激光器的基本组成及典型激光器介绍

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,理学院 物理系,1-3,典型激光器简介,27 十一月 2024,一、激光器的基本组成（,Essential elements of a laser),激光工作物质,A laser medium,（核心部分）,泵浦系统,A pumping process,（光能、电能、原子能、化学能）,光学谐振腔,A,suitable optical feedback elements,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于合适的工作物质。,二能级系统能否实现粒子数反转,?,亚稳能级：需要一个可以有较长寿命且能贮存大量粒子的能级，经过不断激发，粒子数反转就能实现，这样的能级称为,“,亚稳能级,”。,可能实现粒子数反转分布的系统可归结为,三能级系统和四能级系统,。,1,、,工作物质,激光产生的内因，,实现粒子数反转和产生光的受激辐射作用的物质体系。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,粒子数的正常分布？,处于低能级上的粒子数在热平衡情况下总是多于高能级上的粒子数，受激吸收占优势。,粒子数的反转分布？,高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数。,如何实现粒子数反转？,把大量的粒子从低能级,“,搬运,”,到高能级的过程，称为泵浦或激励；,“,搬运,”,粒子的工具,“,光泵,”,泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量,(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels.),2,、,泵浦系统,粒子搬迁的动力,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,激励不仅要快，还有强有力；,激励作用是通过消耗一定的能量来实现的，产生受激辐射所需要的最小激励能量称为,激光器的阈值（,threshold,）；,激励方式（,Practical laser materials can be pumped in many ways.,）：光、电、化学、原子能；,根据不同激光工作物质的不同而异。如固体工作物质常用强光照射激励，简称光激励；气体工作物质吸收光谱多在紫外波段，多采用气体放电的电子碰撞激励方法。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,光激励,-,用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能和激光；,放电激励,-,在放电过程中，气体分子（或原子，离子）与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成粒子数反转；,热能激励,-,用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加，然后突然降低气体温度，因高、低能级的热驰豫时间不同，可使粒子数反转；,化学能激励,利用化学应过程中释放的能量来激励粒子，建立粒子数反转。为产生化学反应，一般还需采用一定的引发措施，如采用光引发、电引发、化学引发等方式；,核能激励,用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数反转；,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,谐振腔的作用：,模式选择、提供轴向光波模的反馈，产生光放大；,谐振腔的组成：,谐振腔由,全反射镜,和,部分反射镜（输出反射镜）,组成，激光由部分反射镜输出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界稳定腔。,3,、,谐振腔：,形成激光振荡的必要条件；对输出的模式、功率、光束发散角等均有很大影响。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,工作物质形态,-,可以分为气体、固体、半导体、液体等；,工作方式,-,连续工作,(CW or continuous wave lasers),和脉冲工作,(Pulsed lasers),；,激光技术,-,调,Q,激光器,(Q-switched lasers),、锁模激光器,(Mode locked lasers),、倍频激光器,(Frequency doubling lasers),、可调谐激光器,(Tunable lasers),、单模和多模激光器,(Single-mode and Multi-mode lasers),等。,二、激光器的分类,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,(1),气体激光器,:,以气体或金属蒸气为发光粒子,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,气体激光器的激励方式很多，最普通的激励方式是气体放电激励。,气体激光器的工作物质种类多，又能采用多种激励方式，所以覆盖的波段宽，从紫外到亚毫米波。是目前种类最多、激励方式最多样化、激光波长分布区域最宽、应用最广泛的一类激光器。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,氦一氖气体激光器：,原子激光器类,，,1961,年实现激光输出，多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输出激光方向性好，（发散角达,1mrad,以下），单色性好（,可小于,20Hz,），输出功率和波长能控制得很稳定,;,He-Ne,激光器的,结构形式,很多，但都是由,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，放电管是,He-Ne,激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构成。,He-Ne(,氦,-,氖,),激光器,(helium-neon gas laser,),理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,由于增益低，谐振腔一般用,平凹腔,;,放电管中充入一定比例的氦（,He,）、氖（,Ne,）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，,产生激光跃迁的是,Ne,气,，,He,是辅助气体，用以提高,Ne,原子的泵浦速率,;,最强的谱线有三条：,0.6328,m,（红色）、,3.39,m,和,1.15,m,，常用的为,0.6328,m,四能级系统,.,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,（,2,）固体激光器,(Solid-state lasers),激光介质,:,由掺杂于固体基质中的金属离子（也称激活离子）和基质所组成。工作物质的物理、化学性能主要取决于基质材料，它的光谱特性主要由激活离子的能级结构决定，但受基质材料的影响，光谱特性将有所变化，有的甚至变化很大。,可作激活离子的元素,有四大类：过渡族金属离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、锕系离子，覆盖的波长,275,3022,nm,。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,基质材料分为玻璃和晶体两大类。,常用的基质玻璃有：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃,;,晶体有金属氧化物、氟化物、酸盐晶体,;,典型代表有红宝石、,Nd,3+,：,YAG(Nd,3+,ions in yttrium aluminum garnet),、钕玻璃激光器,(Neodymium-glass laser);,特点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点，广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,固体激光器一般都是用光泵浦。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等，日光泵适用于空间技术中的激光器。,用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是,90,年代激光发展的主要方向之一，兼容了二者的优点，泵浦效率高，体积小、结构紧凑。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成。,有连续工作,(Continuous Wave),和脉冲,(Pulsed Wave),两种工作方式；,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,红宝石激光器,(Ruby Laser),红宝石是掺有少量,Cr,3+,离子的,Al,2,O,3,单晶。,E,1,为基态，,E,2,为亚稳态，,E,3,是大量能级组成的能带。光放大在,E,2,和,E,1,间产生，波长为,694.3nm,。三能级系统。,激光,n,1,n,2,氙灯泵浦,n,1,减少，,n,2,增加,自发辐射（荧光）,氙灯光强继续增加到,n,2,n,1,粒子数反转分布,光放大器,光强继续增加到某一阈值,满足振荡条件,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,半导体激光器,(Semiconductor laser or laser diode),半导体激光器以半导体为工作物质，常用材料有,GaAs,（砷化镓）、,InP,等。利用半导体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的，称为载流子。）,具有小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点，在光纤通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,液体激光器,有机化合物液体（染料）激光器（简称染料激光器）和无机化合物液体激光器（简称无机液体激光器）。,染料激光器：若丹明,6,G,、隐花青，豆花素,特点：激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲（,3fs,）、可获得窄的谱线宽度,广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术中，研究物质的瞬态变化过程及微观动力学。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,染料激光器,(Dye lasers),一种波长连续可调的激光器，染料分子的吸收光谱和荧光光谱均为宽带结构，这是由染料特殊的分子结构造成的，也是能波长连续可调的原因。可采用光栅、棱镜、法布里一珀罗干涉仪、双折射滤光片等调谐元件；,主要采用光泵浦，即用短脉冲宽度的闪光灯泵浦或其它激光器泵浦；脉冲泵浦和连续泵浦；,调谐范围随泵浦光波长变化，,Nd:YAG,激光器泵浦时，调谐范围最大，达,3001400nm,；,对比：固体可调谐激光器：掺钛蓝宝石激光器。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,其它激光器,光纤激光器,化学激光器,气动激光器,色散激光器,自由电子激光器,单原子激光器,X,射线激光器,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,光纤激光器,(Fiber lasers),属于固体激光器。,光纤的典型结构为,多层同轴圆柱体,，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。,(core,cladding and coating),纤芯由高度透明的材料组成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，形成光波导效应，使光的传输束缚在纤芯中，并使传输性能稳定。涂覆层包括一次涂覆、缓冲和二次涂覆，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，延长光纤寿命。,多模光纤：能够传导多种模式的光纤，其截面尺寸较大，阶跃多模光纤芯径,50,m,，包层直径,125,m,。,单模光纤：只能传导一种模式的光纤，其纤芯直径很小，约在,410,m,范围，包层直径,125,m,。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,一般将稀土元素离子掺杂在纤芯中。主要通 过其它激光器激励。为使结构紧凑，优先使用半导体激光器作为泵浦源。,20,世纪,80,年代后期，英国南安普敦大学的佩恩（,D.N.Payne,）等人发展了工作于最小通信损耗窗口,1550nm,光纤放大器。,由于泵光难以有效地耦合进光纤芯中，限制了它作为高功率的光子源。同期美国麻省宝丽来公司研究发展了包层泵浦方式，解决了这一难题。,理学院 物理系,27 十一月 2024,1-3,典型激光器简介,双包层结构光纤包括两个包层。纤芯被包在比其折射率低的内层硅材料