激光的基本知识

激光器的基本知识,一、激光的起源,激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）,某些物质原子中的粒子受光或电的激发，由低能级的原子跃迁为高能级的原子，当高能级原子的数目大于低能级原子的数目时，就发射出位相、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激光。,1960年5月15日，在休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一项重要的实验。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突然，一束深红色的亮光从装置中射出，它的亮度是太阳表面的4倍！这是一种完全新型的光，科学家渴望多年而自然界中并不存在的光，它被命名为Laser，是英文“受激辐射光放大大缩写，这就是激光。产生激光的装置被称为激光器。激光和激光器的问世，被称为20世纪最重大的科学发现之一。,1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激光技术的诞生。,自发辐射跃迁,定义：发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级E1,并发射一个频率为的光子。,受激辐射跃迁,定义：处于高能级E2的发光粒子在光子诱发下,跃迁到低能级E1,并发射一与诱发光子同一光子态的光子。,受激吸收跃迁,定义：处于低能级E1的发光粒子吸收了光子后,跃迁到高能级E2。,二、激光的特点,亮度大,单色性好,方向性强,相干性好,方向性强：激光几乎是一束定向发射的平行光，其发射角很小，可在1以下。用红宝石激光器将直径为1mm的光束射向月球，通过380000km的距离，月球上的光斑直径仅有1.6km而普通探照灯（光束直径约为0.3m）射出1km，光斑直径就有10m。,亮度大：目前，功率极大的激光，其亮度可达到太阳亮度的100亿倍以上。若用透镜将起会聚，可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度。因此，它可在极小的局部范围内产生几百万摄氏度的高温，几百万个大气压的高温和几十亿伏特每米的强电场。,单色性好：单一频率的光是理想的单色光。激光近乎单一频率。例如氦氖激光器输出激光的中心波长=632.8nm，激光谱线的线宽v=10-4Hz；普通光源中单色性最好的氪灯，=605.7nm，而v=104-106Hz。,相干性好：激光的线谱宽度极窄，相应在空间的分布也不随时间的变化，其相干长度可达到100km，而普通单色光的相干长度只有米的量级。激光横向相干面积也很大，其光截面的各个部分都是相干波源。,2、泵浦源(光泵、放电管),对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转,3、谐振腔(半反镜与全反镜),(1)维持激光振荡,(2)改善激光质量如单色性、方向性,(1)激活粒子(分子、原子、离子)发光,(2)基质寄存激活粒子的材料,1、激光工作物质,三、激光器构造,四、本征纵模频间隔,相邻两个纵模的频率间隔,2、计算,证,由驻波条件：光波从腔内某一点出发，经过往返一周的传播后，再回到原来的位置上时应与出发时同相位，也就是说光波往返一周的的位相延滞等于2pi的整数倍。数学表达式为：,1、定义,其中：,得本征纵模的频率为,由上式可得：,该式的物理意义是，当谐振腔长度给定后，它只能对频率满足该式的激光模式提供正反馈，使之产出振荡。满足这个谐振条件的驻波场或本征纵模有无数多个。q表示对应模序数q的本征纵模频率。,由本征纵模的频率,可得到相邻两个本征纵模之间的频率间隔应为：,两红线之间的频率间隔为：,五、激光器的分类,1、工作物质形态-可以分为气体、固体、半导体、液体、等,2、工作方式-连续工作和脉冲工作,3、激光技术-调Q激光器、锁模激光器、倍频激光器、可调谐激光器、单模和多模激光器等,气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子,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,（1）氦-氖(He-Ne)激光器,六、典型激光器,1、气体激光器,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。,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：0.6328m（红色）、3.39m和1.15m，常用的为0.6328m四能级系统,氦氖激光器（四能级系统）,He-Ne激光器的基本结构形式,He-Ne激光器的结构可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图所示。,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He-Ne激光器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。若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。,（2）激光器,属于气体激光器，分子激光器波长911um，最常见10.6um效率高光束质量好功率范围大（几瓦几万瓦）运行方式多样结构多样,CO2激光器的结构和激发过程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。,CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，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，这都会使粒子的反转数减少。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。,CO2激光器温度效应,2、固体激光器,OFF,ON,全反镜,半透半反,电源,灯,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。下图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图。,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)，其吸收光谱如图所示。,Nd3:YAG晶体的吸收光谱,Nd:YAG激光器,YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图所示