华中科技大学激光原理课件--第25讲 典型激光器介绍.ppt

激光原理与技术原理部分,第2.5讲典型激光器介绍,2.5典型激光器介绍,固体激光器：红宝石、Nd:YAG气体激光器：原子、分子、离子液体激光器：染料激光器新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、自由电子激光器、化学激光器,2.5典型激光器介绍,固体激光器的基本结构与工作物质1.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。右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)。2.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(Al2O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，它属于三能级系统。3.掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG)工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3)，它属于四能级系统。,2.5典型激光器介绍,红宝石中铬离子的能级结构,Nd3:YAG的能级结构,固体激光器的泵浦系统固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目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。泵浦光源应当满足两个基本条件。常用的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，所以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。右图所示的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，其横截面是一个椭圆。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。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。,2.5典型激光器介绍,固体激光器的基本特性能量转换效率低，要经过电、光、原子、激光的途径来形成受激辐射放大；运行方式有连续、脉冲、调Q、放大、调制等；输出光谱有数千条，覆盖了可见光、近红外光、紫外（利用晶体实现倍频）；输出峰值功率极高（锁模）-太瓦、飞秒；,2.5典型激光器介绍,QuantelFrequency-DoubledNd-YAG,2.5典型激光器介绍,单脉冲能量：500mJ脉冲宽度：5ns峰值功率：108W=0.1GW重复频率：10Hz平均功率：5W,2.5典型激光器介绍,气体激光器的分类原子-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氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体，有时也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子气体，或铯、镉、铜、锰、锡等金属原子蒸气。分子（准分子）-产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的分子气体有：CO、N2、O2、CO2、N2O和水蒸气等；准分子激光器的工作气体在常态下为原子，当受到激发时，可暂时形成寿命很短的分子，称为准分子，这种分子也能产生激光。常采用的准分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。离子-利用电离后的气体离子产生激光作用，主要有惰性气体离子和金属蒸气离子。离子激光器的典型代表是氩离子(Ar+)和氦-镉(He-Cd)离子激光器,2.5典型激光器介绍,气体激光器的工作原理电激励-气体放电在高电压下，气体分子发生电离导电(叫做气体放电)，被电场加速的电子与气体原子(或分子、离子)碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子数反转，这一过程称为放电激励。气体放电可采用直流或交流的连续放电、射频放电(高频放电)、脉冲放电等形式。直流和交流放电又分为纵向放电和横向放电两种。除放电激励外，还可用电子枪产生的高速电子去激励气体，使之跃迁到高能级，这称为电子束激励。,2.5典型激光器介绍,氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如右图所示。He-Ne激光器是典型的四能级系统。,2.5典型激光器介绍,He-Ne激光器,封离式CO2激光器结构示意图,2.5典型激光器介绍,二氧化碳激光器下图是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。,2.5典型激光器介绍,与产生激光有关的CO2分子能级图,分段石墨结构Ar+激光器示意图,2.5典型激光器介绍,Ar+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。如下图所示为石墨放电管的分段结构。,2.5典型激光器介绍,2.5典型激光器介绍,气体激光器的输出特性输出功率大-气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布，且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。例如高功率电激励CO2激光器连续输出功率已达数万瓦以上。效率高-大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前，CO2激光器的电光转换效率已达到25，而CO激光器在低温条件下可达到50。谱线范围宽-目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段，甚至X射线、射线波段。光束质量优-工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量，在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne激光的单色性很高，很容易达到10-910-11nm，其发散角只有l2毫弧度。,自由电子激光器1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。自由电子激光器的工作原理磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动，从而产生辐射，当速度接近光速的电子作圆周运动时，将会辐射出光子，由于这种辐射是1947年在同步加速器上被发现的，因而被命名为同步辐射（Synchrotronradiation）；切伦科夫辐射当电子在介质中运动时，如果它们的速度比光在介质中的相速度大，电子也会产生光辐射，其波长随着电子速度而变化，虽然光很弱，但却是单色性很好的辐射光。,2.5典型激光器介绍,2.5典型激光器介绍,2.自由电子激光的特点高功率：平均功率可达到1MW；高效率：理论效率可达到50%；宽波长可调谐范围：原则上输出波长可以覆盖从微波、红外、可见光到真空紫外波，甚至到X射线整个谱区。3.上海光源全波段：从远红外到硬X射线连续可调高强度：总功率为600千瓦；优良的脉冲时间结构：其脉冲宽度仅为几十皮秒，相邻脉冲间隔可调为几纳秒至微秒量级