典型激光器

典型激光器几种重要的激光器固体激光器气体激光器光纤激光器半导体激光器化学激光器与染料激光器准分子激光器自由电子激光器固体激光器的特点体积小功率高稳定性较好光泵浦稳定性好寿命长可连续或脉冲工作脉冲固体激光器可达极高的峰值功率红宝石激光器激光器红宝石的组成:Cr3+:Al2O3基态为4A24F1,4F2为吸收带2E为亚稳态2E分裂为R1和R2，分别对应694.3nm和692.9nm的激光输出红宝石的吸收光谱红宝石激光器的构成红宝石激光器常用聚光腔结构红宝石激光器线宽和温度的关系低温下,红宝石的线宽主要表现为非均匀加宽较高温度下,红宝石的线宽主要表现为均匀加宽Nd:YAG晶体掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12）立方晶系熔点1970摄氏度密度4.56g/cm3莫氏硬度8.5折射率1.82热膨胀系数7.8x10-6/K热导系数 14W/m/K20oC 10.5W/m/K100oC受激辐射截面2.8x10-19cm-2寿命 550ms自发辐射寿命 230nm损耗0.003cm-11064nm泵浦光波长807.5nm吸收带宽1nm热致双折射：高损坏阈值750MW/cm21064nmNd:YAG能级示意图主要吸收带：0.53m 4I9/2-4G7/2+2G9/2 0.58m 4I9/2-4G5/2+2G7/20.75m 4I9/2-4F7/2+2S3/2 0.81m 4I9/2-4F5/2+2H9/20.87m 4I9/2-4F3/2主要发射带：870950纳米(4F3/2-4I9/2)、10501120纳米（4F3/2-4I11/2）13101350纳米（4F3/2-4I13/2）其中除4F3/2跃迁至4I9/2为三能级系统外，其余两种发射方式均为四能级系统。(a)红宝石线宽与温度的关系Nd:YVO4晶体四方晶系密度4.22g/cm3莫氏硬度：45热导系数：/C:0.0523W/cm/K C:0.0510W/cm/K热膨胀系数：a=4.43x10-6/K c=11.37x10-6/K受激辐射截面25x10-19cm21064荧光寿命90s吸收系数31.4cm-1810nm本征损耗0.02cm-11064nm增益带宽0.96nm1064激光偏振偏振，即平行于光轴（C轴）光光转换效率60%Nd:YVO4光学系数热致折射率变化：Sellmeier方程：Nd:YVO4晶体吸收和发射特性Nd:YAG,Nd:YVO4激光器泵浦方式端泵侧泵Nd玻璃能级结构与晶体相差不多钕玻璃更容易制造钕玻璃尺寸可更大掺杂性能更好荧光寿命更长Nd玻璃很适合用于超大功率激光器的制备玻璃很适合用于超大功率激光器的制备神光II神光II神光系列1964年，王淦昌提出激光聚变倡议1973年，上光所完成万兆瓦钕玻璃激光器1985年，激光12号建成并运行1986年，张爱萍为激光12号题词“神光”，“神光”正式使用，该装置正式成为“神光I”1994年，神光I退役，神光II立项1995年，神光III开始计划2000年，神光II开始试运行打靶2004年，神光II装置突破100万亿瓦2006年，神光II开始第9路建造2007年，神光III奠基2011年，神光III开始运行神光II激光净口径：240mm可输出1ns与100ps两种脉宽可输出1.053m、0.53m和0.35m输出能量达6kJ/1ns1.053m共8路输入（第9路也完成调试）神光III晶体达380mm计划60束激光输入计划紫外激光能量为60KJ总占地28154m2钛宝石钛宝石通常为在Al2O3晶体内掺入0.1%的Ti3+离子制成，Ti3+离子取代晶体内的Al3+离子的位置，整个晶体呈蓝色，故有时也称为掺钛蓝宝石；钛宝石的激光跃迁发生在2E激发态到2T基态之间，为四能级系统。钛宝石的受激发射截面和Nd:YAG相当，但其能级寿命仅为3.2m，因此，为了获得较高的上能级粒子数积累，通常需要采用亮度较强的脉冲光源进行泵浦。钛宝石激光器钛宝石的吸收峰值功率位于500nm附近，这类激光器通常采用倍频掺钕固体激光器（532nm）进行泵浦。飞秒钛宝石激光器飞秒钛宝石激光器几种比较重要的固体激光器可调谐紫翠金绿宝石激光器*Ho激光器Tm激光器气体激光器线宽较小，单色性较好光束质量较好频率稳定性较好输出功率和气体室长度关系密切He-Ne激光器He-Ne激光器谐振腔He-Ne激光器输出波长：0.6328m1.15 m3.39 mHe-Ne激光器放电电流、气压和输出功率的关系He-Ne激光器在可见波段有输出输出功率一般仅为几个毫瓦或数十个毫瓦线宽基本是多普勒加宽线宽非常窄，约1.5GHz当激光器腔长为1015cm时，仅含2个模式CO2激光器输出为10.6 m的远红外激光输出功率很大转换效率较高需要散热系统可连续工作或脉冲工作放电管比He-Ne激光器粗CO2激光器一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管CO2能级示意图CO2激光器工作原理与He-Ne激光器类似，CO2激光器也不是单类气体运转，通常混合N2气与He气，有时也混合极少量H2气或Xe气，在这些混合气体中，CO2一般占1020%，N2占1020%，剩下的多为He气，其辅助气体其能量转换和导热作用与He-Ne激光器不同，CO2激光器的能量是利用分子的振动-转动能级间跃迁产生的，故其输出谱线较为丰富CO2的工作原理CO2的激发过程可分为三种：电子碰撞激发、级联跃迁和共振转移，其中共振转移是激发CO2气体最重要的途径，即CO2分子的激发主要依靠分子之间的碰撞来完成，因此，考虑到CO2的输出激光频率较低，其多普勒加宽效应较小，所以在谱线加宽机制中，由碰撞加宽占有主导的地位。由于CO2工作在远红外波段，故CO2激光器的一段通常采用镀金反射镜，而另一端采用半导体材料CO2激光器工作原理CO2气体实现粒子数反转的过程如下：首先，电子将能量转移到N原子，并使得N2分子的振动状态处于激发状态，并且该激发状态可以存在较长的时间；第二步，受激N2分子与CO2分子发生碰撞，并将N2分子的振动能量传递给CO2分子，完成能量的转移；最后，CO2分子与冷却作用的He原子作用，实现振动能级的跃迁，在这个跃迁过程中，能量将以光子的形式辐射出。从CO2激光器的工作过程来看，很大部分能量最终被转移到He原子，并使He气发热，因此，如果要保持这个过程的持续运转，CO2激光器必须予以足够的冷却设备 CO2分子的振动方式两个氧原子沿分子轴向相反方向振动，碳原子不动-对称振动两个原子垂直于分子轴向相同方向振动，而碳原子向相反方向运动-变形振动三个原子沿对称轴振动，其中碳原子和两个氧原子振动相反-反对称振动不同的振动形式确定了不同组别的能级不同的振动形式确定了不同组别的能级Ar+激光器氩离子激光器是以离子态为工作物质，目前已知氩离子激光器具有35条以上的工作谱线，其中25条在408.9686.1nm的可见光波段内，10条在275363.8nm范围内的紫外光。这些输出激光光谱内，以488.0nm和514.5nm最强氩离子激光器常用输出波段457.9nm(8%)、476.5nm(12%)、488.0nm(20%)、496.5nm(12%)、501.7nm(5%)、514.5nm(43%)氩离子激光器的输出功率氩离子激光器在可见光波段是连续运转输出功率最高的气体激光器，但由于气体的电离度不高，且量子效率较低，故转换效率并不高，一般仅万分之一左右氩离子激光器输出功率和电流的关系氩离子激光器输出功率与气压的关系氩离子激光器的运用焊接视网膜作为染料激光器的泵浦源倍频后用于光刻、光纤光栅制作其它气体激光器与输出波长CO激光器：68m，冷却条件下工作N2激光器：337.1nm氦镉激光器：442nm和325nmKr离子激光器：350.7nm,356.4nm,476.2nm,482.5nm,520.6nm,530.9nm,586.2nm,647.1nm,676.4nm,752.5nm,799.3nm铜蒸汽激光器：510.6578.2nm准分子激光器准分子激光器是指这么一类激光器，其工作物质多由稀有气体构成，在通常情况下，这些气体都以原子的形式存在，在在受到诸如电激发之类的能量激发时，会在很短的时间内形成“分子”，准确地说，分子的说法并不准确，更为准确的说法是受激二聚物或成为伪分子，受激的分子在以光子的形式释放掉多余的能量后，进入到基态，但这种基态的分子并不稳定，会迅速地瓦崩回独立的原子态。常见准分子激光器准分子输出波长Ar2*126nmKr2*146nmXe2*172和175nmArF193nmKrF248nmXeBr282nmXeCl308nmXeF351nmKrCl222nm准分子用途眼科手术皮肤病治疗芯片制备业眼科激光手术(LASIK)注意事项视力检查：包括不戴镜视力和戴镜最佳矫正视力。屈光检查：包括初检、散瞳验光和复验三个步骤。验光度数正确与否直接影响手术效果。眼前节及眼底检查：重点检查角膜透明度是否有疤痕，晶体是否浑浊，眼底检查是否有玻璃体浑浊、眼底病变等。眼压检查：以排除高眼压和青光眼的可能性。角膜曲率检查：排除圆锥角膜及扁平角膜可能性。角膜测厚：对角膜中心厚度低于500者，如果病人是高度近视，应注意角膜中心切削深度，术前向患者说明有关情况。角膜地形图检查：主要目的是对整个角膜表面的规则性和对称性有所了解，除外各种异常因素。术前停戴隐形眼镜二周适合与不适合LASIK的人群适合接受准分子激光治疗的人为：18周岁至50周岁，近两年度数稳定的近视眼150度至2000度、或合并散光100度至400度、及远视200度至800度均适合治疗。眼部患感染性炎症、圆锥角膜、青光眼、白内障、眼底病变等，或有糖尿病、胶原性疾病等全身性疾病的人不适合准分子激光治疗LASIK警告18周岁以下的青少年正处于身体生长期，眼睛屈光度不稳定，若盲目接受手术，一二年后视力极有可能回退，严重影响预期的疗效。为确保安全和有效，准分子激光治疗近视眼要求患者术前屈光状态稳定，矫正视力达到0.5以上。金绿宝石激光器金绿宝石是在BeAl2O4基质材料中掺Cr3+形成的，在700800纳米范围内可调谐Ho激光器Ho激光器以YAG为基质材料，激活离子为Ho，通常还掺入敏化元素Cr，传能离子Tm，即工作物质表示为Cr:Tm:Ho:YAG。Ho激光器的典型输出波长为2.1微米Ho激光特性利用氪灯泵浦，输出多为脉冲输出波长2.1微米在人体内穿透深度很低，仅数百微米可用于治疗结石具有凝血功能Ho激光在医学中运用中的优点对周围正常组织损伤小，术后反应轻，伤口愈合快，疤痕也小止血效果好，止血时间是电刀的十四分之一，止血效果是电刀的24倍。因此，可望达到术中极少出血甚至无血手术。手术野无渗血且清晰可辨，还可大大缩短手术时间激光可用光纤传输，可与各种内窥镜或穿刺针联合使用激光手术对术中的各种监护仪器无干扰