激光器介绍分解课件

激光原理与技术（第三章）第三章第三章 典型激光器典型激光器3.1 概述概述物理与电子工程学院3.1.2 激光器基本结构激光器基本结构3.1.2 激光器分类激光器分类l按激光工作物质分按激光工作物质分气体激光器固体激光器液体激光器（代表染料激光器）半导体激光器（LD）光纤激光器化学激光器自由电子激光器X射线激光器激光原理与技术物理与电子工程学院3l按化学组成分按化学组成分原子激光器分子激光器离子激光器自由电子激光器准分子激光器 (p102)激光原理与技术物理与电子工程学院4l按激光运转方式分按激光运转方式分连续脉冲l单脉冲l重复频率l准连续激光原理与技术物理与电子工程学院5l按激光调制方式分按激光调制方式分自由运转调Q锁模稳频可调谐激光原理与技术物理与电子工程学院6l按谐振腔类型分按谐振腔类型分平面腔球面腔激光原理与技术物理与电子工程学院7 3.2 气体激光器气体激光器l工作物质：气体；工作物质：气体；l特点：工作物质数目最多、激励方式最多样化、激光发射特点：工作物质数目最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广波长分布区域最广l分类：原子气体、分子气体和电离化离子气体，分别称为分类：原子气体、分子气体和电离化离子气体，分别称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。激光原理与技术物理与电子工程学院3.2.1 气体放电激励基础气体放电激励基础8 产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体主要是几种惰性气体（如氦、氖、氩、氪、氙等），有主要是几种惰性气体（如氦、氖、氩、氪、氙等），有时也可采用某些金属原子（如铜、锌、镉、铯、汞等）时也可采用某些金属原子（如铜、锌、镉、铯、汞等）蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器的典型蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器的典型代表是氦一氖气体激光器。代表是氦一氖气体激光器。激光原理与技术物理与电子工程学院原子气体激光器：原子气体激光器：9 产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的主要分子气体工作物质有主要分子气体工作物质有CO2、CO、N2、H2、HF和和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化碳水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化碳（CO2）激光器的氮分子（）激光器的氮分子（N2）激光器。）激光器。激光原理与技术物理与电子工程学院分子气体激光器：分子气体激光器：10 是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表型器件是氩离子（型器件是氩离子（Ar+）激光器、氪离子（）激光器、氪离子（Kr+）激光器以及氦一镉离子激光器等。激光器以及氦一镉离子激光器等。离子气体激光器：离子气体激光器：激光原理与技术物理与电子工程学院11气体激光器的激励方式气体激光器的激励方式气体放电：气体放电：在高电压作用下，气体分子（或原子）发生在高电压作用下，气体分子（或原子）发生电离而导电。电离而导电。l直流连续放电直流连续放电（辉光放电：高电压小电流，如（辉光放电：高电压小电流，如He-Ne,CO2；弧光放电：小电压大电流，如弧光放电：小电压大电流，如Ar+）l高频放电高频放电(射频气体放电射频气体放电)l脉冲放电脉冲放电（如准分子激光器，脉冲辉光放电和脉冲（如准分子激光器，脉冲辉光放电和脉冲弧光放电；直流脉冲放电和脉冲交流放电；短脉冲弧光放电；直流脉冲放电和脉冲交流放电；短脉冲放电和长脉冲放电）放电和长脉冲放电）激光原理与技术物理与电子工程学院12工作物质被激发的过程和类型工作物质被激发的过程和类型l第一类非弹性碰撞：快速电子于气体粒子碰撞：Ae(快速)Ae(慢)Ae(快速)Ae(慢)l第二类非弹性碰撞：共振能量转移、电荷转移和潘宁效应共振能量转移：A B A BE 电荷转移：A B A B E 潘宁效应：A B A B E激光原理与技术物理与电子工程学院13l气体原子激光器l输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um等，以632.8nm为最常见。l功率在mW级，最大1Wl光束质量好，发散角可小于1mradl单色性好，带宽20Hzl稳定性高l应用很广泛：测量，激光照排，激光治疗 激光原理与技术物理与电子工程学院3.2.2 He-Ne激光器激光器14He-Ne激光器三个部分组成激光器三个部分组成 l能实现粒子数反转的工作物质(He-Ne气体)：l激励能源：高压放电后，电子撞击工作物质而实现粒子数反转l光学谐振腔：（凹）反射率接近100，即完全反射，另一个（平）反射率约为98 激光原理与技术物理与电子工程学院15一、一、HeNe激光器的结构激光器的结构l由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。谐振腔组成。l放电管是心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管放电管是心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。和贮气室构成。l放电管中充入放电管中充入He:Ne=5:110:1，当电极加上高电压后，当电极加上高电压后，气体放电使氖原子受激，产生气体放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室粒子数反转。贮气室lHeNe激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。射率高和溅射率小的铝及其合金制成。激光原理与技术物理与电子工程学院16按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。式和半内腔式。HeNe激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约为输出端，透过率约1%2，凹面镜为全反射镜。，凹面镜为全反射镜。激光原理与技术物理与电子工程学院17l内腔式内腔式:优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。缺点是在工作过程缺点是在工作过程中放电管受热变形时中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。稳定性件损耗增加，输出下降。稳定性,阴极溅射物质污染窗片阴极溅射物质污染窗片,寿命低寿命低l外腔式外腔式:优点优点:谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。线偏谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。线偏振的激光振的激光.缺点：反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要缺点：反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要调整，使用不方便调整，使用不方便.体积大，安装不方便，易破碎。体积大，安装不方便，易破碎。激光原理与技术物理与电子工程学院18 二、氦和氖原子的能级图二、氦和氖原子的能级图lHe原子有两个电子，基原子有两个电子，基态态:1S0,He受激时，一个受激时，一个电子从电子从1S激发到激发到2S，成，成为激发态。为激发态。He原子有两原子有两个亚稳态能级，分别记个亚稳态能级，分别记为为23S1、21S0。lNe原子有原子有10个电子，基个电子，基态态:1S0；电子分布电子分布1S22S22P6,激发态激发态:1S、2S、3S、2P、3P等，等，它们对应的外层电子组它们对应的外层电子组态分别为态分别为2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。激光原理与技术物理与电子工程学院19 三、三、HeNe激光器的激发过程激光器的激发过程l在在HeNe激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：下：l 第一是共振转移。由能级图可见，第一是共振转移。由能级图可见，He原子的原子的21S0、23S1态分别与态分别与Ne原子的原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达能量转移，并且转移几率很高，可达95%l第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。得多。l第三是串级跃迁，第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到再跃迁到2S和和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。小。激光原理与技术物理与电子工程学院20电子碰撞激发电子碰撞激发管壁效应管壁效应自发辐射自发辐射632.8nm共共振振转转移移s2s1Nes3s12s32Hep2p3激光原理与技术物理与电子工程学院21l 根据能量跃迁选择定则，根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即其中最强的谱线有三条，即0.6328um、3.39um和和1.15um，对应跃迁能级分别为，对应跃迁能级分别为3S22P4,3S23P4和和2S22P4。2P和和3P态，不能直接向基态跃迁，而向态，不能直接向基态跃迁，而向1S态态跃迁很快。跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能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。这就是为什么自己回到基态。这就是为什么HeNe激光器中要有一根激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。内径较细的放电管的原因。l 从能级图可见，从能级图可见，HeNe激光器是典型的四能级系统。激光器是典型的四能级系统。激光原理与技术物理与电子工程学院22 四、四、HeNe激光器的输出特性激光器的输出特性l(1)谱线竞争谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线：激光器三条强的激光谱线：3S2P 0.6328 m ，2S2P 1.15 m ，3S3P 3.39 m 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔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。介质膜反射镜的波长选择。0.6328um和和3.39umm两条激两条激光谱线有共同的激光上能级光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系数比较高而后者增益系数比较高,如如果不进行抑制果不进行抑制,则则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的大量的3S2态原子。抑制态原子。抑制3.39um辐射辐射l(2)输出功率特性输出功率特性 P114图图3.8,3.9,3.10激光原理与技术物理与电子工程学院23激光原理与技术物理与电子工程学院24激光原理与技术物理与电子工程学院253.2.3 CO2激光器lC02激光器的主要特点是输出功率大激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高能量转换效率高,输输出波长出波长(10.6um)，激光加工、医疗、大气通信及其他军，激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。事应用。以以C02、N2、CO、He等等的混合气体为工作物的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在质。激光跃迁发生在C02分子的电子基态的两个振动分子的电子基态的两个振动-转转动能级之间。混合气体的作用是提高激光器的输出功率动能级之间。混合气体的作用是提高激光器的输出功率和效率。和效率。l气体激光器，分子激光器,波长 911um，最常见10.6um,效率高,光束质量好,功率范围大（几瓦几万瓦）,运行方式多样,结构多样：封闭型，流动型，大气压型，气动型，波导型激光原理与技术物理与电子工程学院26一、一、CO2激光器的结构激光器的结构典型的结构示意图。构成典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。激光原理与技术物理与电子工程学院27CO2激光器工作原理对称对称振动振动形变形变振动振动反对反对称振称振动动激光原理与技术物理与电子工程学院28二、二、CO2激光器的激发过程激光器的激发过程C02激光器中激光器中,通过以下三个过程将通过以下三个过程将C02分子激发到分子激发到0001能级能级 1.直接电子碰撞直接电子碰撞 电子与基态电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过程可表分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过程可表示为示为 C02(0000)+e C02(0001)+e 2.级联跃迁级联跃迁 电子与基态电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到分子碰撞使其跃迁到000n能级能级,基态基态C02分子与高能级分子与高能级C02分子碰分子碰撞后跃迁到激光上能级撞后跃迁到激光上能级,此过程可表示为此过程可表示为 C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1)3.共振转移共振转移 由于由于N2分子分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿命较长的亚的振动能级。这是一个寿命较长的亚稳态能级，因而可积累较多的稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态分子，基态CO2分子与亚稳态分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程可表示为跃迁到激光上能级。这一过程可表示为 C02(0000)+N2(v=1)C02(0001)+N2(v=0)激光原理与技术物理与电子工程学院29C02分子分子0001能级与能级与N2分子分子v=1能级十分接近能级十分接近,能量转移十分迅速。此外能量转移十分迅速。此外,N2分子的分子的v=24能级与能级与C02分子分子00020004也十分接近也十分接近,相互间也能发生共振转移相互间也能发生共振转移,处于处于00020004的的C02分子与基态分子与基态C02分子碰撞可将它激励至分子碰撞可将它激励至0001能级。能级。在以上三种激发途径中在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大共振转移的几率最大,作用也最为显著。作用也最为显著。C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。体分子间的碰撞。一旦实现了一旦实现了(0001)与与(1000)、(0200)之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生生:00011000跃迁产生跃迁产生10.6um波长的激波长的激光光光光00010200跃迁产生跃迁产生9.6um波长的激光。波长的激光。由于以上跃迁具有同一上能级由于以上跃迁具有同一上能级,而且而且00011000跃迁的几率大得多跃迁的几率大得多,所以所以C02激光激光器通常只输出器通常只输出10.6m激光。若要得到激光。若要得到9.6um的激光振荡的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制长选择元件抑制10.6um激光振荡。激光振荡。激光原理与技术物理与电子工程学院30上能级的激发上能级的激发下能级的激发下能级的激发弛豫过程弛豫过程辅助气体辅助气体N2 CO He Xe H2 H2O各作用见各作用见P125激光原理与技术物理与电子工程学院31三、三、COCO2 2激光器的输出特性激光器的输出特性 相应于相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。比有关。实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。例如：管径为例如：管径为 2030mm 时，时，最佳放电电流为最佳放电电流为3050mA 管径为管径为5090mm 时，时，最佳放电电流为最佳放电电流为120150mA(1)放电特性放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就这就是说，将有是说，将有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分子的分解，降低放电管内的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。分子浓度。(2)温度效应温度效应 激光原理与技术物理与电子工程学院32CO2激光器类型激光器类型(P127-131)l封离型纵向激励CO2激光器(P122)l高功率轴快流CO2激光器l高功率横流CO2激光器l横向激励高气压CO2激光器（TEA）l波导CO2激光器激光原理与技术物理与电子工程学院33CO2激光器运行方式激光原理与技术物理与电子工程学院343.2.4 Ar离子激光器离子激光器l气体离子激光器l主要波长488 nm，514.5 nml常见功率几十瓦，最高500 Wl能量转换效率低激光原理与技术物理与电子工程学院35一、一、ArAr激光器的结构激光器的结构 Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。分组成。如图如图所示为石墨放电管的分段结构所示为石墨放电管的分段结构 。激光原理与技术物理与电子工程学院 1-石墨阳极，石墨阳极，2-石墨片，石墨片，3-石英环，石英环，4-水冷套，水冷套，5-放电管，放电管，6-阴极，阴极，7-保热瓶，保热瓶，8-加热灯丝，加热灯丝，9-布氏窗，布氏窗，10-磁场，磁场，11-储气瓶，储气瓶，12-电磁真空充电磁真空充气瓶阀，气瓶阀，13-镇气瓶，镇气瓶，14-波纹管，波纹管，15-气压检测器气压检测器。36二、二、ArAr激光器的激发机理激光器的激发机理 Ar激光器与激光辐射有关的能级结构激光器与激光辐射有关的能级结构如图所如图所示示 Ar+激光器的激活粒子是激光器的激活粒子是Ar+，Ar+激光器的激发过程分两步进行：激光器的激发过程分两步进行：通过通过气体放电，将氩原子气体放电，将氩原子Ar电离电离,再通过再通过放电激励将放电激励将Ar+激发到激光上能级激发到激光上能级 图为图为Ar+离子与激光产生过程有关的离子与激光产生过程有关的能级图。中性能级图。中性Ar原子在放电过程中，与原子在放电过程中，与快速电子碰撞后电离快速电子碰撞后电离,形成处在基态形成处在基态P5上上的的Ar+离子。该基态离子。该基态Ar+离子再与高速电离子再与高速电子碰撞，被激发到高能态。当激光上下子碰撞，被激发到高能态。当激光上下能级间产生粒子数反转时，即可生产激能级间产生粒子数反转时，即可生产激光。光。激光原理与技术物理与电子工程学院37 激光跃迁上能级激光跃迁上能级(3P44P)粒子的积粒子的积聚主要通过三种途径实现聚主要通过三种途径实现:(1)基态基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到与电子碰撞后直接跃迁到3P44P 能级能级;(2)基态基态Ar+与电子碰撞后跃迁至高于与电子碰撞后跃迁至高于3P44P 的其他能级的其他能级,再通过级联辐射跃迁再通过级联辐射跃迁至至3P44P 能级能级;(3)基态基态Ar+和电子碰撞跃迁至低于和电子碰撞跃迁至低于3P44P 的亚稳态能级后再次与电子碰撞的亚稳态能级后再次与电子碰撞并跃迁至并跃迁至3P44P 能级。能级。由于由于Ar原子的电离能量原子的电离能量(15eV)和和激光跃迁上能级的激发能量激光跃迁上能级的激发能量(20eV)较较高高,正常运转所要求的平均电子动能正常运转所要求的平均电子动能(电电子温度子温度)很高。为了提高电子温度很高。为了提高电子温度,氩离氩离子激光器中的充气压强一般在子激光器中的充气压强一般在150Pa以以下。但低压强意味着下。但低压强意味着Ar原子密度小原子密度小,为了为了提高电离和激发速率提高电离和激发速率,必须增加放电管内必须增加放电管内的电子密度。的电子密度。激光原理与技术物理与电子工程学院38三、三、Ar激光器的工作持性激光器的工作持性(1)多谱线工作多谱线工作 激光跃迁发生在激光跃迁发生在Ar+的电子组态的电子组态3P44P和和3P44S之间。前者的寿命约为之间。前者的寿命约为10-8s,后者通过自发辐射迅速消激发后者通过自发辐射迅速消激发,其寿命约为其寿命约为10-9s。由于。由于3p44P和和3P44s电子组态均电子组态均对应若干子能级对应若干子能级,所以连续工作的氩离子激光器可产生所以连续工作的氩离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线条蓝绿激光谱线,对应每条对应每条谱线都有一个阈值电流谱线都有一个阈值电流。其中以其中以488nm和和514.5nm谱线最强。在谐振腔内插入谱线最强。在谐振腔内插入棱镜等色散元件棱镜等色散元件,可以获得单谱线激光。可以获得单谱线激光。(2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同。同。放电电流较小时输出功率与放电电流较小时输出功率与放电电流成四次放电电流成四次方的关系，随着放电电流的增大，输出功率与方的关系，随着放电电流的增大，输出功率与放电电流成平方的关系。这是因为，随着电流放电电流成平方的关系。这是因为，随着电流密度的增大，使气体温度升高，激光谱线变宽，密度的增大，使气体温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长的速度变慢。因而其增益随电流增长的速度变慢。激光原理与技术物理与电子工程学院393.2.5 准分子激光器准分子激光器l准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子l高重复率l可调谐l量子效率高l波长短，紫外到可见区主要的准分子激光器主要的准分子激光器激光原理与技术物理与电子工程学院40准分子激光器工作原理准分子激光器工作原理跃迁过程跃迁过程泵浦要求泵浦要求电子束泵浦机理电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理脉冲放电泵浦机理激光原理与技术物理与电子工程学院413.3 3.3 固体激光器固体激光器一、固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。固体激光器的基本结构示意图激光原理与技术物理与电子工程学院42固体激光器特点固体激光器特点l运行方式多样：CW，PW，QCW，调Q，锁模，高平均功率，高重复率，高单脉冲能量及高峰值功率。l工作物质l谱线多，达数千条，分布于可见到近红外区，通过频率变换技术可到紫外区l系统简单，制造容易，传输灵活，可接光纤l结构紧凑，牢固耐用，价格适宜激光原理与技术物理与电子工程学院431960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器激光原理与技术物理与电子工程学院44第一台红宝石激光器的拆卸图第一台红宝石激光器的拆卸图激光原理与技术物理与电子工程学院45二、红宝石激光器二、红宝石激光器 （1）红宝石晶体）红宝石晶体 Cr3+:Al203,激活是激活是Cr3+,基质是刚玉晶体。红宝石属六方晶系基质是刚玉晶体。红宝石属六方晶系,无色透明的负单轴晶无色透明的负单轴晶体。体。红宝石是在红宝石是在Al2O3中掺入适量的中掺入适量的Cr3+,使使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。掺入而成。掺入Cr2O3的的最佳量一般在最佳量一般在0.05%(重量比重量比)左右左右,相应的相应的Cr3+密度为密度为ntot=1.58x1019cm-3。红宝石的光谱特性主要取决于红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子。原子Cr的外层电子组态为的外层电子组态为3d54s1,掺入掺入Al2O3 变成变成Cr3+,最外层电子组态为最外层电子组态为3d3。光谱特性是光谱特性是Cr3+的的3d壳层上三个电子跃迁。壳层上三个电子跃迁。Cr3+在很强的晶格场作用下在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变其能级发生很大的变化化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。红宝石中红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。的工作能级属三能级系统。4A2是基态又是激光下能级是基态又是激光下能级,其简并度其简并度g1=4,2E是亚是亚稳态稳态,它是由能量差为它是由能量差为29cm的的2A和和E二能级组成二能级组成,其简并度都为其简并度都为2。4F1和和4F2是两个吸收能带。是两个吸收能带。图 红宝石中铬离子的能级结构激光原理与技术物理与电子工程学院46红宝石的吸收红宝石的吸收光谱如图所示。由光谱如图所示。由4A2向向4F1跃迁吸收紫蓝光跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在峰值波长在0.41um附近附近,称为紫带或称为紫带或U带。由带。由4A2向向4F2跃迁吸收黄绿光跃迁吸收黄绿光,峰值波长在峰值波长在0.55m附近附近,称为绿带或称为绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约吸收带宽均约0.1um左右。左右。图 红宝石中铬离子的吸收光谱图 红宝石中铬离子的能级结构 红宝石有两条强荧光谱线红宝石有两条强荧光谱线(R1和和R2线线),分别为分别为E和和2A能态向能态向4A2跃迁产生的跃迁产生的,室温下室温下对应的中心波长分别为对应的中心波长分别为0.6943um和和0.6929um。通常红宝石激光器中只有通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943m线才能形成激光输出。线才能形成激光输出。激光原理与技术物理与电子工程学院47 红宝石突出的缺点是阈值高红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级因是三能级)和性能易随温度变化。和性能易随温度变化。但具有很多优点但具有很多优点,如如:机械强度高机械强度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度;容容易生长成较大尺寸易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长亚稳态寿命长,储能大储能大,可可得到大能量输出得到大能量输出;荧光谱线较宽荧光谱线较宽,容易获得大容易获得大能量的单模输出能量的单模输出;低温性能良好低温性能良好,可得到连续可得到连续输出输出;红宝石激光器输出的红光红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见不仅能为人眼可见,而且很容而且很容易被探测接收易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高胶对红光的感应灵敏度较高)。红宝石在激光。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。发展上是贡献比较大的一种晶体。图 红宝石中铬离子的能级结构激光原理与技术物理与电子工程学院48 Nd3+:YAG的激活离子为的激活离子为Nd3+,基质是基质是YAG晶体晶体(钇铝石榴石晶体钇铝石榴石晶体Y3Al5O12)。Nd3+部部分取代分取代YAG中的中的Y3+便成为便成为Nd3+:YAG。一般含。一般含Nd3+量为量为1%原子比原子比,此时此时Nd3+的密度为的密度为1.381020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和和Nd2O3在单在单晶炉中熔化结晶而成。晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系属立方晶系,是各向同性晶体。是各向同性晶体。三、掺钕钇铝石榴石三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图所示，其吸收光谱如图所示图 Nd3:YAG 晶体的吸收光谱图 Nd3:YAG 的能级结构YAG中中Nd3与激光产生有关的能级结构如右图与激光产生有关的能级结构如右图 所示。它所示。它属于四能级系统。属于四能级系统。491.06um比比1.35um的荧光约强四倍的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振的谱线先起振,进而抑制进而抑制1.35um谱线起振谱线起振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常只产生激光器通常只产生1.06um激光。只有采取选频措施，激光。只有采取选频措施，才能实现才能实现1.35um波长的激光振荡。波长的激光振荡。四、钕玻璃激光器四、钕玻璃激光器 继继1960年第一台红宝石激光器问世后年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入制成的。最佳掺入Nd2O3量为量为1%5%重量比。重量比。对应对应3%的掺入量的掺入量,Nd3+的浓度为的浓度为31020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。统用得最多。玻璃的制备工艺比较成熟玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径直径30100mm,可用来制成特大能量的激光器。小可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。用于集成光路中的光放大或振荡。钕玻璃最大的缺点是导热率太低钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的因此不适于作连续器件和高频运转的器件器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。且在应用时要特别注意防止自身破坏。50E4:含三个吸收带含三个吸收带(抽运能带抽运能带)*(吸收特定波长的光而跃迁到吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带这三个吸收带)(中心波长中心波长5900A)(.7500A)(.8000A)E3:三条激光谱线公共的激光三条激光谱线公共的激光上能级上能级 E2:含二条激光谱线的二个激含二条激光谱线的二个激光下能级光下能级(四能级系统四能级系统),即即(,对应对应1.37m 谱线谱线)(,对应对应1.062m谱线谱线)钕玻璃的能级结构和跃迁光谱钕玻璃的能级结构和跃迁光谱 51E1:基态基态,一条激光谱线的激光一条激光谱线的激光下能级下能级(三能级系统三能级系统):(对应0.92m谱线)跃迁谱线跃迁谱线:1.062m:四能级系统四能级系统,跃迁几率大跃迁几率大,通常可观通常可观察到察到;1.37m:四能级系统四能级系统,跃迁几率较小跃迁几率较小,不一定不一定可观可观 察到察到;0.92m:三能级系统三能级系统,难实现粒子数反转难实现粒子数反转,一一般不般不 出现出现.523.3.2 3.3.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统 一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。惰性气体一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。惰性气体放电灯放电灯(灯内充入氙山、氪等惰性气体灯内充入氙山、氪等惰性气体)、金属蒸气灯、金属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯属蒸气）、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器、日光泵、半导体激光器、日光泵(用聚光镜将用聚光镜将日光会聚到激光棒中日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝是红宝石钕玻璃和石钕玻璃和Nd:YAGNd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯脉冲激光器中应用最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作氪灯在低电流密度下工作时时,其辐射光谱与其辐射光谱与Nd:YAGNd:YAG泵浦吸收带相匹配泵浦吸收带相匹配,故在连续和小能量脉冲故在连续和小能量脉冲Nd:YAGNd:YAG器件中器件中得到比较多的采用。碘钨灯用得到比较多的采用。碘钨灯用220V220V电压即可电压即可,使用简单、方便使用简单、方便,在功率小于在功率小于1OW1OW的的连续连续Nd:YAGNd:YAG器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压蒸气灯器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压蒸气灯,它的辐射谱与它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配工作物质吸收谱相匹配,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。光器。在各种泵浦光源中在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。聚光器。二、泵浦光源应当满足两个基本条件。二、泵浦光源应当满足两个基本条件。有很高的发光效率有很高的发光效率辐射的光辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.53 1 1 惰性气体放电灯的结构一般都是由电惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。极、灯管和充入的气体组成。见图见图(a)。电极是用高熔点、高电子发射率电极是用高熔点、高电子发射率,又不易又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨钨，钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电极要高功率灯的电极要设计成水冷结构设计成水冷结构,见图见图(b),(b),灯管用机械强度灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙灯管内充入氙(Xe)(Xe)、氪、氪(kr)(kr)气体。气体。2 2 氙灯在低电流密度放电氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时时,辐射的特征辐射的特征谱线的峰值波伏在谱线的峰值波伏在0.840.84、0.90.9和和1 1um附近。氪灯在低电流密度放电时附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的特征辐射的特征谱线的峰值波长在谱线的峰值波长在0.760.76、0.820.82和和0.90.9um附近。附近。54三、固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气三、固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。四、泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。四、泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。55固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性1.1.固体激光器的激光脉冲特性固体激光器的激光脉冲特性 2.2.转换效率转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述用功率描述)和脉冲激光器和脉冲激光器(用能量描述用能量描述)分别表示为：分别表示为：一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1 1)m，各短脉冲之间的，各短脉冲之间的间隔约为间隔约为(5 10)s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为0.5%0.5%0.1%0.1%左右左右,YAG,YAG激光的总体效率为激光的总体效率为0.1%0.1%02%02%左右左右.这是因为放电灯的发射光谱这是因为放电灯的发射光谱由连续谱和线状谱组成由连续谱和线状谱组成,覆盖很宽的波长范围覆盖很宽的波长范围,其中只有与工作物质吸收波长其中只有与工作物质吸收波长相匹配的波段的光可有效地用于激励相匹配的波段的光可有效地用于激励.采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激光器效率光器效率.例如例如,Nd:YAG,Nd:YAG中宽约中宽约30nm的的810nm泵浦吸收带中含有多条吸收泵浦吸收带中含有多条吸收谱线谱线,若用波长为若用波长为810nm的半导体激光二极管输出光的半导体激光二极管输出光泵浦可以准确对准泵浦可以准确对准2nm的的810nm吸收谱线吸收谱线,半导体激光二极管激励的固体半导体激光二极管激励的固体激光器的总体效率可以做激光器的总体效率可以做到到20%20%50%50%左右左右.56A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21 B12 B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A30量子效率优质红宝石:0.7 普通红宝石:0.5钕玻璃:0.4 YAG:157输出稳定性、光谱特性、偏振特性和方向性l输出稳定性长期稳定性l工作物质劣化l泵源老化l聚光器污染l谐振腔失调短期稳定性l电源不稳l灯触发强度变化l阈值附近工作l外部光学元件反馈l激光棒热效应高频起伏l驰豫振荡583.4 染料激光器l以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器l波长可调谐，调谐范围宽l光谱分辨率高l结构简单l价格便宜l稳定性差59染料激光器的工作原理60染料激光器的工作方式l脉冲染料激光器闪光泵浦激光器泵浦l连续染料激光器l波长调谐光栅棱镜FP双折射滤光片61设计染料激光器应考虑的几个问题l染料的选择光谱特性，转换效率，化学稳定性，浓度，寿命l溶剂的选择l染料盒的结构l泵浦源62自由电子激光器l真空中自由电子通过与泵浦场（周期磁场或电磁场）相互作用产生激光。l高功率（MW）l高效率（理论上50）l宽波长调谐范围（原则上从微波到X射线）63自由电子激光组成及类型l组成高能电子加速器摆动器光学谐振腔l类型l磁韧致辐射自由电子激光器康普顿型自由电子激光器拉曼型自由电子激光器l切伦科夫辐射自由电子激光器