激光原理及应用实验讲义 -4个实验要点

实验一CO2激光器及激光扫描实验一、实验目的1、了解CO2激光器的工作原理及典型结构；2、掌握CO2激光器的输出特性；3、掌握CO2激光器的使用方法；4、掌握激光扫描及F-Theta镜的工作原理。

二、实验器材CO2激光管1支，激光电源1台，功率计1台，水冷系统1套，扫描系统1套，控制器1套，计算机1台三、实验原理1、CO2激光器工作原理CO2激光器的工作气体是CO2、N2和He的混合气体。

波长9-11um间，处于大气传输窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um）。

利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。

图1 CO2激光器典型结构CO2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。

放电管大多采用硬质玻璃(如GG)制成，放电管的内径和长度变化范围很大。

为了防止内部气压和气压比的变化而影响17器件寿命，放电管外加有贮气管。

为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。

激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。

CO2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。

CO2振动模型如图1所示。

激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程，分别输出10.6um和9.6um。

激光低能级100和020都可以首先通过白发辐射到达0l0，再次通过自发辐射到达基态000，但由于自发辐射的几率不大，远不如碰撞驰豫过程快，其主要的驰豫过程如图2。

分子反对称振动CO2分子振动模型图1 CO2图2 CO2分子能级跃迁过程其中前两个过程进行得很快，而后两个过程进行得很慢，故分子堆积在010能级上，形成瓶颈效应，而使粒子数反转减小，特别是温度升高时，由热激发而使010能级上分子增加，造成粒子数反转的严重下降，甚至停振，最后一个式子中的M代表辅助气体。

如果选择恰当的气体(常见的如H2O和H2)作为辅助气体，可促进010能级上分子的弛豫过程。

另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发，这就使器件的管壁不能太粗。

另外，为了增加气体的热导率，通过在气体中加入He气，可实现对放电管的冷却，同样使气体流动，都是降低温的好办法。

气体中一般还需要加入N2气，利用其v＝1能级与CO2分子的001能级相差较小，可以实现共振转移，选择性激励co2分子进入001态，特别由于N2气的v=1态不能通过自发辐射跃迁回带到基态，故增大了共振转移的几率。

泵浦过程： 1）电子碰撞激发e *+CO 2(0000)→CO 2(0001)+e受到电子碰撞的CO 2分子被激发到高振动激发态通过振动模间能量交换，被能级0001收集。

2）N 2分子共振能量转移电子碰撞激发N 2的振动能级的总截面很大。

N 2和CO 2的基态分子发生碰撞时，N 2将激发能量转移给CO 2分子，使之激发到0001能级。

N2作用类似He-Ne 中的He 。

激光下能级衰变慢，不利于抽空，He 与该能级CO 2分子碰撞使其衰变加快，利于下能级抽空，He 热导率高，利于把放电区剩余热量带走，避免热效应造成的下能级粒子数积累。

2、激光扫描工作原理激光打标是基于f-theta 镜的原理，将扫描振镜的转角信息转换成位移信息。

设F-θ透镜焦距为f '，总扫描角度为2θ，扫描场的覆盖长度为L 。

在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：H=f '.tg θ将此式两边对时间微分得：dt dH =dtd f θθ2sec ' 可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。

对F-θ透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为： H=f '.θ 这样：ωθ..f dtd f dt dH '='= 其中，ω是扫描元件恒定的角速度。

这样即可实现在L=2H=2f '.θ范围内的等速扫描。

这即是要求F-θ透镜故意产生正的畸变，当扫描角度θ增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的θθtg /倍，其线畸变为： ∆H=f '.tg θ-f '.θ=(f 'tg θθ-）其相对畸变为：100⨯-='θθθtg tg T D % 故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。

由于此镜头的像高等于f '·θ，故常简称为F-θ透镜。

四、 实验内容与步骤1、CO 2激光器工作特性1）开启水冷系统；2）将功率计探测面置于激光器输出光路；3）将激光电源的电流旋钮逆时针旋至零位；4）开启激光电源；5）顺时针微调激光电源电流旋钮；6）仔细观察放电管中的现象；7）在不同电流状态记录功率计功率显示，并画出P-I曲线；8）测量完毕后，将激光电源旋钮逆时针缓慢旋至零位；9）关闭激光电源；10）关闭水冷系统。

2、激光扫描实验1）开启计算机；2）打开激光打标软件；3）开启水冷机；4）在工作台上放置纸板；5）开启激光电源；6）在打标软件中输入文字，并点击打标；7）观测扫描振镜的变化情况及纸板上打出的标记。

五、思考题1、CO2激光器工作物质中N2的作用？2、f-theta镜是一个有畸变的光学系统，为什么能利用f-theta镜在一个平面内打出一个理想的标记？实验二 半导体激光器实验一、 实验目的1.了解半导体激光器的基本原理、结构、分类和基本特性；2.了解半导体激光器P 与I 、V 与I 的关系；3.掌握半导体激光器的光场特性；4.了解半导体激光器温漂特性；5.掌握半导体激光器的使用方法。

二、 实验器材边发射和面发射半导体激光器各1支，功率计1台，TEC 温控器1台，万用表1台，光谱仪1台，光场分布显示仪1台，连接导线 20根，滑动变阻器1只 三、 实验原理半导体激光器(激光二极管，Laser Diode)的具有波长可控、体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高和寿命长等优点。

半导体激光器的工作特质主要是III-V 族化合物半导体、IV-VI 族化合物半导体以及II-VI 族化合物半导体。

其振荡波长覆盖范围很宽，约从30μm （PbSnTe ）的红外波段到320nm （ZnS ）的紫外波段。

目前应用最多的材料是GaAs-AlGaAs （0.8-0.9μm ）InP-InGaAsP(1.3-1.35μm)和InP-InGaAs(1.5-1.65μm)材料。

半导体激光器的激励方式有：p-n 结注入电流激励、电子束激励、光激励、碰撞电离激励等。

PN 结在外加电压V=E g /e 时，平衡态破坏，多数载流子分别流入对方而变为少数非平衡载流子，（e 从N 区的导带注入到P 区与其中空穴复合，空穴从P 区的价带注入到N 区）非平衡载流子间的复合以光辐射形式放出即自发发射，自发发射光对腔模起到 “种子”的作用，价带电子吸收自发发射光子后跃迁到导带即受激吸收，若导带中电子在自发发射光子作用下与价带空穴复合发射出光子即受激辐射。

要使p-n 结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n 结的电流足够大（如30000A/cm 2）。

这样在p-n 结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

在简化的二能级系统中，高能级的载流子数大于低能级的载流子数就实现了载流子的反转分布，受激辐射将大于受激吸收而产生光学增益。

在半导体激光器中受激跃迁发生在被占据的导带电子态和价带空穴态之间，其跃迁发生在能量分布较广的能级之间，这时载流子反转分布的条件有所不同。

在一定温度T 时，电子占据导带和价带中某一能级E 的几率f e (E)和f v (E)满足费米-狄拉克分布，分别为⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-+=-+=)exp(1)()exp(1)(T E E a E f T E E a E f FV vFC e κκ式中E FC、E FV分别是导带和价带的准费米能级，R是玻尔兹曼常数。

若用能量为hν的光子束照射半导体系统，必然要引起光的受激辐射和吸收。

要使受激辐射大于受激吸收，也就是实现载流子反转分布，必须f C（E）＞fν（E-hν）即E FC-E FV＞hν＞Eg获得反转分布的一个简单方法，就是利用重掺杂p型和n型半导体构成p—n结，如图3所示。

零偏压时，两区有统一的费米能级，载流子处于热平衡状态，如图1。

当加上偏压V时，p-n结处于势垒降低，n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴，当hν=E FC-E FV≥Eg时，在结平面附近形成分布反转区，受激辐射占主导地位，可得到光量子的放大。

此分布反转区是激光器的核心部分，称为“激活区”，或“有源区”和其他激光器一样，要使受激辐射达到发射激光的要求，即达到强度更大的单色相干光，还必须依靠光学谐振腔的作用，并使注入电流达到一定的数值——阈值电流，使腔内的单程增益大于损耗，形成激光输出。

(a)零偏压(b)正偏压图1结型半导体激光器能带图图2、图3分别是边发射和面发射半导体激光器的基本结构，边发射半导体激光器是利用垂直于p-n结的两个相对的自然解理面组成谐振腔，而面发射半导体激光器是指从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器，它是利用平行于自然解理面的上下布拉格反射镜（DBR）构成的谐振腔。

图2 注入型半导体激光器的基本结构图3面发射半导体激光器基本结构P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。

在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，而且不易产生光信号失真。

并且要求P-I曲线的斜率适当。

斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。

一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，当电流大于Ith时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。

半导体激光器由于有源层模截面的不对称和很小的线度，其远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，这是因其发射区域小，引起了衍射效应所致。

图4是一个半导体激光器的典型远场辐射图，两个半功率强度点处的全角宽分别记为θ⊥和θ〃，为光束发散角。

图4 边发射半导体激光束光场特性四、实验内容与步骤1、半导体激光器P-I曲线和V-I曲线测量半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R上电压值。

电路中的驱动电流在数值上等于R两端电压与电阻值之比。

步骤：1）用万用表测出滑动变阻器R的精确值；2）按如图所示电路联结驱动源、滑动变阻器R和LD；3）用万用表测量滑动变阻器R两端电压U R，；4）根据电路中电流I=U R/R计算得出半导体激光器的驱动电流；5）然后用光功率计测得在此驱动电流下半导体激光器发出激光的功率P；6）改变滑动变阻器电阻值，重复步骤1）-5）测量不同电流情况下光功率，从而完成P-I特性的测试，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小，并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。