激光原理与技术 （原理、技术、应用全套教案）第七章.doc

激光原理与技术 第七章第七章 典型激光器第一节 固体激光器基质：绝缘体或玻璃激活物质：过渡金属离子或稀土离子离子密度1025-1026/m3(较气体高3个量级），上能级寿命长（10-410-3）S，能够获得大能量输出、调Q、锁模一、光泵激励脉冲氙灯、氪灯和碘钨灯主要特点：价格便宜，结构简单缺点：放电灯的发射谱由连续谱或线状普组成，覆盖很宽的波长范围，只有一部分能量分布在激光工作物质有效吸收带内，电光转换效率约为15%，Nd:YAG激光器的效率约为1-3%，效率较低。二、半导体激光二极管激励特点：小型化、全固态、长寿命、热效应小，激光二极管发射波长和泵浦吸收谱线匹配，效率高，总效率可达7-20%。1） 端面泵浦方式结构简单、光束与谐振腔模匹配良好，阈值功率低，效率高端面M1对泵浦光增透，对固体激光器全反，M1和M2构成平-凹腔，透镜系统增加泵浦光与腔模匹配度2)侧面泵浦适用于大面积、大功率的半导体激光器阵列作泵浦源结构主要特点：A.一侧放置全反射板;B.激光通过侧面圈内反射传输，经过增益介质的有效长度大于外形长度。二、红宝石激光器基质：Al2O3激活离子：Cr3+泵浦光（360-450）nm和（510-610）nmR1线694.3 nm； R2线692.9nmR1线和R2线竞争属于三能级系统E3能级4F1和4F2 E2能级2E() E1能级4A2Q调制：1050MW，脉宽10-20ns锁模：109W，脉宽10ps三、钕激光器基质：Y3AlO12,硅酸盐或磷酸盐激活离子：Nd3+Nd3+中的三套激光产生能级系统以Y3AlO12为基质时，阈值低，热导率高，连续激光器输出功率超过1000W,每秒5000次重复频率激光器输出峰值功率达到千瓦以上，每秒几十次重复频率的调Q激光器峰值功率可以达到几百兆瓦。以硅酸盐或磷酸盐为基质时，称为钕玻璃。荧光寿命长，适用于制作锁模器件，脉冲宽度小于1ps； 容易制作大尺寸材料，能够制作大能量、大功率激光器；热导率低，阈值高，不宜于连续和高重复率工作。四、钛宝石激光器基质：Al2O3激活离子：Ti3+(1.2%)2D能级在晶格场作用下分裂为2T2g（基态）和2Eg（激发态）泵浦波长：400-600nm发光波长：660-1180nm，峰值790 nm荧光线宽很宽，可制作飞秒量级的锁模激光器。上能级寿命 3.8s，须用大功率激光直接泵浦。第二节 气体激光器均匀性好谱线宽度窄激活离子密度低泵浦方式：电泵浦、化学泵浦、热泵浦、核泵浦一、He-Ne激光器最早的气体激光器，连续运转可见光，结构简单，价格低廉等，在准直、定位、全息、测量、精密计量方面应用广泛。1 能级结构阳极和阴极间通过充有氦氖混合气体的毛细管放电，在放电的过程中，受电场加速而获得足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，在某些能级间形成反转粒子数分布激光工作物质：NeHe为辅助气体，提高泵浦效率Ne的3P4，2P4寿命短，并且粒子数均由电子碰撞激发和高能级串联激发产生，数量少，容易与3S2，2S2间产生反转粒子数分布2谱线竞争3.39m, 1.15m,632.8nm谱线都很强，起振谱线由谐振腔介质膜反射镜的波长选择决定。3.39m和632.8nm具有相同的上能级，谱线间存在强烈的竞争，而且3.39m还具有更强的增益系数。在激光器比较长时，除反射镜的波长选择外，还可加入色散棱镜、波长吸收元件对3.39m进行抑制。3放电参数对输出功率的影响 1）上能级粒子数密度随电流先迅速增加，然后趋于饱和，下能级粒子束随电流正比增加，存在最佳电流值 2）压强下降是激发速率增加，管径减小使电子和离子的管壁复合加剧，存在最佳的Pd值。 3）Ne原子比例过小会造成工作物质粒子数减少，Ne原子比例过大，会影响激发速率。二、Ar+离子激光器Ar原子与快速电子碰撞电离，形成基态氩离子3P5激光上能级粒子的集聚：1） Ar+与电子碰撞直接跃迁到4P能级2） Ar+与电子碰撞跃迁到高于4P的其他能级，在通过级联辐射跃迁至4P3） 基态Ar+跃迁到低于4P的亚稳态能级，再与电子碰撞跃迁至4P能级4P能级寿命约为10-8s，4S能级寿命约为10-9s，两能级间形成粒子数反转。4P能级和4S能级均对应若干子能带，可产生9条蓝绿光谱线，其中以488nm和514.5nm谱线最强Ar原子电力能量较高(15eV),上能级激发能量(20eV),所以充气压强很低,一般低于150Pa,为增加放电管内电子密度,氩离子激光器必须采用大电流弧光放电,电流超过106A/m2。三、CO2激光器 输出能量大，能量转换效率高，波长10.6m大气窗口。 工作物质为CO2,N2和He的混合气体。激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的振动转动能级之间N2提高上能级的激励效率He有助于下能级抽空四、N2分子激光器337.1nm最强，357.7nm次