第三章3.1概述

第第3章章 典型激光器典型激光器3.1 概述概述3.2 气体激光器气体激光器3.3 固体激光器固体激光器3.4 染料激光器染料激光器(简介简介)补充介绍：陶瓷激光器补充介绍：陶瓷激光器由激光警示标志联想到？1、激光器内部：p激光产生的必要及充分条件？p对激光器的基本要求（基本组成部分）？2、激光器外部：p激光束具有哪些特性？特性之间的关系？p如何通过激光单元技术，获得更优质的激光束？p激光的主要应用领域？每章小结|习题与思考题 3.1 概述3.1.1激光器的基本结构及其泵浦方式一、激光器的基本结构二、激光器的泵浦方式激光器的分类及其主要输出特性 一、按工作物质划分二、按工作方式划分三、各类激光器的主要输出特点性1960年年世界上第一台红宝石激光器诞生。世界上第一台红宝石激光器诞生。梅曼梅曼和世界上第一台和世界上第一台 红宝石激光器红宝石激光器 图图3.13.1世界上第一台红宝石激光器基本结构世界上第一台红宝石激光器基本结构 （a a）结构图）结构图 （b b）外形图）外形图1961年年8月月我国研制的第一台激光器我国研制的第一台激光器诞生于中国科学院长春光机所。诞生于中国科学院长春光机所。设计师：设计师：王之江王之江研究员研究员我国第一台激光器名称：我国第一台激光器名称：小球照明红宝石激光器小球照明红宝石激光器球形照明红宝石激光器球形照明红宝石激光器我国第一台激光器我国第一台激光器比世界上第一台激光器比世界上第一台激光器在结构和性能上又前进了一大步！在结构和性能上又前进了一大步！主要表现在：主要表现在：1、氙灯为直管式，而非螺旋形；、氙灯为直管式，而非螺旋形；2、红宝石棒与氙灯并排放在球形、红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球心附近。聚光器的球心附近。上述结构可以获得更高的泵浦效率，上述结构可以获得更高的泵浦效率，至今固体激光器还大都采用这种结构至今固体激光器还大都采用这种结构 激光器的基本结构及其泵浦方式一、激光器的基本组成部分三部分三部分:工作物质工作物质 泵浦系统泵浦系统 谐振腔谐振腔结合图3.2激光器的基本结构，请同学们 进一步思考并回答前面提出的5个问题！图3.2激光器的基本结构 工作物质工作物质:实现粒子数反转实现粒子数反转,产生光的受激辐射产生光的受激辐射 放大作用放大作用;泵浦系统泵浦系统:为实现工作物质中的粒子数反转提为实现工作物质中的粒子数反转提 供所需的外界能量供所需的外界能量;谐振腔谐振腔 :(1):(1)为建立激光振荡提供正反馈为建立激光振荡提供正反馈;(2)(2)谐振腔的参数影响输出激光谐振腔的参数影响输出激光 束的质量束的质量选模作用。选模作用。二、激光器的主要泵浦方式工作物质工作物质类型不同类型不同,采用的采用的泵浦方式泵浦方式亦不同。亦不同。一般采用一般采用气体放电激励气体放电激励方式。方式。气体放电：气体放电：脉冲放电脉冲放电 射频放电等方式射频放电等方式 直流连续放电直流连续放电 辉光放电辉光放电:He-Ne:He-Ne激光器激光器 COCO2 2激光器激光器 弧光放电弧光放电:Ar:Ar+激光器激光器多采用多采用光泵浦光泵浦方式。方式。光泵浦：惰性气体放电灯泵浦：氙灯光泵浦：惰性气体放电灯泵浦：氙灯,氪灯；氪灯；激光泵浦：半导体激光二极管泵浦（激光泵浦：半导体激光二极管泵浦（LDLD）；）；N N2 2激光激光,YAG,YAG倍频光倍频光,准分子激光泵浦准分子激光泵浦 日光泵浦日光泵浦 采用采用注入电流注入电流方式泵浦。方式泵浦。主要采用主要采用光泵浦光泵浦：激光泵浦激光泵浦 闪光灯泵浦闪光灯泵浦化学能化学能激励。激励。为促成工作物质的化学反应为促成工作物质的化学反应,一般需采用一些引发措施一般需采用一些引发措施,如光引发、电引发、化学引发等。如光引发、电引发、化学引发等。主要采用主要采用磁场磁场泵浦方式泵浦方式 X X射线激光器射线激光器:光泵浦光泵浦,有有2 2种种X X射线泵浦源射线泵浦源;光参量振荡器光参量振荡器:激光泵浦激光泵浦;光纤激光器光纤激光器:半导体激光二极管泵浦。半导体激光二极管泵浦。3.1.2 激光器的分类及其主要输出特性激光器的分类及其主要输出特性一、一、按工作物质划分按工作物质划分典型器件典型器件 原子激光器原子激光器：He-NeHe-Ne激光器；激光器；分子激光器：分子激光器：COCO2 2激光器激光器,N,N2 2激光器；激光器；离子激光器：离子激光器：ArAr+激光器激光器,Cd,Cd+激光器激光器 准分子：准分子：XeFXeF*激光器激光器,KrF,KrF*激光器。激光器。工作物质工作物质 气体或金属蒸气。又可分为四类：气体或金属蒸气。又可分为四类：典型器件典型器件 红宝石激光器红宝石激光器 NdNd3+3+:YAG:YAG激光器激光器 钕玻璃激光器钕玻璃激光器 鈦宝石激光器鈦宝石激光器工作物质工作物质 固体基质材料中固体基质材料中+少量少量 金属离子（金属离子（CrCr3+3+,Nd,Nd3+3+等）等）工作物质工作物质 半导体材料，主要有以下三类半导体材料，主要有以下三类:A A-A A族族 化合物半导体化合物半导体(GaAs,InP(GaAs,InP等等)B B-A A族族 化合物半导体化合物半导体(CdS)(CdS)A A-A A族族 化合物半导体化合物半导体(PbSnTe)(PbSnTe)典型器件典型器件 GaAsGaAs激光器激光器,InP,InP激光器；激光器；CdSCdS激光器；激光器；PbSnTePbSnTe激光器激光器 工作物质工作物质在光纤中掺入某些激活离子，如：稀土离子或过渡在光纤中掺入某些激活离子，如：稀土离子或过渡元素离子，或者利用光纤自身的非线性效应制成。元素离子，或者利用光纤自身的非线性效应制成。工作物质工作物质 液体材料液体材料 主要有两类：有机化合物（染料）液体激光器：将有主要有两类：有机化合物（染料）液体激光器：将有 机染料溶解在一定的溶剂之中。机染料溶解在一定的溶剂之中。常用染料：常用染料：若丹明若丹明6G6G 隐花菁隐花菁 香豆素等香豆素等 无机化合物液体激光器无机化合物液体激光器典型器件典型器件若丹明若丹明6G6G染料激光器、染料激光器、BDNBDN染料激光器等染料激光器等工作物质工作物质 气体或液体（目前大多是气体）。气体或液体（目前大多是气体）。是利用化学反应来实现粒子数反转是利用化学反应来实现粒子数反转 从而产生受激辐射的。从而产生受激辐射的。典型器件典型器件 HFHF激光器，激光器，DFDF激光器，激光器，碘原子激光器等碘原子激光器等 工作物质工作物质 自由电子束自由电子束 自由电子激光器是将高能电子束自由电子激光器是将高能电子束 电子运动的动能转变为激光辐射电子运动的动能转变为激光辐射二、二、按工作方式划分按工作方式划分 两类两类:脉冲激光器脉冲激光器-脉冲输出脉冲输出 连续激光器连续激光器-连续波输出连续波输出三、三、各类激光器的主要输出特性各类激光器的主要输出特性1)1)波长覆盖范围宽波长覆盖范围宽:从紫外从紫外远红外整个光谱区远红外整个光谱区,谱线上万条谱线上万条;输出光束质量最高输出光束质量最高:其单色性及发散度均优于固其单色性及发散度均优于固 体和半导体激光器体和半导体激光器,是很好的相干光源是很好的相干光源;激光输出功率较大激光输出功率较大,即能连续又能脉冲工作即能连续又能脉冲工作;结构简单结构简单,造价低。造价低。波长主要分布在可见光波长主要分布在可见光近红外区域近红外区域,谱线数千条谱线数千条,鈦宝石激光器可实现波长调谐鈦宝石激光器可实现波长调谐;2)2)工作物质储能较大工作物质储能较大,较易获得大能量的激光输出较易获得大能量的激光输出;运行方式多样运行方式多样:脉冲脉冲,连续连续,调调Q,Q,锁模锁模;结构紧凑结构紧凑,牢固耐用牢固耐用,价格适中。价格适中。*超小型化超小型化:体积小重量轻体积小重量轻,一般激活面积一般激活面积0.50.5*0.5mm0.5mm2 2;*高转换效率高转换效率:能量转换效率能量转换效率30%;30%;*波长覆盖范围较宽波长覆盖范围较宽:可见光可见光(绿光绿光)远红外远红外(0.5-(0.5-3030m)m)*使用寿命长使用寿命长,结构简单结构简单:一般可达数十万乃至百万小一般可达数十万乃至百万小时以上。时以上。突出特点突出特点:(1):(1)激光波长可调谐激光波长可调谐,且调谐范围比且调谐范围比 较宽较宽(0.3-1.3(0.3-1.3 m),m),通过混频通过混频 等技术还可将调谐范围向紫外与等技术还可将调谐范围向紫外与 中红外范围扩展中红外范围扩展;(2)(2)可产生超短脉冲。可产生超短脉冲。无需外界提供泵浦能量无需外界提供泵浦能量,适于野外及无电源处适于野外及无电源处 工作工作;可获得高能量可获得高能量,高功率激光输出高功率激光输出;波长覆盖范围宽波长覆盖范围宽:紫外紫外红外。红外。激光波长范围连续可调谐激光波长范围连续可调谐,且调谐范围相当宽且调谐范围相当宽 (原则上可以从真空紫外原则上可以从真空紫外厘米波厘米波););器件内不会出现自聚焦等非线性光学损伤现象器件内不会出现自聚焦等非线性光学损伤现象,故能获得很高的激光输出功率故能获得很高的激光输出功率;能量转换效率高能量转换效率高:理论上可达到理论上可达到50%,50%,目前目前 实验室可做到实验室可做到10%10%光纤激光器特点：光纤激光器特点：能量转换效率高能量转换效率高,阈值低阈值低;工作物质可以很长工作物质可以很长,故总增益很高故总增益很高;有很宽的调谐范围。有很宽的调谐范围。陶瓷激光器特点：陶瓷激光器特点：激光陶瓷易实现大尺寸和高掺杂浓度；激光陶瓷易实现大尺寸和高掺杂浓度；(1)(1)高效率、大功率陶瓷激光器是未来发展方向。高效率、大功率陶瓷激光器是未来发展方向。激光器的激光器的分类分类 按工作物质划分按工作物质划分:七类七类(气体气体,固体固体,半导体半导体,液体液体,化学化学,电子电子,其它其它)按工作方式划分按工作方式划分:两种两种(脉冲脉冲,连续连续)激光器的激光器的特点特点 输出特性输出特性 波长覆盖范围波长覆盖范围;输出能量与功率输出能量与功率,能量转换效率能量转换效率;输出光束质量输出光束质量:束散角束散角,单色性等单色性等;运行方式运行方式:连续连续,脉冲脉冲.结构结构,价格价格,使用寿命使用寿命 激光器最基本的激光器最基本的 工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 谐振腔谐振腔 激光器主要的激光器主要的泵浦方式泵浦方式 气体放电激励气体放电激励 光泵浦光泵浦(闪光灯闪光灯,激光激光,日光日光)注入电流注入电流 化学能激励化学能激励 磁场泵浦磁场泵浦 热激励热激励重点：两类重点：两类 光泵浦光泵浦适用于适用于固体、染料激光器固体、染料激光器 电激励电激励之一：之一：气体放电气体放电适用于适用于气体激光器气体激光器；之二：之二：注入电荷注入电荷适用于适用于半导体激光器半导体激光器。请回答1.1.在日常生活中在日常生活中,你接触到和使用了哪些与激光器件你接触到和使用了哪些与激光器件有关的产品有关的产品?2.2.简述你所了解的激光在各领域应用的情况。简述你所了解的激光在各领域应用的情况。补充：关于激光技术补充：关于激光技术l调调Q技术技术l调制技术（请同学们自学）调制技术（请同学们自学）问题：为什么要调问题：为什么要调Q？谐振腔的品质因数谐振腔的品质因数Q Q：000222nLnLEcEQ每秒损耗的激光能量腔内存储的激光能量Q值与腔损耗及阈值反转粒子数密度的值与腔损耗及阈值反转粒子数密度的关系关系Q值与腔损耗成反比；值与腔损耗成反比；由阈值条件得：由阈值条件得：2A2c2121QgQAgncth光子在腔内的寿命，自发辐射几率，模式数，式中，谐振腔的损耗分类谐振腔的损耗分类谐振腔的主要损耗：谐振腔的主要损耗：反射损耗，记为反射损耗，记为 ；吸收损耗，记为；吸收损耗，记为 ；衍射损耗，记为衍射损耗，记为 ；散射损耗，记为；散射损耗，记为 ；输出损耗，记为输出损耗，记为 。1234554321则总损耗通过控制腔内的通过控制腔内的不同损耗，不同损耗，可获得可获得多种调多种调Q的的方法：方法：控制吸收损耗控制吸收损耗可饱和吸收染料调可饱和吸收染料调Q；控制反射损耗控制反射损耗电光调电光调Q、机械转镜调、机械转镜调Q控制衍射损耗控制衍射损耗声光调声光调Q；控制输出损耗控制输出损耗透射式调透射式调Q。调调Q激光器的特点激光器的特点1、工作物质：有高抗损伤阈值，激光上能、工作物质：有高抗损伤阈值，激光上能级寿命比较长；级寿命比较长；2、光泵浦速率：光泵浦速率应大于激光上、光泵浦速率：光泵浦速率应大于激光上能级的自发辐射速率；能级的自发辐射速率；3、Q值变化迅速值变化迅速突变。突变。激光巨脉冲建立过程激光巨脉冲建立过程图图 激光巨脉冲产生的时间过程激光巨脉冲产生的时间过程8.1带偏振器的带偏振器的Pockels电光调电光调Q激光器激光器 带偏振器的带偏振器的Pockels电光调电光调Q激光器示意图激光器示意图工作原理工作原理 利用利用KD*P晶体晶体 纵向电光效应。纵向电光效应。KD*P晶体的通光面与晶体的通光面与Z轴重合轴重合（Z0切割）。切割）。晶体上施加电压：晶体上施加电压：634V晶体上所加电压：晶体上所加电压：纵向运用的KD*P晶体/4波段电压V/2：320631263423.6 10(/)Vnm V调调Q激光器实际运用中的两个关键问题激光器实际运用中的两个关键问题第一，做好第一，做好“”试验；试验；第二，准确调整第二，准确调整的的。实验实验8任务任务 掌握电光Q开关的工作原理及调试方法（关门和延迟时间实验）；掌握KD*P晶体纵向运用的工作原理；测量固体激光器动态、静态输出能量，计算动静比：EE动 态 输 出静 态 输 出实验装置实验装置实验参数实验参数 激光电源电容C=80F