重复频率可以从100kHz到几兆赫兹，目前正在进行重复频率超过10MHz的研究。 FIGURE 1. 德国3D-Micromac公司举办的“ISL 2010激光微加工国际研讨会”现场 尽管传统的光纤激光器已经在工业环境中植根多年，但是飞秒光纤激光器在市场上仍然属于新事物。德国耶拿大学的Jens Limpert博士使用的超快光纤激光器，平均功率接近1kW，峰值功率在GW量级，重复频率在kHz到MHz的范围内。虽然超快光纤激光器已经能够达到上述较高的性能，但是其仍然具有很大的发展潜力。 除了单脉冲之外，另一种提高烧蚀速度的方式是采用所谓的脉冲猝发（burst）。以50MHz的脉冲序列为例，重复频率为500kHz的脉冲被提取出来并被放大。
“烧蚀效果与脉冲能量成对数关系。通过这种方式，可以将相同的总能量分配到几个脉冲中，然后通过脉冲叠加来达到更高的去除量。”Lumera Laser公司的Dirk Müller介绍说。实验已经证明5~10个脉冲的脉冲猝发是有效的，并且约为20ns的脉冲间隔也已被证明是有效的。然而，最终获得的去除质量在很大程度上依赖于所要处理的材料。 微结构的高效生产 在微加工领域享有盛名的方法包括EDM（放电加工）、微模压加工和光刻技术。EDM只适用于导电材料，并且速度缓慢；冲压模的制造成本较高；而光刻则需要高精密掩模，并且后续的刻蚀过程还对环境有很大的污染。相比之下，激光冷烧蚀加工不但能够实现与上述方法类似的加工精度，而且更具成本效益，同时也非常环保。最精细结构的冲压使得金属板材的加工更加容易，金属板材结构由模压辊制成。德国夫琅和费激光技术研究所（Fraunhofer-ILT）已经利用功率为100W、重复频率为3MHz 的皮秒激光器，获得了最佳的精细结构加工效果。 “在整个激光微加工过程中，CAD数据得到了精确的再现，没有熔化物飞溅以及其他废弃物，并且表面粗糙度小于0.5μm。”Fraun hofer-ILT烧蚀与焊接部门主管Arnold Gillner博士说（见图2和图3）。为了获得更好的加工效果，脉冲之间必须有10％~15％的重合，两条脉冲的刻线间则必须有10％的重合。 图2：由超快脉冲激光器加工的一个工具的局部图
半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏
内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 第一代超快激光器使用掺钛蓝宝石作为激光有源材料，于20世纪90年代早期被商业化推出。 1999年，诺贝尔化学奖被授予Ahmed Zewail教授，以表彰他在超短时间化学反应分析工作上取得的成就。在十年之内，从一种新技术发展到应用该技术且获得诺贝尔奖，这展示了超快激光器为科学领域带来的革命性变化。 在这十年间，尽管当时的激光器未能满足各种工业对它们在性能、成本、规格和可靠性方面的要求，但是超快激光器在新工业或医疗应用中的潜力已经显而易见。 2000年左右，采用掺镱激光材料和电信级半导体的新一代二极管泵浦超快激光器推向市场。这些紧凑型高功率、高度可靠性以及性价比高的超快激光源为快速扩展的市场拓展了工业应用。结果是，过去十年中，安装数量逐年翻番。 如今，业界已能提供商业工业超快激光器，具有从飞秒到皮秒级的大范围脉宽，平均功率范围几十瓦，能够用于苛刻的工业和医疗环境。 应用背景 超快激光器在极短时间内聚集脉冲能量，形成极高功率密度。紧凑型台式超快激光器提供的功率甚至可超越核电站。由于具有如此之高的功率，其激光可以加工几乎任何类型的材料，包括传统的、很难加工的材料，例如金属、陶瓷和玻璃。 另外，由于脉宽极小，加工期间几乎不产生多余的热量，这种无热加工的效果和质量极佳。另外，在进行微机械加工时，不会产生熔化、开裂、汽化或者其它有害散热。
啁啾脉冲高斯光束在自由空间的传输* 邹其徽, 吕百达 ( 四川大学激光物理与化学研究所四川成都 610064 ) 摘要基于瑞利衍射积分，使用复解析信号法推导出了啁啾脉冲高斯光束在自由空间中的传输方程及其傅里叶谱，给出了远场的光场和空间光强的解析式，研究了啁啾参数C对脉冲光束传输的影响。结果表明，当啁啾参数C较小时，随啁啾参数增加，其轴上光谱蓝移增加C2倍，其轴上谱线宽度增加(1+C2)1/2倍。随衍射角增大，轴外光谱红移比无啁啾参数时快。脉冲宽度较小时，啁啾参数增大，轴上光强增大，横向光强分布越集中于传输轴附近；脉冲宽度较大时，啁啾参数增大对横向光强的影响减小。啁啾参数的正负号不影响横向光强分布和光谱分布。 关键词激光光学；超短脉冲高斯光束；啁啾；复解析信号 中图分类号O435 文献标识码 A Propagation of ultrashort chirped pulsed Gaussian beams in free space Qihui Zou, Baida Lü （Institute of Laser Physics & Chemistry, Sichuan University, Chengdu 610064, China） Abstract Based on the Rayleigh diffraction integral and complex analytical signal representation, the free-space propagation equation and its Fourier spectrum for ultrashort chirped pulsed Gaussian beams are derived, and the far-field analytical electric field and spatial intensity are presented. The effects of chirp parameter on the spatiotemporal and spectral properties are illustrated with analytical formulas and numerical calculation results. It is found that if the chirp parameter C is relatively small, the on-axis spectral blueshifts increase by C2 times, the on-axis spectral bandwidth increases by (1+C2)1/2times, and the off-axis spectral redshifts also increase considerably. On-axis intensity increases with increasing chirp parameter for relatively small values of the pulse duration. The transversal intensity distribution remains nearly unchanged with increasing chirp parameter for relatively large values of the pulse duration. The sign of chirp parameters has no effect on the spectral distribution and transversal intensity distribution. Key words Laser optics ；Ultrashort pulsed Gaussian beam；Chirp；Complex analytical signal representation 1 引言 超短超强激光脉冲在自由空间、线性无损耗介质中和非线性色散介质的传输的研究引起了广泛的关注[1-4]，以初始源平面的时间波形为高斯脉冲[2,3]、泊松脉冲[5]、双曲正割脉冲[6,7]，洛仑兹脉冲[6]的研究居多。随着超短超强激光脉冲技术的发展，特别是啁啾脉冲放大(CPA)技术的应用，超短脉冲系统中啁啾脉冲的特性一直是所关心和重视的问题，研究啁啾脉冲[8,9,10]在真空或色散介质的时空和光谱特性在光通信等方面具实际应用意义。本文基于瑞利衍射积分，使用复解析信号法推导出了非近轴超短啁啾脉冲高斯光束在自由空间中传输的解析传输方程 *作者简介：邹其徽（1968—）男，四川人，四川大学在读博士研究生，主要研究方向为超短脉冲的传输与变换。 E-mail: qihui_zou@https://www.doczj.com/doc/797713546.html, Tel. (028)85412819.
超快激光技术及其应用 超快激光是激光中的一种，是脉冲波在fs量级上的激光。飞秒（fs）是极短的时间单位，即1015 s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已。在如此短的时间内产生的脉冲波，我们可以预料到一定有着许多有趣的性质，内为我们的科学实验带来许多帮助。 激光，顾名思义是“激发出来的光”，产生的物理基础是原子的受激辐射，这个过程是由爱因斯坦最早在1916年在理论上发现的。受激辐射概念刚提出时没有收到应有的重视，虽然1924年就有一位德国的科学家在实验上简介地证实了受激辐射的存在。但真正导致热门重新发掘受激辐射概念所隐含的巨大潜力是在二次世界大战之后，当人们企图将想干滇西波段从长波扩展到微波乃至光波是，发现只有借助于分子、原子这样的围观体系才能实现短波长的相干电磁波放大，爱因斯坦的受激辐射正是实现这种想干放大的物理机制。 要产生激光，需要解决两个矛盾。首先是受激辐射与受激吸收的矛盾。根据玻尔兹曼分布，热平衡的原子体系中总有低能级上的原子数多于高能级上的原子数，当光与体系发生相互作用时，由于吸收比受激发辐射显著，结果是将导致光信号的衰减。因此，产生激光的一个基本条件就是要实现体系中粒子数的反转。已处于粒子数反转的戒指叫做激活介质货增益介质，它具有对光信号的放大能力。为使粒子数反转，需一外界能源以适当的方式对原子体系产生作用（泵浦），此能源被称为泵浦源。产生激光所要解决的另外一个矛盾就是受激辐射与自发辐射的矛盾。在原子体系中，这两种过程同时存在，相互竞争。为产生激光，需使受激辐射处于优势地位。为此，需选择合适结构的光腔（或足够长的激活介质），在轴线方向的自发辐射通过反复增益获得较高的光场能量密度，从而得以受激辐射为主的输出。 激光与普通光源又极大的不同，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征。在加工、存储、医疗、通信、雷达、科研、国防等领域有着极为广泛的应用。而飞秒激光作为一种特殊的激光，在各种性质加强后经历了量变到质变的过程，有着更为奇特的性质。 飞秒激光不是一直发射的，而是每个一段时间T发射的一个包络。其脉宽极短，每个脉宽持续的时间都在飞秒量级。此外，飞秒激光不再是单色的了，而是
放大器论文半导体激光器论文 半导体激光器的历史状况及应用 摘要在近几十年来,半导体激光技术得到了十分迅速的发展,在现实生活中的很多领域都有十分广泛的应用,而且在未来的生活中也会扮演着重要的角色。本文主要介绍了半导体激光器的历史现状及现实生活中的应用,以此来说明半导体激光器的重要性。 关键词半导体激光器;历史状况;运用 0 引言 激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱) 等多种形式,制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺[5]。半导体激光器的应用范围十分广泛,而且由于它的体积小,结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点,使它已经成为当今光电子科学的 核心技术,受到了世界各国的高度重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管(LD)。随着半导体物理的发展,人们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器,是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962年7月召开的固体器
件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯(Keyes)和奎斯特(Quist)报告了砷化镓材料的光发射现象。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层,如GaAs,GaAlAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器(SHLD),它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内,以此来降低阀值电流密度的激光器。 1970年,人们又发明了激光波长为9 000?在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼铝砷)激光器.在半导体激光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器. 从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下,高功率半导体激光器(连续输出功率在100W以上,脉冲输出功率在5W以上,均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出已达到600W。另外,还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出光束进行调制。
半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验 进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热，因此半导体激光器在脉冲电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。在设计半导体激光器的脉冲驱动电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。 1 脉冲电源的仿真 在进行脉冲电源仿真时，同样选用的NI公司的这款Multisim10这款电路仿真软件。选用的器件是IRF530，信号源是5V，占款比为50%，频率为50Hz的方波信号源；用电阻1R代替半导体激光器、且将1R的阻值设置为1Ω，用Multisim10的自带示波器对电阻1R两端的电信号进行测量。 脉冲电源仿真 在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻1R上的电压进行采样，信号源选取的是输出5V方波的、频率是50Hz、占款比是50%的信号源。在进行仿真前、将示波器的A通道接在电阻1R的两端，对整个电路的电流信号进行监测。将示波器的B通道接在信号源的两端，对信号源的输出
电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。 根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻1R两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。仿真结果显示电阻1R的峰值电压是为1.145V，说明电路的峰值电流也是1.145A。 在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻1R两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。出现这样的结果主要是选取的信号源的频率过低，功率管IRF530完全可以做到对电路的开断控制。 以上仿真结果显示，当信号源的峰值电压是5V的时候，所对应的流过IRF530的峰值电流是1.145A。根据IRF530的输出特性，通过调节信号源的加载在IRF530GS V的电压就可以改变功率管IRF530的输出电流值，从而改变整个脉冲电源输出电流的值。 2 脉冲电源的设计 从上面的电路仿真可以看出，脉冲电源的设计主要是脉冲信号源的设计、电路的主体部分还是用IRF530来实现的，通过控制信号源的加载在GS V的电压来控制流通IRF530的电流。要调整输出电流信号的频率得通过信号源进行控制。 图 3-25 基于单片机脉冲电源
超短脉冲激光烧蚀技术应用探究 近年来随着超短脉冲激光烧蚀技术的发展，该技术被广泛应用于工业领域。短脉冲激光与物质相互作用时间介于纳秒与飞秒之间，其峰值功率可达兆瓦级，因此在加工中可应用于高精度、高硬材料的精细加工上，同时也可以实现材料的三维加工，该方式称为“冷”加工。文章旨在介绍超短脉冲技术的应用研究，使人们对该技术有一定的宏观认识。 标签：超短脉冲；激光烧蚀；应用探究；宏观认识 1 短脉冲激光器与金属相互作用理论 短脉冲诱导烧蚀材料的过程的建立需要一定的时间，并且与激光强度有直接关系。当脉宽给定时，只有当激光场的强度超过一定值时，形成的等离子体才能发生不可逆的损伤阈值，该阈值范围通常以激光的能流阈值表示。根据文献指出，脉冲宽度从连续到几十个皮秒范围内，烧蚀过程为离子雪崩过程，开始于内部电子。通过对超短脉宽烧蚀阈值的研究发现，当偏离了脉冲宽度平方根法则的时候，能量在很大范围内变动均可引起材料的烧蚀，如图1所示为超短脉冲激与金属作用的过程。 当前人们于超短脉冲激光烧蚀物质的机理和研究还没有获得完全的认知，研究的模型是将物质看做一个总体的系统去考虑，只有达到了该物质的沸点或熔点时，使得物质蒸发或者熔化而使材料被去除。应用傅里叶传热模型对上述过程可进行具体的描述，但是他不适用于描述和分析超短脉冲激光与金属薄膜或者介质膜的作用过程。原因是由于载流子的特征尺寸与膜层的厚度相当，同时其特征时间与传输能量的时间接近。 当超短脉冲激光与金属材料作用发生激光烧蚀时，材料的表面的电子吸收激光的能量后变为非平衡状态，发生了相互制约的现象。造成电子爆炸运动速度接近于费米速率。同时热电子通过碰撞作用使得内部电子获得加热，之后参与碰撞的电子达到短暂的呈费米分布的热平衡态。电子与晶格通过碰撞耦合效应，使得电子温度降低和晶格温度升高，最终电子温度与材料的晶格温度达到平衡。 2 短脉冲激光烧蚀研究方法 激光烧蚀的研究方法包括：实验方法测定，理论计算分析和数值模拟。实验方法能够准确的对后两种方法进行检验。但实验方法需要的成本巨大。理论计算分析和数值模拟方法是一种对于研究激光烧蚀问题的非常有的方法，其理论分析过程非常严谨，但是也存在一定的边界条件限制，需要进行相应的假设，处理问题的范围有限。但其可低成本、高精度模拟短脉冲烧蚀机理内的复杂问题，一直是各大科研院校应用的最广泛的方法。若条件允许会采用实验方法进行验证，不断修正算法达到近乎理想的模拟及精密数值计算水平。
半导体激光器调研报告 班级：电科 姓名：XXX 学号：20120xxx
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 仪器简介： 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P 型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 工作原理： 根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。 一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。 半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。 半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件： （1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数； （2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；
半导体激光器 半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器的分类 （1）异质结构激光器（2）条形结构激光器（3）AIGaAs/GaAs激光器（4）InGaAsP/InP激光器（5）可见光激光器（6）远红外激光器（7）动态单模激光器（8）分布反馈激光器（9）量子阱激光器（10）表面发射激光器（11）微腔激光器 半导体激光器 半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。激光二极体的优点是效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。 仪器简介
Q-Line纤绿半导体激光器 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器，一般是由GaAS(砷化镓),InAS（砷化铟），Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器. 工作原理及特点 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等。 封装技术 技术介绍 半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而半导体激光器封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。 发光部分 半导体激光器的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合