各种典型激光器原理(全).ppt

激光器原理与技应用 第三章典型激光器 第一节概述 主要内容 第一节概述 一 激光器的基本结构激光器的基本结构由工作物质 泵浦源和光学谐振腔三部分构成 激光器的基本结构 工作物质是激光器的核心 是激光器产生光的受激辐射放大作用源泉之所在 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源 工作物质类型不同 采用的泵浦方式不同 光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈 同时 谐振腔的参数影响输出激光束的质量 第一节概述 二 分类及输出特性激光器种类繁多 习惯上主要按照以下两种方式划分 一种是工作物质 另一种是按照激光器工作方式 1按照激光工作物质1 气体激光器气体和金属蒸气作为工作物质 根据气体工作物质为气体原子 气体分子或气体离子 又可将气体激光器分为原子激光器 分子激光器和离子激光器 原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子 激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间 采用的气体主要是氦 氖 氩 氪 氙等惰性气体和镉 铜 锰 锌 铅等金属原子蒸气 原子激光器的典型代表是He Ne激光器 第一节概述 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子 激光跃迁发生在气体分子不同的振 转能级之间 采用的气体主要有CO2 CO N2 O2 N2O H2O H2等分子气体 分子激光器的典型代表是CO2激光器 准分子激光器 所谓准分子 是一种在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子 寿命很短 的不稳定缔合物 激光跃迁产生于其束缚态和自由态之间 采用的准分子气体主要有XeF KrF ArF XeCl XeBr 等 其典型代表为XeF 准分子激光器 离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子 激光跃迁发生在气体离子的不同激发态之间 采用的离子气体主要有惰性气体离子 分子气体离子和金属蒸气离子三类 其典型代表为Ar 激光器 第一节概述 激励方式气体激光器一般采用气体放电激励 还可以采用电子束激励 热激励 化学反应激励等方式 波长范围 气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外 远红外波段特点 激光谱线上万条 具有输出光束质量高 方向性及单色性好 连续输出功率大 如CO2激光器 等输出特性 其器件结构简单 造价低廉 第一节概述 应用气体激光器广泛应用于工农业生产 国防 科研 医学等领域 如计量 材料加工 激光医疗 激光通信 能源等方面 1961年 第一台气体激光器 He Ne激光器问世 2 固体激光器固体激光器以固体激光介质作为工作物质 固体工作物质通常是在基质材料 如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子 称为激活离子 激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间 用作激活离子的元素可分为四类 三价稀土金属离子 二价稀土金属离子 过渡金属离子和锕系金属离子 固体激光器的典型代表是红宝石 Cr3 Al2O3 激光器 掺钕钇铝石榴石 Nd3 YAG 激光器 钕玻璃激光器和掺钛蓝宝石 Ti3 Al2O3 激光器 第一节概述 固体激光器多采用光泵浦 泵浦光源主要有闪光灯和半导体激光二极管两类 固体激光器的波长覆盖范围主要位于可见光 近红外波段 激光谱线数千条 具有输出能量大 多级钕玻璃脉冲激光器 单脉冲输出能量可达数万焦 运转方式多样等特点 器件结构紧凑 牢固耐用 易于与光纤耦合进行光纤传输 固体激光器主要应用于工业 国防 科研 医学等领域 如激光测距 材料加工 激光医疗 激光光谱学 激光核聚变等方面 第一节概述 3 液体激光器液体激光器的工作物质分为二类 一类为有机化合物液体 染料 另一类为无机化合物液体 其中 染料激光器是液体激光器的典型代表 常用的有机染料有四类 吐吨类染料 香豆素类激光染料 恶嗪激光染料和花青类染料 染料激光器多采用光泵浦 主要有激光泵浦和闪光灯泵浦染料激光器的波长覆盖范围为紫外到近红外波段 300nm 1 3 m 通过混频等技术还可将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段 激光波长连续可调谐是染料激光器最重要的输出特性 器件特点是结构简单 价格低廉 染料溶液的稳定性比较差是这类器件的不足 染料激光器主要应用于科学研究 医学等领域 如激光光谱学 光化学 同位素分离 光生物学等方面 1966年 世界上第一台染料激光器 由红宝石激光器泵浦的氯铝钛花青染料激光器问世 第一节概述 4 半导体激光器半导体激光器也称为半导体激光二极管 或简称激光二极管 LaserDiode 缩写LD 由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性 使半导体激光器的工作特性有其特殊性 半导体激光器以半导体材料为工作物质 常用的半导体材料主要有三类 1 A A族化合物半导体 如砷化镓 GaAs 磷化铟 InP 等 2 B A族化合物半导体 如硫化镉 CdS 等 3 A A族化合物半导体 如碲锡铅 PbSnTe 等 根据生成pn结所用材料和结构的不同 半导体激光器有同质结 异质结 单 双 量子阱等多种类型 半导体激光器采用注入电流方式泵浦 第一节概述 半导体激光器波长覆盖范围一般在近红外波段 920nm 1 65 m 其中1 3 m与1 55 m为光纤传输的两个窗口 半导体激光器具有能量转换效率高 易于进行高速电流调制 超小型化 结构简单 使用寿命长 一般可达数十万乃至百万小时以上 等突出特点 半导体激光器广泛应用于光纤通信 光存储 光信息处理 科研 医疗等领域 如激光光盘 激光高速印刷 全息照相 办公自动化 激光准直及激光医疗等方面 1962年 世界上第一台半导体激光器 GaAs激光器问世 第一节概述 5 化学激光器化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光辐射的 工作物质可以是气体或液体 但目前主要是气体 如氟化氢 HF 氟化氚 DF 氧碘 COIL 等 化学激光器采用化学能激励 为促成工作物质的化学反应 一般需采用一些引发措施 如光引发 电引发 化学引发等 化学激光器的波长覆盖范围为紫外到红外波段 直至微米波段 功率高 能量输出高 无需外界提供泵浦源 可将化学能直接转换成激光能量是其突出特点 特别适合于野外等无电源处工作 化学激光器主要应用于国防 科学研究等领域 如激光武器 同位素分离等 1964年 第一台光解离碘原子化学激光器问世 第一节概述 6 自由电子激光器自由电子激光器是一种新型激光器 自由电子激光器的工作物质是相对论电子束 所谓相对论电子束是指通过电子加速器加速的高能电子 自由电子激光器将相对论电子束的动能转变为激光辐射能 自由电子激光器的泵浦源为空间周期磁场或电磁场 具有非常高的能量转换效率 输出激光波长连续可调谐是自由电子激光器两个最显著的特点 自由电子激光器在未来的生物 医疗 核能等领域具有重要的应用前景 第一节概述 7 X射线激光器X射线激光器输出激光波长位于X射线波段 1 10nm X射线激光器工作物质为高度电离的等离子体 采用光泵浦 但需要特殊的X射线泵浦源 第一节概述 8 光纤激光器工作物质 以掺入某些激活离子的光纤 或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器 分类 晶体光纤激光器 稀土类掺杂光纤激光器 塑料光纤激光器和非线性光学效应光纤激光器 泵浦方式主要采用半导体激光二极管泵浦 特点 光纤激光器是一种新型的激光器件 具有总增益高 阈值低 能量转换效率高 很宽的波长调谐范围及器件结构紧凑等突出特点 在远距离光纤通信等领域显示出了广阔的应用前景 1963年 第一台光纤激光器 Nd2O3光纤激光器问世 第一节概述 二 按照激光器工作方式划分激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式 连续激光器脉冲激光器 按照激光技术的应用分为调Q激光器锁模激光器稳频激光器可调谐激光器等 按照谐振腔腔型的不同分为非稳腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等类型 第二节气体激光器 一 气体放电激励基础所谓气体放电 是指在高电压作用下 气体分子 或原子 发生电离而导电 常用气体激光器的气体放电属于弱电离气体放电 其气体电离度一般不超过0 1 1 分类1 直流连续放电直流连续放电是指在气体激光器放电管两电极间加上可调的直流电压 调节放电管两端的电压或电阻 测出相应的放电电流 即可得到放电管直流连续放电的伏 安特性曲线 第二节气体激光器 点所对应的管压降称为着火电压 也称起辉电压 或击穿电压 AD段为非自持放电阶段 放电电流虽然随端电压升高而增加 但其值很小 此时若去掉外界电离源 放电电流则很快减小直至放电终止 此阶段的放电电流范围一般在10 20 10 11A之间 第二节气体激光器 D点以后 则为自持放电阶段 原因阴极产生二次电子发射DE段叫作自持暗放电 放电不稳定平坦的EF段 该区域的特点是电流增加 但管压降几乎保持不变 放电管内出现明暗相间的辉光 称之为正常辉光放电 辉光放电阶段 由于二次发射的电子随电场的增加而迅速增加 故当放电管端电压略有增加时 放电电流就增大很多 辉光放电的电流范围一般在10 4 10 1A之间FG段则为反常辉光放电阶段 此阶段管压降随着电流增加而增加 反常辉光放电阶段 阴极溅射很强烈 放电管一般应避免在此状态下工作 第二节气体激光器 G点所对应的电压叫做弧光着火电压 过G点后 放电管管压降再次迅速下降 放电电流快速增大 放电管中发出耀眼的弧光 称之为弧光放电 弧光放电的GH段呈现出负阻特性 放电不稳定 HK段为稳定弧光放电阶段 放电电流一般大于10 1A 辉光放电高电压 小电流 几毫安至几十毫安 放电 是一种稳定的自持放电 He Ne激光器与CO2激光器都是工作在辉光放电区域 第二节气体激光器 弧光放电低电压大电流 几十安至几千安 的自持放电 弧光放电的着火电压一般比辉光放电的着火电压高 但对阴极表面积和电子逸出功都很小的放电管而言 其弧光着火电压也可低于辉光着火电压 弧光放电分类 热阴极弧光放电 冷阴极弧光放电人工阴极弧光放电Ar 激光器工作于弧光放电区域 第二节气体激光器 2 高频放电高频放电也叫做射频气体放电 所谓射频 通常指频率在几兆到几百兆范围内的电磁波 当两电极间施加高频交变电场后 由于带电粒子在两电极之间的渡越时间远大于电场的变化周期 使得电子不能再做长距离的运动 而只能在某个固定位置附近振荡 并在振荡过程中与气体粒子碰撞 产生电离和激发 以维持放电 射频放电时 由于电子不断来回运动使电子飞越的路程增大 从而使电子与气体粒子碰撞的次数增加 电离能力极大提高 也使得作为电子来源的阴极的重要性大为减弱 因此 射频放电可以用内电极 也可以用外电极 甚至可以不用电极 20世纪70年代 射频气体放电技术成功地应用于大功率输出CO2激光器 并已展示出其广阔的应用前景 第二节气体激光器 3 脉冲放电放电管两电极间施加脉冲电压时 即产生脉冲放电 按放电电流密度的大小 放电管内可产生脉冲辉光放电和脉冲弧光放电 按所加电压的交变状态 可分为直流脉冲放电和交流脉冲放电 按脉冲持续时间 又可分为短脉冲放电和长脉冲放电 准分子激光器采用脉冲放电方式 大功率高气压气体激光器多采用短脉冲放电方式 气体放电除上述三种放电方式外 还有火花放电和电晕放电等方式 第二节气体激光器 2 气体放电中的粒子碰撞与激发 电离过程在气体放电中 带电粒子 电子和离子 与中性气体粒子 原子或分子 之间的碰撞决定着放电进行的情况 其中 有两种基本的碰撞过程影响着器件粒子数反转分布的建立和维持 第一种过程是电离 它对于维持放电是不可或缺的 第二种过程是激光上 下能级粒子的激发与消激发 粒子的碰撞一般可分为两类 弹性碰撞和非弹性碰撞 在气体激光器工作物质的激发与电离过程中 粒子的碰撞都属于非弹性碰撞 非弹性碰撞又可分为第一类非弹性碰撞和第二类非弹性碰撞 第二节气体激光器 1 第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞指一个粒子的动能转变为另一粒子内能的碰撞 其最常见的形式之一就是快速电子与气体粒子发生碰撞激发和电离 在碰撞过程中 快速电子失去能量 速度变慢 气体粒子得到能量被激发到高能态或被电离 电子的能量大于或等于气体粒子的激发态能量时 碰撞激发过程则有可电子能量等于或大于气体粒子的电离能时 碰撞电离过程便可以发生 其电离过程可表示为 第二节气体激光器 电子和气体粒子的碰撞 还可以使粒子从一个激发态跃迁到另一个更高的激发态 或者使激发态粒子发生电离 分别叫做逐级激发和逐级电离 2 第二类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞指一个粒子的内能转变为另一粒子内能或动能的碰撞 其形式主要有共振转移 电荷转移和潘宁效应等 共振转移是指激发态的粒子A 通常指亚稳态 与基态粒子B碰撞 使B激发到高能态B 而A 返回基态 其过程可表示为A B A B E其中 E为A 和B 两者激发态之差 E越小 共振转移截面越大 当 E趋于零时 共振转移截面大于10 14cm2 转移最易发生 共振转移是选择性激发过程中最重要的形式之一 第二节气体激光器 电荷转移是指离子与中性气体粒子碰撞引起的激发与电离过程 其激发过A B A B E其中 A为A 从中性粒子B处获得一个电子而成为中性粒子 B为中性粒子失去一个电子而成为正离子B E为A和B两者电离能之差 电荷转移过程中出现的电离激发 可表示为A B A B E其中 B 为离子激发态 E为离子激发态B 与粒子A 的电离能之间的位能差 正离子与中性气体粒子之间的电荷转移过程 负离子与中性气体粒子碰撞亦可失去电子而成为速度较快的中性粒子 同时使原中性气体粒子成为速度较慢的负离子 第二节气体激光器 潘宁电离指处于激发态的气体粒子A 与处于基态的粒子B碰撞 A 失去能量返回基态 而B被电离 或电离后又被激发 其过程可表示为A B A B eA B A B e由上述反应过程可见 只要A的激发能大于基态粒子B的电离能 潘宁电离便可以进行 电离中产生的多余能量可转化为电子的动能 气体放电过程中 除上述介绍的由于粒子碰撞所产生的激发和电离过程外 还存在着复合 吸附与转荷等过程 第二节气体激光器 二 He Ne激光器工作介质 He Ne激光器是典型的惰性气体原子激光器 Ne为工作物质 He为辅助气体 特点 He Ne激光器输出连续光 主要工作波段在可见光到近红外区域 其中 最常用的工作波长为632 8nm 红光 其次是1 15 m和3 39 m以及1 52 m 543 5nm等 He Ne激光器输出光束质量很高 表现为单色性好 20Hz 和方向性好 Q 1mrad 由于增益低 输出功率一般为毫瓦量级 0 5 100mW 器件结构简单 造价低廉 应用 He Ne激光器广泛应用于准直 精密计量 信息处理 医疗 照排印刷等领域 第二节气体激光器 1 He Ne激光器的基本结构He Ne激光器的基本结构由激光管和电源两部分组成 其中 激光管主要包括放电管 电极和谐振腔三部分 放电管是He Ne激光器的核心 放电管通常由毛细管和储气室构成 当在电极上施加高压后 毛细管中的气体开始放电 使氖原子产生粒子数反转 气体放电仅在毛细管中进行 储气室的作用是维持毛细管内He Ne气体的比例及总气压 以延长器件的寿命 放电管一般采用GG17玻璃 要求输出功率和频率稳定性好的器件可采用热胀系数小的石英玻璃 第二节气体激光器 He Ne激光管的电极分为阳极和阴极 阳极一般采用钨棒 阴极多采用电子发射率高而溅射率小的铝及其合金这类冷阴极材料 为增加电子发射面积 减小阴极溅射 阴极通常做成圆筒状 再用钨棒引至管外 He Ne激光器因为增益低 谐振腔一般采用平凹腔 平面镜为输出反射镜 透过率约1 2 凹面镜为全反射镜 He Ne激光器结构形式多样 按照谐振腔与放电管的放置方式不同 可分为内腔式 外腔式和半内腔式 第二节气体激光器 布儒斯特定律光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质时 当入射角满足反射光就变为振动方向垂直于入射面的完全偏振光 而折射光仍为部分偏振光 ib称为布儒斯特角此时反射角和折射角之和为90度 第二节气体激光器 2 He Ne激光器的工作原理He Ne激光器中的激光跃迁产生于Ne原子的不同激发态之间 He原子为辅助气体 其作用是提高Ne原子的泵浦速率 He原子核外有两个电子 其基态电子组态为1s1s He原子处于基态 其能级符号表示为1s0 当He原子受激时 其中 一个电子由1s壳层激发到2s壳层 电子组态为1s2s 使He原子处于激发态 该激发态中有两个亚稳能级 21s0和23s1 与He Ne激光跃迁有关 第二节气体激光器 Ne原子核外有10个电子 其基态电子组态为1s22s22p6 Ne原子基态能级为1s0 受激时 2p壳层中的一个电子跃迁到较高能态而形成激发态 与激光跃迁有关的Ne原子电子激发组态为1s22s22p51s22s22p53p 1s22s22p54s 1s22s22p55s 习惯上 Ne原子的能级用帕邢符号表示 Ne原子上述5个电子激发组态与帕邢符号的关系见表3 1 第二节气体激光器 根据能量跃迁选择定则 在Ne原子的3s与2p 3p能态之间 2s与2p能态之间的很多对子能级之间都能产生跃迁谱线 现已获得100多条谱线 其中 最强的谱线有3条 即632 8nm 3 39 m和1 15 m 分别对应于3s2 2p4 3s2 3p4和2s2 2p4之间的跃迁 一般He Ne激光器输出工作波长为632 8nm 对应于3s2 2p4的跃迁 跃迁至激光下能级2p4上的Ne原子通过自发辐射跃迁到1s能级 最后通过扩散返回基态 由上述分析可知 He Ne激光器是典型的四能级系统 激发过程 Ne原子激光上能级有三种激发过程 1 共振能量转移激发电子直接碰撞激发的60 80倍 第二节气体激光器 电子直接碰撞激发串级跃迁Ne原子与电子碰撞被激发到更高的能态 然后再跃迁至2s和3s能态 在上述三种激发过程中 此过程贡献最小 第二节气体激光器 驰豫过程 Ne原子激光下能级2p和3p向基态的跃迁为选择定则所禁戒 粒子只能通过自发辐射跃迁到1s能级 由于1s能级向基态的跃迁也属禁戒 因此1s能级的Ne原子只有扩散到放电管管壁 通过与管壁碰撞释放能量后方能返回基态 称之为 管壁效应 激光下能级如不能被较快抽空 将会造成粒子的堆积 形成 瓶颈效应 这就是He Ne激光器放电毛细管内径要很小的主要原因 He Ne激光器放电毛细管管径d与小信号增益系数Gm之间存在经验公式 上式表明He Ne激光器的放电毛细管要细 但管径d小会限制器件的输出功率 第二节气体激光器 最佳条件 由于存在横向转移过程 HeNe考虑6328A的激光 气体放电激励时 电子密度为ne 第二节气体激光器 1 增益与放电电流i的关系在总气压P和分压比PHe PNe一定的条件下 ne i 即ne k i由式 3 11 知 当i较小时 k2i可忽略 则n3 k1 A i n3与i成线性变化关系 当i较大时 k2i随之增大 n3 k1 k2 n3与i关系不大而呈饱和状态 当i继续增大时 n3饱和 n2 i 第二节气体激光器 因增益G n 故增益也对应有最佳放电电流 二者关系如图3 8所示 第二节气体激光器 2 增益与充气总气压P的关系由于n3 n2 则有 n n3 n2 n3 因此 以下主要分析n3与总气压P的关系 在He Ne气压比一定的条件下 总气压P升高可以使He与Ne原子 的粒子数密度n0 n1上升 有利于提高n3 使 n上升 但若总气压P太高 在n0与n1上升的同时 电子与原子碰撞次数也随之增多 致使电子动能下降 S04降低 从而导致n3下降 使反转粒子数密度 n下降 因此 He Ne激光器存在一个最佳充气总气压 在此条件下工作 器件增益最大 增益与充气总气压的关系 第二节气体激光器 3 增益与He Ne气压比 PHe PNe 的关系在总气压P一定的条件下 Ne的分压上升 可提高基态Ne原子粒子数密度n1 同时使He原子基态粒子数密度n0下降 由式 3 6 知 n1比n0对n3的影响大 因此 Ne的分压上升 可以提高n3 但若其分压过高 由于Ne原子电离电位低 易电离而导致电子能量下降 使S04下降 导致n3下降 同时 由于Ne原子激光上能级的粒子数主要通过与He原子亚稳态能级粒子之间的共振转移而获得 因此 作为工作气体的Ne气所占比例要适当 PHe PNe也存在一个最佳值 PHe PNe 一般PHe PNe 7 1 10 1 第二节气体激光器 最佳充气总气压与最佳He Ne气压比称为He Ne激光器的最佳充气条件 当器件工作于最佳充气条件时 其放电毛细管内径d与最佳充气总气压Popt的乘积为一常数 其取值范围Poptd 480 533 Pamm 由上述分析得出结论 为获得最大增益 He Ne激光器应工作在最佳放电条件下 即采用最佳放电电流 最佳充气总气压和最佳He Ne气压比 第二节气体激光器 3 He Ne激光器的谱线竞争632 8nm 3 39 m与1 15 m三条谱线是He Ne激光器上百条谱线中最强的三条 三者之中 由于3 39 m谱线与632 8nm谱线共用一个激光上能级3s2 且增益都很高 因此 二者之间存在激烈的谱线竞争 3 39 m谱线的振荡 将大量消耗激光上能级的粒子 导致632 8nm谱线的增益与输出功率下降 甚至振荡被抑制 为保证632 8nm谱线起振并提高其输出功率 应设法抑制3 39 m谱线的振荡 抑制所遵循的原则是增大3 39 m谱线的损耗或者降低其增益 采取的方法有 第二节气体激光器 2 腔内放置甲烷吸收盒 该法利用甲烷气体对632 8nm透明而对3 39 强吸收的特性 增大3 39 谱线的腔内损耗以抑制其振荡 结构如图所示 1 棱镜色散法 第二节气体激光器 3 外加非均匀磁场法 其原理是利用塞曼效应 塞曼效应指磁场将引起谱线的分裂 谱线分裂的大小与磁感应强度成正比 施加非均匀磁场后 造成放电管内各处谱线分裂程度不同 其作用相当于把谱线展宽 第二节气体激光器 对放电管长度小于 的He Ne激光器 使用前两种方法就能抑制3 39 谱线振荡 若放电管长度大于 往往需要几种方法相结合才能有效抑制 第二节气体激光器 三Co2激光器CO2激光器是一种混合气体激光器 CO2为工作物质 N2 He CO Xe H2O H2与O2等为辅助气体 其作用是提高激光器的输出功率和效率 CO2激光器的工作方式分为连续和脉冲两种 也可以在稳频 调谐 选支 等状态下运转CO2激光器的输出特性有两个显著的特点 其一是输出功率或能量相当大 能量转换效率高 CO2激光器连续输出功率可达数十万瓦 是所有激光器中连续输出功率最高的器件 脉冲输出能量可达数万焦 脉宽可压缩到纳秒量级 脉冲功率密度可达太瓦量级 其二是输出波长分布在9 18 m波段 已观察到的激光谱线二百多条 其中 9 11 m红外波段中最重要的输出波长10 6 m处于大气传输的窗口 有利于激光测距 激光制导 大气通信等方面的应用 且该波长对人眼安全 CO2激光器于1964年问世 第二节气体激光器 CO2激光器种类很多 主要有封离型 流动 纵向和横向 型 大气压型 气动型以及波导等结构形式 激励方式有低功率器件采用的纵向气体放电激励 大功率器件采用的横向气体放电激励 射频激励 化学 气动 电子束激励等 1 CO2分子的能级结构及振 转跃迁a CO2分子的能级结构分子的总能量包括以下四部分 电子绕核运动的能量 分子中原子的振动能量 分子的转动能量 平动能量 除平动能量外 前三种运动的能量部是量子化的 相邻电子能级 振动能级及转动能级问能量差的比例约为104 102 1 第二节气体激光器 CO2分子的振动有三种基本形式 或称三种简正振动 对称振动 CO2分子中的2个原子沿分子轴同时朝向或同时背向碳原子振动 碳原子保持不动 如图3 15 b 所示 形变 弯曲 振动 CO2分子的3个原子不是沿分子轴振动 而是垂直于分子轴振动 且碳原子的振动方向与2个氧原子相反 如图3 15 c 所示 反对称振动 CO2分子的3个原子沿分子轴振动 其中 碳原子的振动方向与2个氧原子相反 如图3 15 d 所示 第二节气体激光器 在一级近似下 CO2分子上述三种振动方式相互独立 其振动能量为三种振动方式的能量之和 我们用4个对应的量子数标记其振动能级 标记符号为 v1vl2v3 VI分别代表其对称 形变及反对称的主量子数 而l代表形变时 其投影的角动量守恒的且量子化的 用量子数l表示 l v2 v2 2 v2 4 1或0 第二节气体激光器 CO2分子可能产生的跃迁谱线有很多条 其中强度最强和最具价值的是10 6 m谱线 对应于0001 1000能级的跃迁 和9 6 m谱线 对应于0001 0200能级的跃迁 上述两条谱线的跃迁过程表明 CO2分子的能级结构属四能级系统 表3 4给出了与CO2分子10 6 m和9 6 m谱线跃迁有关的振动能级寿命 由上表可见 CO2分子激光上能级 0001 寿命长于激光下能级 第二节气体激光器 b CO2能级激发1 直接电子碰撞电子与基态CO2碰撞 将其激发到激光上能级CO2 0000 e CO2 0001 e2 级联跃迁电子与基态CO2碰撞 将其激发到激发态000n能级 其与基态CO2碰撞将其激发到激光上能级CO2 0000 CO2 000n CO2 0001 CO2 000n 1 3 共振转移基态N2和电子碰撞跃迁到基态V 1的振动能级 该能级寿命长 属于亚稳态 其与基态C02发生非弹性碰撞并跃迁激光上能级 e 快 N2 v 0 e 慢 N2 v 1 第二节气体激光器 CO2分子0001能级与N2的v 1的能级接近 N2的v 2 4能级与CO2的0002 0004也接近易发生共振转移 0002 0004的CO2与基态CO2分子碰撞 也可激励到0001以上三种激发途径 共振转移几率最大 作用最显著C CO2分子的振 转跃迁CO2分子的红外光谱并不是一条单一的振动谱线 而是一条有一定宽度的谱带 这是由于CO2分子除振动运动外 同时存在转动运动 在其影响下 CO2分子的振动能级将分裂为一系列转动子能级 根据分子光谱理论 分子振动能级之间的跃迁必然伴随着转动子能级之间的跃迁 产生带状光谱 第二节气体激光器 振 转跃迁的选择定则为 对于振动能级 v 0 1对于转动子能级 J 0 1对转动子能级间的跃迁 选择定则规定 J 1 称为R支 记为R J J 1 称为P支 记为P J J 0 称为Q支 因为CO2分子的对称性质 谱带中心没有该支谱线 即不存在Q支跃迁 第二节气体激光器 由图3 17可以看出 在CO2分子0001与1000振动能级上 不是对应地存在着全部的转动子能级 在0001振动能级上 只存在J 为奇数的转动子能级 而在1000振动能级上 则只存在J为偶数的转动子能级 这种情况称之为转动子能级的缺位 它来源于分子态波函数对称性的要求 对于0001 1000的振 转跃迁 已观察到的P支谱线27条 R支谱线26条 光谱带范围10 11 m 其中最强的P支谱线有4条 即P 18 P 20 P 22 和P 24 对应波长分别为10 57 m 10 59 m 10 61 m和10 63 m 最强的R支谱线也有4条 即R 18 R 20 R 22 和R 24 对应波长分别为10 26 m 10 25 m 10 23 m和10 22 m 对于0001 0200的振 转跃迁 观察到P支谱线29条 R支谱线25条 光谱带范围9 10 m 其中最强的P支谱线为P 18 P 20 P 22 P 24 与P 26 对应波长分别为9 54 m 9 55 m 9 57 m 9 59 m和9 60 m 最强的R线为R 18 R 20 R 22 与R 24 对应波长分别为9 28 m 9 27 m 9 26 m和9 25 m 第二节气体激光器 CO2分子0001 0200的振 转跃迁中能形成一百多条荧光谱线 但在CO2激光器中却只有1 3条谱线能同时形成激光振荡 这源于CO2分子转动子能级之间的竞争效应 处于同一振动能级的各转动子能级之间靠得很近 粒子在各子能级间转移很快 一旦处于某一转动子能级上的粒子跃迁后 服从玻尔兹曼分布规律的其他能级上的粒子会立即转移到该能级 而使其他能级上的粒子减少 在CO2激光器中 当某条谱线获得较大增益而优先起振时 亦同时抑制了其他谱线的振荡 例如 9 6 m谱线与10 6 m谱线共用一个激光上能级 而粒子从0001 1000能级的跃迁几率要大得多 故CO2激光器中若无波长选择装置 则9 6 m谱线将在与10 6 m谱线的竞争中失败而无法起振 正是由于转动子能级间激烈的竞争效应 当CO2激光器谐振腔长度发生变化时 振荡谱线的频率易跳动到其他频率上 CO2激光器的谐振腔大多采用平凹腔 由于其增益高 也可采用非稳腔以增加其模体积 高反射镜可用金属制成 也可在玻璃表面镀以金膜 输出端可采用小孔耦合方式或由可透过红外光的Ge GaAs等材料制成输出窗 第二节气体激光器 D气体成分实验发现 当CO2激光器中充有适量的N2 CO Xe Ne H2 H2O等气体时 输出功率显著提高 而当充有Ar N2O等气体时 输出功率则显著下降 为提高输出功率 CO2激光器都充有不同组分的辅助气体 主要分为含N2组分与含CO组分两种 含N2组分为CO2 N2 He Xe H2 含CO组分为CO2 CO He Xe 含N2组分的输出功率要高于含CO组分 上述各种气体成分在CO2激光器中的主要作用 氮 N2是CO2激光器中最主要的辅助气体 其作用主要是提高CO2分子0001能级的激发速率 同时加快0110能级的弛豫速率 加入适量的N2后 能明显提高输出功率 但其含量不能太高 因总气压一定时 N2含量高 则CO2含量就相应降低 且放电时CO2离解出的O会与N2发生化学反应 生成N2O和NO 它们对CO2分子的0001能级有消激发作用 第二节气体激光器 一氧化碳 CO作用与N2类似 不仅能增大CO2分子0001能级的激发速率 还能加快0110能级的弛豫速率 但其含量过高时会造成对0001能级的消激发 氦 在CO2 N2混合气体中 加入适量的He He的含量可以是CO2的4 5倍 可以大幅度提高输出功率 其原因是 He原子质量轻 导热率高 其导热率比CO2和N2高约一个数量级 可有效降低工作气体温度 提高输出功率 另外He对CO2分子激光下能级1000 0200和0110的弛豫作用远大于其对激光上能级0001能级的弛豫作用 有利于实现粒子数反转 在高气压CO2激光器中 He的主要作用是改善气体放电的均匀性 氙 在CO2 N2 He混合气体中 加入少量的Xe 可使输出功率进一步提高约30 40 能量转换效率提高10 15 原因是 Xe的电离电位低 加入后可增加放电气体中的电离度 使E N值降低 充有Xe的放电管管压降可以下降20 从而提高激光器的效率 混合气体中Xe的含量有一最佳值 一般其分压强在107 160Pa之间 Xe的含量不可过高 过高虽使电子密度增加 但电子碰撞机会也随之增加 导致电子温度下降 第二节气体激光器 水蒸气和氢 在CO2 N2 He混合气体中再加入少量的水蒸气或H2 能提高器件的输出功率和使用寿命 原因是H2O分子对CO2分子激光下能级1000以及0110能级的弛豫速率很大 且H2O分子振动能级寿命很短 可以很快返回基态 H2的作用与H2O相同 因CO2分子在放电时会离解出O H2与O合成H2O 因H2在常态下是气体 其充入量比水蒸气更易于控制 故常用H2代替水蒸气 混合气体中 H2O和H2的含量一般在13 3 40Pa之间 不能过高 因为它们除对激光下能级1000和0110有很强的抽空作用外 对激光上能级0001能级也有显著的消激发作用 由于H2O和H2能对CO与O的复合起催化作用 故能延长CO2激光器的使用寿命 第二节气体激光器 E Co2激光器可分为以下七类 1 纵向慢流co2激光器气体从放电管一端流人 由另一端抽走 气流 电流均和光轴方向一致 气体流动的目的是排除Co2与电子碰撞时分解出来的CO气 并补充新鲜气体 第二节气体激光器 在这类激光器中 放电电流密度和气体压强均有一位输出功率最大的最佳值 电流度增加时激光上能级激发速率增加 但由此造成的气体温度的升高又会增加下能级集居数 因而存在一最佳电流值 同样 气体压强增高时一方面由于气体分子密度增加使反转集居数随之增加 另一方面 气体分子间更加频繁的碰撞又阻碍了热量向管壁的扩散 从而导致气体温度升高 实验表明 电流密度与压强的最佳值大致与放电管径成反比 在最佳放电条件下 激光器的输出功率约为 50一60 w m 2 封离型CO2激光器所谓封离型是指工作气体与He Ne激光器一样被封离在放电管内 这种结构的器件单位放电长度可输出的功率比流动型或气动型器件要低得多 一般输出功率都低于200W 第二节气体激光器 冷却回气放电谐振腔 第二节气体激光器 3 纵向快流CO2激光器在纵向慢流激光器中 放电产生的热量主要靠气体的扩散运动传给管壁 再由沿管壁外表而流动的冷却液带走 由于这种散热方式效率较低 电流密度和压强不能太大 因此限制了输出功率 如果提高气体流动速度 约50m s 使放电管内的热气流流出管外 在管外冷却后再返回放电管 则不再存在放电电流密度的最佳值 输出功率随放电电流密度线性增加 单位长度输出功率可达1kW m以上 目前 1 3 kw的纵向快流CO2激光器已广泛用于激光加工 与大功率的横向流动激光器相比 纵向快流c02激光器中放电电流密度分布的圆对称性较好 因此具有更好的光束质量 第二节气体激光器 第二节气体激光器 4 横向流动CO2激光器纵向快流Co2激光器需要很高的气体流速才能及时将热气体导出 若使气体流动方向与光轴垂直 由于气体通道截面大 气体流动路径短 因此较低的流速就能达到纵向快流同样的冷却效果 和纵向快流CO2激光器一样 在横向流动CO2激光器中 输出功率的电流饱和效应不明显 最佳气体压强高达1 3X104Pa 高压强运转有利于提高输出功率 但频繁的碰撞使电子温度降低 必须在强电场中才能维持足够高的电子温度 因此 在横向流动CO2激光器中 纵向放电不切实际 通常采用电场与光轴垂直的横向放电方式 采用横向放电方式的激光器称作TE激光器 此类激光器中单位长度输出功率可达每米数千瓦 总输出功率已高达 1 20 kw 第二节气体激光器 5横向激励大气压CO2激光器高气压横向激励激光器中 压强过高会导致放电不稳定 为此 常常采用脉冲放电激励方式 由于快速脉冲放电时放电不稳定过程来不及充分发展 因此气体压强可增高至大气压或高于大气压 由于压强高 横向激励大气压激光器 简称TEA激光器 单位体积输出能量可高达 10 50 J L 总能量和峰值功率可分别高达10KJ和20TW 在数个大气压的高气压情况下 由于压力加宽效应引起转动能级的重叠 出现准连续宽带增益谱 可导致波长在 9 2 10 7 um范围内的连续可调激光输出 第二节气体激光器 6 气动CO2激光器气动CO2激光器采用热泵浦方式 含有CO2的混合气体在容器内燃烧以形成高温高压状态 由于温度很高 CO2的激光上 下能级均具有较高的集居数密度 混合气体通过喷管绝热膨胀时气体温度急剧下降 但由于上能级的寿命较下能级长 集居数密度减少的速度较下能级慢 于是在膨胀区的相当大的范围内可形成集居数反转状态 气动CO2激光器的输出功率可达80kw 第二节气体激光器 7 波导CO2激光器所谓波导 在微波技术中是指用来引导电磁波的器件 波导激光器由于采用孔径很小 内表面反射率很高的空心导管对激光光束进行传输形成空心波导效果而得名 波导激光器由于自身结构的这一特点 使其激光振荡模式与普通激光器不同 普通激光器的光学谐振腔理论以电磁波在自由空间的传播为基础 而在波导激光器谐振腔中 电磁波在其传播途中的某一部分或全部上被波导所引导而不服从自由空间的传播规律 波导激光器本征模的特征已不主要取决于模尺寸 腔镜的曲率半径及其间距这些描述普通激光器本征模的特征参量 第三节固体激光器 固体激光器在激光器家族中具有最长的历史 在其发展进程中 我国的科学工作者曾做出过重要的贡献 我国研制的第一台激光器叫做 小球照明红宝石激光器 1961年8月诞生于中国科学院长春光机所 激光器的设计师是王之江教授 王之江教授因此被中国光学界尊称为 中国激光之父 小球照明红宝石激光器 在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步 主要表现在泵浦氙灯采用直管式 而非螺旋形 红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球心附近 这种结构可以获得更高的泵浦效率 直至今天 闪光灯泵浦的固体激光器还大都采用这种方式 本节中 将重点介绍固体工作物质 光泵浦系统 工作物质的热效应及其散热几方面的内容 第三节固体激光器 一 固体工作物质固体工作物质由固体基质材料和少量掺杂离子 金属离子 两部分构成 其中固体工作物质的物理性能由基质材料体现 而其光谱特性则由掺杂离子决定 基质材料有晶体和玻璃两大类 晶体又分为氧化物晶体和氟化物晶体 氧化物晶体有单一氧化物和混合氧化物 单一氧化物晶体如Al2O3 混合氧化物晶体如石榴石型晶体YAG YAP 氟化物晶体也有单一氟化物 如CaF2晶体和混合氟化物 如LiYF4晶体 玻璃则有硅酸盐玻璃 硼酸盐玻璃 磷酸盐玻璃等 掺杂离子有四类 1 三价稀土金属离子 如钕 Nd3 镨 Pr3 钐 Sm3 铕 Eu3 镝 Dy3 钬 Ho3 铒 Er3 镱 Yb3 等 2 二价稀土金属离子 如钐 Sm2 铒 Er2 铥 Tm2 镝 Dy2 等 3 过渡金属离子 如钛 Ti3 铬 Cr 镍 Ni3 钴 Co3 等 4 锕系金属离子 多具有放射性 不易制备 其中 只有铀 U3 曾有所应用 第三节固体激光器 固体工作物质十分丰富 达数百种 从中已获得激光谱线数千条 在一般固体工作物质中 参与受激辐射作用的离子浓度约为1025 1026m 3 比气体工作物质高3 4个数量级以上 且固体工作物质激光上能级的寿命也比较长 因此固体激光器比较容易获得大能量输出 适合于调Q 固体工作物质通常加工成圆棒状 也有盘片状的 棒侧面磨毛 对棒两端面的加工要求很高 两端面为垂直于棒轴向的平行平面 平行误差在5 10 之间 端面与棒轴向的垂直度 1 端面的平整度小于半个光圈 为避免端面反射和内部寄生振荡 端面镀有增透膜 固体工作物质的谱线加宽有均匀加宽和非均匀加宽 其中 均匀加宽由晶格热振动引起 而非均匀加宽则由晶格缺陷引起 因机构复杂 很难从理论上求得固体工作物质谱线加宽线型函数的具体表达形式 一般是通过实验求出它的谱线宽度 第三节固体激光器 红宝石晶体在低温时 谱线加宽主要是由晶格缺陷引起的非均匀加宽 室温时 以晶格热振动引起的均匀加宽为主 Nd3 YAG 因晶体质量比红宝石好 故由晶格缺陷引起的非均匀加宽可忽略 在整个温度范围内都以均匀加宽为主 钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起 均匀加宽则由玻璃网络体的热振动引起 二者所占比例因材料而异 在室温下 1 06 m谱线非均匀加宽为120 3600GHz 均匀加宽为60 225GHz 虽然非均匀加宽大于均匀加宽 但由于交叉弛豫过程 钕玻璃的增益饱和特性与均匀加宽工作物质相似 1 红宝石晶体 1 晶体的物理性质红宝石晶体是在Al2O3 刚玉 中掺入少量的Cr2O3 由Cr3 部分取代Al3 而成 其激活离子为Cr3 掺入Cr2O3的重量比为0 03 0 07 一般为0 05 晶体颜色为淡红色 其晶体结构如图3 24所示 第三节固体激光器 红宝石晶体是各向异性晶体 当入射光波长为700nm时 n0 1 763 ne 1 755红宝石晶体有三种生长方向 生长轴平行于光轴 为0 红宝石晶体 无偏振特性 生长轴垂直于光轴 为90 红宝石晶体 产生线偏振光 生长轴与光轴成60 为60 红宝石晶体 产生线偏振光 实际使用中 多用60 红宝石晶体 化学表达式 Cr3 Al2O3 第三节固体激光器 2 晶体的激光性质晶体的激光性质主要指其能级结构 吸收光谱和荧光光谱 能级结构 晶体的激光性质主要取决于Cr3 Cr的外层电子组态为3d54s1 掺入Al2O3后失去3个电子 剩下3d壳层上3个外层电子 3d3 红宝石晶体的光谱特性即是由这3个电子跃迁形成的 晶体与激光跃迁有关的部分能级结构如图3 25所示 第三节固体激光器 图3 25中 2E能级为激光上能级 也是亚稳能级 Cr3 在该能级的寿命约为3ms 由于晶格场的作用 该能级分裂为2A和E2个子能级 能级差29cm 1 粒子由这两个能级向基态跃迁时产生692 9nm和694 3nm两条谱线 4A2能级为激光下能级 也是基态能级 F1与4F2为两个吸收能级 粒子在其上的寿命约为纳秒量级 故很快通过辐射跃迁弛豫到激光上能级 Cr3 的能级结构属三能级系统 因而其器件阈值比较高 只能以脉冲方式运转 吸收光谱 由于红宝石是各向异性晶体 故其吸收特性与光的偏振状态有关 当入射光的振动方向平行或垂直于晶体光轴C时 晶体的吸收曲线略有不同 如图3 26所示 红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带 一个称为紫带 或U带 中心波长位于410nm附近 带宽为360 450nm 对应于4A2向4F1能级的跃迁吸收 另一个称为绿带 或Y带 中心波长位于550nm附近 带宽为510 600nm 对应于4A2向4F2能级的跃迁吸收 基于红宝石晶体的吸收光谱 适于采用脉冲氙灯这类强可见光光源进行泵浦 第三节固体激光器 荧光光谱 红宝石晶体有两条强荧光谱线 分别称为R1线和R2线 R1线中心波长为694 3nm 对应于E 4A2能级的自发辐射跃迁 R2线中心波长为692 9nm 对应于2A 4A2能级的自发辐射跃迁 第三节固体激光器 红宝石激光器通常只产生694 3nm激光 692 9nm不能形成振荡的主原因有两条 其一 跃迁到激光上能级E和2A上的粒子数服从玻尔兹曼分布 能级上约占53 2A能级上占47 其二 R1线的荧光强度高于R2线 使R线的受激辐射几率高于R2线 因此 R1线先达到阈值形成激光振荡 由于2A与E两能级之间能级差很小 粒子交换频繁 E上的粒子跃迁后 2A能级上的子迅速转移到该能级 从而进一步抑制了R2线的振荡 当激光脉冲持续时间大于10 9s时 激光上能级的粒子都会通过R1线的受激辐射而返回基态 3 温度对红宝石晶体的影响红宝石晶体的性能易受温度的影响 主要表现在以下几方面 其一 温度上升导致红宝石激光中心波长向长波方向移动 如图3 27 a 所示 这是由于温度上升使晶格场变化加剧 能级发生位移 造成激光上 下能级差缩小所致 第三节固体激光器 其二 温度上升导致荧光线宽加宽 量子效率下降 红宝石R1 R2线荧光线宽与温度的关系如图3 27 b 所示 红宝石晶体低温下性能优良 温度升高将使其荧光谱线展宽 量子效率下降 从而导致器件阈值上升 效率下降 严重时会引起 温度猝灭 因此 红宝石激光器在室温条件下以脉冲方式运转 第三节固体激光器 4 红宝石晶体的主要特点主要优点为 机械强度和化学稳定性高 能承受很高的激光功率密度 易生成较大尺寸 亚稳态寿命长 储能大 可获得大能量输出 荧光谱线较宽 易获得大能量单模输出 低温性能优良 输出可见光 从应用观点看 红宝石激光器输出可见光极具吸引力 一是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见光区 而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长则位于近红外区域 二是对于全息照相等应用 需要使用可见光作为光源 缺点 能级结构属三能级系统 器件阈值高 晶体性能