《典型激光器修改》PPT课件.ppt

根据泵浦源种类和泵浦方式分类 注入式激光器 光泵激光器 电子束泵浦 激光器 半导体激光器 灯泵激光器 激光泵浦激光器 LD泵浦激光器 固体激 光器 放电泵浦激光器 电子束泵浦激光器 微波泵浦激光器 气体激光器 根据工作物质分类 固体激光 器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃 气体激光器 ：HeNe，CO2，离子激光器 液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器 ：同质结，异质结，量子阱 第八章：典型激光器 根据谐振腔类型分类： FP腔，平凹腔，聚焦腔，折叠腔，环形腔等。 根据激光器的输出波长分类： 中红外激光器，近红外激光器，可见光激光器， 红光激光器，绿光激光器，蓝光激光器， 紫外激光器，深紫外激光器，X射线激光器 根据激光器结构（半导体激光器）分类： 同质结激光器，单异质结激光器，双异质结激光器， 量子阱激光器，量子线激光器，量子点激光器 固体激光工作物质： 由基质材料（晶体或玻璃）和少量掺杂 离子（激活粒子）两部分组成 固体激光器分 类 晶体激光器：红宝石，钇铝石榴石（YAG） 非晶体激光器：玻璃、塑料 目前最有实用价值的固体激光工作物质： 红宝石晶体，钕玻璃，掺钕钇铝石榴石晶体，掺钛蓝宝 石晶体。 8.1 固体激光器 常用的激活粒子有： 三价稀土金属离子：钕(Nd)、铒(Er)、钬(HO)离子等. 过渡金属离子：铬（Cr3+）离子、钛（Ti3+）离子等。 特点：输出能量大、峰值功率高、结构紧凑，可实现调Q或锁 模输出。 8.1.1 红宝石（Cr3+：Al2O3)激光器 红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3) 生长成的晶体（重量比为0.03%0.07%)，铬离子浓度约为 1019/cm3，吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，各向异性 晶体，具有双折射。 红宝石中铬离子的吸收光谱 U带：360450nm （峰410nm） Y带：510600nm （峰550nm） 入射光偏振方向平行或垂直光轴，吸收谱略有差别。 1. 发光机理 红宝石中铬离子的能级结构 发射谱： R1线：694.3n（强） R2线：692.9n（弱） 上的粒子数占47%， 上的粒子数占53%，而 且 与 之间存在快速弛 豫，所以R1线比R2线优先 振荡。R1线一旦振荡， 上的粒子及时补充到 上 ，因此不形成R2线振荡输 出。 2. 输出特性 （1）三能级系统，阈值泵浦能量高，以脉冲方式运转 （6）调Q巨脉冲：峰值功率几十MW，脉宽几十ns。 （2）温度效应明显（温度升高，移向长波，线宽增加）。温 度增加10度，波长变化0.07nm。 （3）荧光线宽较大，有100多个纵模振荡，单色性差。 （4）激光上能级寿命长（3ms），有利于储能，输出能量大 。 （5）激光器输出红光，适合应用需要。 1. 掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG） 将一定比例的A12O3、Y2O3，和 Nd2O3 在单晶炉中进行熔化 结晶而成。 Nd2O3的重量比为0.725%（掺入约1%原子百分比 的钕离子），晶体呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3)， 亚稳态寿命230微秒，有多个激发态，有多个激光下能级。 吸收谱：5条吸收带，带宽约30nm。0.53m， 0.58m， 0.75m，0.81m， 0.87m；以0.75m， 0.81m为最强。 8.1.2 钕激光器 （1）发光机理 基态： （中心波长810nm和 750nm，带宽30nm） 泵浦 （亚稳态） 无辐射跃迁 （很快）1064nm四能级 1350nm 四能级 三能级 946nm E2 E2 （2） 输出特性 四能级系统，阈值能量低，可连续运转； 导热率高，易于散热； 尺寸长，均匀性好，易加工，价格低； 效率高：0.4%2.5%。 可连续运转、脉冲运转、调Q（纳秒脉冲）、锁模（皮秒 脉冲）。 发射谱：最强 1.064m ， 次强 0.946m ，最弱 1.35 m ， 强度比为0.6：0.25：0.14，还有其它谱线。存在谱线竞争， 必须进行谱线选择。 基质：硅酸盐或磷酸盐玻璃 掺杂： ，浓度3% 缺点：导热率低，振荡阈值大于Nd:YAG，不适于连续或高 重复频率运转。 2. 钕玻璃 吸收谱：类似Nd:YAG，但吸收谱更宽。 发射谱：0.92 m ，1.062 m ，1.37 m，荧光线宽大（ 30nm），锁模超短脉冲：脉宽 优点：大尺寸（直径10cm，长度1m），玻璃各项同性，均 匀性好，亚稳态寿命长（600900s），储能大。可用于大能 量大功率激光器。 基质： 晶体掺杂： （原子百分比约为0.1） 自锁模超短光脉冲：脉宽 8.1.3. 掺钛蓝宝石（Ti：Al2O3） 吸收带400-600nm，可用蓝绿光泵浦。发射谱范围660- 1180nm，最大增益在790nm。可做成可调谐激光器或超短脉 冲激光器。 其它工作物质 （1）掺钕钒酸钇晶体（Nd：YVO4) 受激辐射截面大（YAG的5倍）、对809nm有很强吸收（适合LD抽运 ），有1.064m 、1.342m 、0.942m三条主要谱线。 （2）掺铒钇铝石榴石（Er：YAG）：有2.94m和1.6m两条主要谱线 8.1.4 固体激光器的泵浦系统 固体激光工作物质一般都采用光泵浦。以前的泵浦光源 多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯（氙灯或氪灯） ，现在大多采用LD泵浦。 1. 灯泵浦 泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一 般都加工成圆柱棒形状，为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工 作物质上，必须采用聚光腔。 椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔， 它的内表面被抛光成镜面并镀膜，其横截面是一个椭圆。也 有双灯一棒、四灯一棒。 灯泵浦 脉冲激光器：脉冲氙灯 连续激光器：氪灯，碘钨灯 椭圆柱聚光腔 惰性气体放电灯的辐射光谱中有连续光谱和线状光谱成分。 连续光谱：电子和正离子复合发光。 线状光谱：被激发的原子回到基态的辐射发光。 在连续弧光灯（如氪灯）的光谱中，线状光谱占主要；在脉 冲灯的光谱中，连续光谱占主要。二者之比取决于放电电流 密度、充气压、充气种类。 连续氪灯的辐射光谱 脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱 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。 灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱，或者冷却水中加 重铬酸钾。 聚光腔内表面镀反射或漫射膜 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)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为： 半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比 有很多优点： 光谱匹配好，能量转换效率高；热效应小，光束空间质量 好；寿命长，可靠性高；体积小，结构紧凑。 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有直接端面泵浦、 光纤耦合端面泵浦和侧泵浦方式。端泵适合中小功率激光器 ，侧泵适合大功率激光器。 2. 半导体激光二极管泵浦（DPSSL) 直接端面泵浦 光纤耦合端面泵浦 侧泵浦方式 激光工作物质：气体的原子、分子、离子或准分子 。 泵浦方式：气体放电泵浦 激光工作方式：多数以四能级方式工作 （1）谱线范围宽，有上百种气体可产生激光，谱线有上万条 。波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。 （2）光束质量高，单色性、方向性、相关性均优于其它激光 器。 （3）频率稳定，易获得连续的激光和脉冲输出。 （4）有些气体激光器输出功率很大，如二氧化碳激光器达到 数十万瓦。 气体激光器突出优点： 激光器装置：激光管（放电管），电极，光谐振腔 8.2 气体激光器 缺点：体积庞大。 EF段为正常辉光放电，电流增加，管压几乎不变，氦氖激 光器工作于该区；GH段为弧光放电, 氩离子激光器工作于该 段区。 8.2.1 泵浦方式 一般采用气体泵浦方式，即在高电压作用下，气体分子 （原子）电离而导电。高速电子对发光粒子直接碰撞激发， 或与辅助气体原子碰撞激发，然后辅助气体原子与发光粒子 发生能量的共振转移。 1.腔结构 8.2.2 He-Ne激光器 放电管：有毛细管和储气管组成，放电只在毛细管进行，储 气管与毛细管相通，不断更新气体。 电极：阳极采用钨棒，阴极采用电子发射率高的铝及其合金 ，阴极做出圆筒状，再用钨棒引导管外。 谐振腔：一般采用平凹腔，平面镜透过率12%。有内腔式、 外腔式、半内腔式三种。 2.发光原理 （1）He与Ne的能级结构 He原子核外有2个电子，其基态的电子组态是1S1S，能级符 号 ；当1个电子被激发到2S电子层，即形成He的第一激发 态，电子组态1S2S，这2个电子的LS耦合，形成第一激发态的 两个亚能级 左上角符号3表示三重结构，右下角表示j量子数。 Ne原子核外有10个电子，其电子组态为 ，原 子态符号为 ，基态以上的激发态是2P壳层中的1个电子受 激跃迁形成的，原壳层留下5个2P电子。几个激发态的电子 组态为： 2P壳层中的5个P电子属于同科电子，只构成1个2P态，相 当于1个P电子，所以上述几种电子态可归属称二种情况： 1个P电子与S电子耦合 1个S电子与S电子耦合 根据LS耦合原则： 耦合成四个能级； 耦合成10个能级。 通常采用帕 邢符号表示 ： He-Ne激光器是典型的 四能级系统，其激光谱 线主要有三条 : 3S22P4 0.6328m 2S22P4 1.15m 3S23P4 3.39m 激活介质按He:Ne=10:17:1填充，氖为发光气体；氦为辅 助气体，用来改善放电特性，提高氖原子的反转粒子数密度。 （1）电子激发 高速电子与基态氦原子碰撞，氦原子被激发到二个亚稳态。 （2）共振能量转移 由于氦原子与氖原子的激发态能级很接近，所以共振能量转 移效率很高。 （3）氖原子的消激发 氖原子激光下能级2P4和3P4返回基态属于禁戒跃迁，所以只 能通过自发辐射先到1S态，然后扩散到管壁附近，与管壁碰撞 回到基态。要加速1S态氖原子的排空，毛细管要细。小信号增 益系数的最佳值为： 2. He-Ne激光器的输出特性 (1) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。 输出功率与放电电流的关系 在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。 存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。 放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳 pd值。 在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。 输出功率与充气总气压的关系 1托=133.2Pa (2) 谱线竞争: 0.6328m，1.15m，3.39m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。有三种方法： 色散法：在腔内插入棱镜； 吸收法：在腔内插入对3.39m 光有强吸收，而对0.6328m光 透明的甲烷。 外加非均匀磁场：使谱线加宽，增益系数下降， 3.39m 光 的增益下降最多。 3.激光器输出 放电管长 输出功率 实用上的输出功率限度：100mW左右 放电管内径：1-几厘米 放电管长：1-几米 基本结构 工作物质为二氧化碳，加入氮气、氦气作为辅助气体，以提 高输出功率和效率。 有二个显著特点：输出功率和能量相当大，既能连续工作， 又能脉冲工作，连续工作输出功率达到几十万瓦，脉冲工作脉 宽大ns量级，峰值功率达TW，能量转换效率达2025%；输出 波长分布在918 m，已观察到上百条谱线，其中10.6m最 重要。 构成CO2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。 8.2.3 激光器 1. 发光原理 有对称振动、形变振动、反对称振动三种形式。 激发过程 （1）上能级的激发：电子与CO2分子直接碰撞激发；高速电 子与N2分子碰撞， N2再与基态的CO2分子发生能量的共振转移 。 （2）发射激光：上能级的CO2分子向不同的下能级跃迁，产 生10.6m和9.6m的激光，存在谱线竞争，但10.6m的跃迁 几率大。 （3）下能级的弛豫：从激光下能级到基态的辐射跃迁是禁戒 的，只能分两步辐射跃迁到基态，但辐射跃迁几率很小。下 能级的弛豫主要是靠碰撞跃迁，分两步来实现。下能级的CO2 分子与基态CO2分子碰撞回到010能级，然后再与基态He原子 碰撞回到基态。He气还有很好的导热性质，可降低混合气体 的温度。 2. 输出特性 (1) 放电特性 相应于CO2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 及气体混合比有关。 (2) 温度效应 小信号增益与气体温度、 电子密度的关系 CO2激光器将有60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，这都会使粒子反转数减 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CO2分子的分解，降低放电 管内的CO2分子浓度。 放电管内径：3-5mm放电管长： 几十厘米 1. 基本结构 惰性气体的典型代表，大电流放电激励；激光谱线非常丰 富，在可见光区和紫外光区，488nm和514.5nm最强；既可 以连续工作，也可以脉冲工作，连续工作功率达几十W；能 量转换效率较低，最高达0.6%。 8.2.4 氩离子激光器 Ar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。 放电管：工作于弧光放电，电流达1000A/cm2，采用耐高温、 导热性能好的石墨片结构，之间是瓷珠。 电极：采用钡钨阴极和钼阳极，电极形状为圆筒结构。 回气管：为保持管内气体均匀，采用的回气管是在石墨片上 开许多小孔。 轴向磁场：提高输出功率和寿命，加几百到上千高斯的轴向 磁场，由套在放电管外面的螺旋管产生。 冷却系统：有风冷和水冷两种。 2. 发光原理 与产生激光有关的Ar+的能级结构 Ar的原子序数18，基 态的电子组态为： 最外层封闭层。 在放电激发下，发生电 离形成基态Ar+（3P5) 进一步激发，使1个3P 电子处于4S，5S，4P ，3D，4D等。 从3P44P到3P44S发射激光，由于这两个能级都由若干子能级 组成，所以可发射9条蓝绿谱线，其中488nm和514.5nm最强 。 上能级的激发：依靠电子的碰撞实现，有三种形式： （1）一步激发：电子与基态的氩原子碰撞，直接把氩原子激发 到氩离子的激发态，需要能量36eV。 （2）二步激发：电子与基态氩原子碰撞，形成基态的氩离子（ 电离）；基态氩离子再与电子碰撞形成激发态的氩离子。 （3）串级激发：氩原子先被激发到比上能级更高的高能级，然 后通过辐射跃迁到激光上能级，它也可以分布进行。 下能级的弛豫：先通过辐射跃迁（72nm）到达氩离子基态，基 态氩离子在管壁处与电子复合，跃迁到氩原子基态。 2. Ar激光器的工作持性 Ar激光器可以产生多条激光谱线，其中488nm和514.5nm最 强。 (1)多谱线工作 (2)输出功率与放电电流的关系 由于Ar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同。 Ar+激光器输出功率随放电电流变化 液体溶液作为工作物质 有机溶液激光器：染料激光器 无机溶液激光器 激励方式：光泵激励 染料激光器基本结构： 染料池，谐振腔，泵浦光源， 染料溶液的循环及过滤系统 8.3.1 染料激光器的泵浦方式与基本结构 工作方式： 连续运转或脉冲方式 特点： （1）可调谐 （2）可产生极窄光脉冲 压缩 8.3 染料激光器 8.3.2 染料激光器的工作原理 染料分子的能级图 典型染料（若丹明6G）的 吸收荧光光谱图 （1）染料分子能级 染料分子能级是准连续态能级结构,包括电子运动、原子间相 对振动和分子转动。根据自旋状态分为单态和三重态，用S和T 表示。S0为基态，其余为激发态。染料分子吸收能量从S0跃迁 到S1的某一振动-转动能级，寿命很短（ps量级），把能量传 递给溶剂分子，回到S1的最低能级，寿命ns量级。 （2）染料分子的光辐射过程 辐射跃迁主要发生在单态之间或三重态之间，单态和三重态 之间的辐射跃迁是禁戒的。所以，分子从S1最低能级跃迁到S0 态的任意能级发光，然后通过无辐射跃迁回到S0最低能级。属 于四能级结构。 （3）染料分子的三重态“陷阱” ：S1到T1的无辐射跃迁，减 少S1上的粒子；T1上粒子吸收荧光跃迁到T2。 2. 染料激光器的泵浦 （1）闪光灯脉冲泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。 （2）激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激 光器(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器 (1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激 光器(主要在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。 3 染料激光器的调谐 （1）光栅调谐 放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。 （2）棱镜调谐 （3）双折射滤光片调谐 利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐 方法，国内外的Ar激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器， 都使用这种方法调谐。 典型染料激光器原理示意图 准分子： Excimer 一种在激发态能够暂时结合成不稳定分子，而在基态又 迅速离解成原子的缔合物，因而也称“受激准分子”。 脉冲输出能量达百焦耳 量级，脉冲峰值功率达 千瓦以上，脉冲重复率 达200次/秒，光束发散 角为 工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体。 输出波长处于紫外波段的高效脉冲激光器，通常作为分光、激 光加工、光刻的光源。 稀有气体与卤素气体的不