第二章：激光材料2

1、B12B21A21E2E12121nwnAwE1和和E2能级上单位体能级上单位体积的原子数分别为积的原子数分别为n1和和n2。原子的吸收速率和受原子的吸收速率和受激辐射速率都等于激辐射速率都等于wA21是自发辐射系数是自发辐射系数212221()dnw nnndt20dndtn2的变化率的变化率:吸收和辐射平衡时：吸收和辐射平衡时：wA31w23A32E3E2E1A21w121232331323212313221232121233132wnw nnAwAwAnwnw nnwA 313132323232121212232323dnwnA nw nA ndtdnw nA nw nA ndtn2，

2、n3的变化率的变化率:320dndndtdt吸收和辐射平衡时：吸收和辐射平衡时：2121nwnw快快慢慢快快EE3E2E1在外界激励的条件下，基态在外界激励的条件下，基态E1的粒子大量地跃迁到的粒子大量地跃迁到E4，又迅，又迅速转移到速转移到E3，E3是亚稳态寿命长，是亚稳态寿命长，E2能级寿命短，到了能级寿命短，到了E2能能级的粒子很快回到基态。级的粒子很快回到基态。因此，因此，四能级系统的粒子数反转是四能级系统的粒子数反转是E2和和E3之间之间。 （1）红宝石晶体）红宝石晶体红宝石的化学表示式为红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子其激活离子是三价铬离子Cr3+

3、,基质是刚玉晶基质是刚玉晶体体(化学成分是化学成分是A12O3)。红宝石是在红宝石是在Al2O3中掺入适量的中掺入适量的Cr3+,使使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。掺入而成。掺入Cr2O3的的最佳量一般在最佳量一般在0.05%(重量比重量比)左右左右,相应的相应的Cr3+密度为密度为ntot=1.58x1019cm-3。 红宝石晶体结构红宝石的基本物理化学特性莫氏硬度9熔点2050（摄氏度）热导率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)热膨胀系数6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）化学性质稳定，抗腐蚀Cr3+在很强的晶格场作用下在很强的晶格场作

4、用下,其能级发生很大其能级发生很大的变化的变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。组成的情况。4A2是基态又是激光下能级是基态又是激光下能级,其简并度其简并度g1=4, 2E是亚稳态是亚稳态,它是由能量差为它是由能量差为29cm的的2A和和E二二能级组成能级组成,其简并度都为其简并度都为2。4F1和和4F2是两个是两个吸收能带。吸收能带。红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构原子原子Cr的外层电子组态为的外层电子组态为3d54s1,掺掺入入Al2O3后失去外层三个电子成为三后失去外层三个电子成为三价铬离子价铬离子Cr3+，Cr3+的最外层电子组的

5、最外层电子组态为态为3d3。由由4A2向向4F1跃迁吸收紫蓝光跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在峰值波长在0.41um附近附近,称为紫带或称为紫带或U带。带。由由4A2向向4F2跃迁吸收黄绿光跃迁吸收黄绿光,峰值波长在峰值波长在0.55m附近附近,称为绿带或称为绿带或Y带。带。这是两个很强很宽的吸收谱带这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约吸收带宽均约0.1um左右。左右。由于红宝石晶体的各向异性由于红宝石晶体的各向异性,它的吸收特性与光的偏振状态有关。它的吸收特性与光的偏振状态有关。红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构 红宝石有两条强荧光

6、谱线红宝石有两条强荧光谱线(R1和和R2线线),分别为分别为E和和2A能态向能态向4A2跃迁产生的跃迁产生的,室温下对应室温下对应的中心波长分别为的中心波长分别为0.6943um和和0.6929um。通常红宝石激光器中只有通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943m线才能形成激光输出。线才能形成激光输出。（1）亚稳态能级）亚稳态能级2E分裂成分裂成2A和和E两能级，跃两能级，跃迁到迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和和E上上,2A能级上约占能级上约占47%，E能级上约占能级上约占53%。E能级比能级比2A能级有更多的粒子数。能级有更多的粒子数。（2）由

7、于）由于R1线荧光强度比线荧光强度比R2线高线高,使得使得R1线线的受激辐射几率比的受激辐射几率比R2线高。因此线高。因此,R1线容易达线容易达到阈值而形成激光振荡。到阈值而形成激光振荡。红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构为什么红宝石激光器通常只产生为什么红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射？的受激辐射？（3）2A和和E相距很近相距很近,一旦一旦E上的粒子跃迁后上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地上的粒子便迅速地(约约10ns)转移到转移到E上去上去,这就加强了这就加强了R1线线,而抑制了而抑制了R2线。在激光脉冲持续时线。在激光脉冲持续时间远大于间远大于10-9s时

8、时,亚稳态上的位子均将通过亚稳态上的位子均将通过R1线的受激辐射回到基态线的受激辐射回到基态,因因此可把此可把E,2A合并起来看成一个简并度合并起来看成一个简并度g2=4的能级。的能级。缺点缺点是阈值高是阈值高(因是三能级因是三能级)和性能易随温度变化。和性能易随温度变化。优点优点:机械强度高机械强度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度; 容易生长成较大尺寸容易生长成较大尺寸; 亚稳态寿命长亚稳态寿命长,储能大储能大,可得到大能量输出可得到大能量输出;荧光谱线较宽荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输出容易获得大能量的单模输出;低温性能良好低温性能良好,可得到连续输出可得到连续输

9、出;红宝石激光器输出的红光红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此因此,红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸大尺寸单脉冲器件单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出出(用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验用这

10、类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器件。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。Nd3+:YAG的激活离子为的激活离子为Nd3+,基质是基质是YAG晶体晶体(钇铝石榴石晶体钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称的简称)。Nd3+部分取代部分取代YAG中的中的Y3+便成为便成为Nd3+:YAG。一般含一般含Nd3+量为量为1%原子比原子比,此时此时Nd3+的密度为的密度为1.381020cm-3,颜色为淡颜色为淡紫色紫色。实际制备时是将一定比例的实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶

11、而成。在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系属立方晶系,是各向同性晶体。是各向同性晶体。掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子的激活粒子是钕离子(Nd3)Nd3:YAG 晶体的吸收光谱晶体的吸收光谱Nd3:YAG 的能级结构的能级结构掺掺Nd3的的YAG中中属于四能级系统。属于四能级系统。 1.06um比比1.35um的荧光约强四倍的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振的谱线先起振,进而抑制进而抑制1.35um谱线起谱线起振振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常只产生激光器通常只产生1.06um激光。激光。1961年出现钕玻璃激光器。年出现钕玻璃激光器。钕玻璃

12、是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。制成的。最佳掺入最佳掺入Nd2O3量为量为1%5%重量比。对应重量比。对应3%的掺入量的掺入量,Nd3+的浓的浓度为度为31020/cm3。Nd3+在硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。在硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。玻璃的制备工艺比较成熟玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径直径30100mm,可用来制可用来制成特大能量的激光器。小的可以

13、做成直径仅几微米的玻璃纤维成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路用于集成光路中的光放大或振荡。中的光放大或振荡。缺点：缺点：钕玻璃最大的缺点是导热率太低钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高因此不适于作连续器件和高频运转的器件频运转的器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。且在应用时要特别注意防止自身破坏。钕玻璃激光器钕玻璃激光器E4:含三个吸收带含三个吸收带(抽运能带抽运能带) *(吸收特定波长的光而跃迁到吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带这三个吸收带) 2/52G2/92F2/74F(中心波长中心波长5900A)(.

14、 7500A)(. 8000A)E3:三条激光谱线公共的激光三条激光谱线公共的激光上能级上能级 2/34FE2: 含二条激光谱线的二个激含二条激光谱线的二个激光下能级光下能级(四能级系统四能级系统), 即即2/314I2/34F2/314I( ,对应对应1.4m 谱线谱线)2/114I( ,对应对应1.06m谱线谱线) 2/34F2/114IE1:基态基态, 一条激光谱线的激光一条激光谱线的激光下能级下能级(三能级系统三能级系统): 2/94I2/34F2/94I( 对应0.9m谱线) 跃迁谱线跃迁谱线: 1.06m:四能级系统四能级系统, 跃迁跃迁几率大几率大, 通常可观察到通常可观察到;

15、1.4m: 四能级系统四能级系统, 跃迁跃迁几率较小几率较小, 不一定可观不一定可观 察到察到;0.9m:三能级系统三能级系统, 难实难实现粒子数反转现粒子数反转, 一般不一般不 出现出现. 一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励一般都采用光泵浦激励。惰性气体放电灯惰性气体放电灯( (灯内充入氙山、氪等惰性气体灯内充入氙山、氪等惰性气体) )金属蒸气灯金属蒸气灯( (灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）卤化物灯卤化物灯( (碘钨灯、镊钨灯等碘钨灯、镊钨灯等) )半导体激光器半导体激光器日光泵日光泵( (用聚光镜将日光会聚

16、到激光棒中用聚光镜将日光会聚到激光棒中) )常常用用的的泵泵浦浦光光源源脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高, ,是红宝石钕玻璃和是红宝石钕玻璃和Nd:YAGNd:YAG脉冲激光器中应脉冲激光器中应用最广泛的一种灯用最广泛的一种灯. .氪灯在低电流密度下工作时氪灯在低电流密度下工作时, ,其辐射光谱与其辐射光谱与Nd:YAGNd:YAG泵浦吸收带相匹配泵浦吸收带相匹配, ,故在连续和小能量故在连续和小能量脉冲脉冲Nd:YAGNd:YAG器件中得到比较多的采用。器件中得到比较多的采用。碘钨灯用碘钨灯用220V220V电压即可电压即可, ,使用简单、方便

17、使用简单、方便, ,在功率小于在功率小于1OW1OW的连续的连续Nd:YAGNd:YAG器件中可以应用。器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压乘蒸气灯红宝石连续激光器多用高压乘蒸气灯, ,它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小砷化镓半导体激光器体积小, ,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配, ,可用于小型掺可用于小型掺铁激光器。铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。灯泵浦系统包括灯泵浦系统包括泵灯泵灯和和聚光器聚光器。 二、泵浦光源应当满足两个基本条二、

18、泵浦光源应当满足两个基本条件。件。有很高的发光效率辐射的有很高的发光效率辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配光谱相匹配. .电极是用高熔点、高电子发射率电极是用高熔点、高电子发射率, ,又不易溅射的金属材料制成。常用的电极又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨。材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨。高功率灯的电极要设计成水冷结构高功率灯的电极要设计成水冷结构, ,见图见图(b)(b)。灯管材料用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管材料用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙灯管内充入氙(Xe)(Xe)、氪、

19、氪(kr)(kr)气体。气体。电极电极灯管灯管充入的气体充入的气体聚光器的作用：聚光器的作用：将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去聚光将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去聚光器设计得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。器设计得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。泵浦腔泵浦腔聚光器的分类：聚光器的分类：椭圆柱聚光器椭圆柱聚光器圆柱聚光器圆柱聚光器这种聚光器的内反射表面的这种聚光器的内反射表面的横截面是一椭圆横截面是一椭圆。“焦上放置焦上放置”如果把直管灯和棒分别置于椭圆柱聚光器的两条如果把直管灯和棒分别置于椭圆柱聚光器的两条焦线上焦线上( (如图如图a a所示所示

20、),),则可以得到比较好的聚光效果。则可以得到比较好的聚光效果。“焦外放置焦外放置” 将泵灯和激光棒平行地安置在焦线和腔壁之间将泵灯和激光棒平行地安置在焦线和腔壁之间 ( (如如图图b b所示所示) )。图图b b椭圆腔的焦外几何光路椭圆腔的焦外几何光路图图a a椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光器椭圆柱聚光器椭圆长轴上焦点外任意点发出的光椭圆长轴上焦点外任意点发出的光, ,经椭圆经椭圆反射后必交于另一端焦点外的长轴上反射后必交于另一端焦点外的长轴上, ,因此因此, ,焦外放置的棒可以截获焦外放置的泵灯所辐焦外放置的棒可以截获焦外放置的泵灯所辐射的大部分能量。射的大部分能量。焦外放置不如焦上放

21、置成象质量好焦外放置不如焦上放置成象质量好, ,但采用但采用焦外放置焦外放置, ,结构设计上可以做得比较紧凑。结构设计上可以做得比较紧凑。 设椭圆的长半轴为设椭圆的长半轴为a,a,短半轴为短半轴为b, ,焦距为焦距为2 2c, ,偏心率为偏心率为e=c/a. 为了尽可能利用沿轴向发射的泵灯光能为了尽可能利用沿轴向发射的泵灯光能, ,在椭圆柱的两端应有反射端在椭圆柱的两端应有反射端面。但当聚光器横向尺寸较小面。但当聚光器横向尺寸较小, ,而轴向尺寸比棒、灯长得多时而轴向尺寸比棒、灯长得多时, ,两端也可以两端也可以不加反射面不加反射面, ,因为此时可利用的轴向光能很少。因为此时可利用的轴向光能很

22、少。cabO在灯内径和激光工作物质确定后在灯内径和激光工作物质确定后, ,e越小越小, ,聚光器的聚光效率越高聚光器的聚光效率越高, ,因为因为e小小, ,泵灯截面经椭圆面反射后成象弥散小泵灯截面经椭圆面反射后成象弥散小, ,光能被工作物质截获得多。光能被工作物质截获得多。但但e太小太小, ,意味着意味着a大或大或c小小. .a大则聚光器尺寸大。大则聚光器尺寸大。c小则二焦点靠得近小则二焦点靠得近, ,采用采用 焦点焦点 放置时则灯和工作物质靠得近放置时则灯和工作物质靠得近, ,直照强直照强, ,容容易造成工作物质光照不均匀易造成工作物质光照不均匀, ,影响激光光斑质量影响激光光斑质量. .因

23、此因此, ,一般取一般取e=0.4为宜为宜。这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔, ,激光棒和泵灯置于轴线两激光棒和泵灯置于轴线两侧侧. .由于圆相当于焦点重合的椭圆由于圆相当于焦点重合的椭圆, ,因此圆柱聚光器内棒、灯的放置相因此圆柱聚光器内棒、灯的放置相当于椭圆柱聚光器的当于椭圆柱聚光器的 焦外放置焦外放置 。圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光器强圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光器强, ,而且在同样棒、而且在同样棒、灯直径情况下灯直径情况下, ,圆柱聚光器横截面积大圆柱聚光器横截面积大, ,体积也大。体积也大。但圆柱聚光器具有结构简单、

24、加工方便等优点。但圆柱聚光器具有结构简单、加工方便等优点。圆柱聚光器圆柱聚光器两种聚光器的比较两种聚光器的比较三、固体激光器的泵浦系统还要三、固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷。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。却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。 四、泵浦灯和工作物质之间插入四、泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。滤去泵浦光中的紫外光谱。 一、氦一、氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器气体激光器放电管中充入一定比例的氦（放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（）、氖（Ne）

25、气体，当电极加上高电压后，）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。贮气室与毛细管相连，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He, Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用 热胀系数小的石英玻璃制作。热胀系

26、数小的石英玻璃制作。 He-Ne激光器激光器激光管激光管激光电源激光电源放电管：放电管：毛细管和贮气室毛细管和贮气室电极电极光学谐振腔组成。光学谐振腔组成。He-Ne激光器的基本结构形式激光器的基本结构形式氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器基本结构形式激光器基本结构形式 HeNe激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%2，凹面镜为全反射镜。，凹面镜为全反射镜。 HeNe激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同

27、可分内腔式、外腔式和半内腔式。腔式、外腔式和半内腔式。 将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端。将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端。优点：优点：使用时不必进行调整，非常方便，使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。不易碎裂，安装方便。 缺点：缺点：在工作过程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造在工作过程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性

28、越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。并且污染后也无法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式。稳定性不如旁轴式。 内腔式内腔式 优点：优点：这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量可

29、增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。激光输出。缺点：缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便使用不方便. 但体积大，安装但体积大，安装使用不方便，易破碎。使用不方便，

30、易破碎。 外腔式外腔式氦和氖原子的能级图氦和氖原子的能级图 与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图原子的部分能级图激光器的工作气体是激光器的工作气体是He和和Ne，其中产生激光跃迁的是其中产生激光跃迁的是Ne气，气，He是辅助气体，用以提高是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。原子的泵浦速率。He原子有两个电子，没激发时这原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布在两个原子都分布在1S0壳层上，壳层上，He原子处于基态。原子处于基态。当当He原子受激时，使其中一个电原子受激时，使其中一个电子从子从1S激发到激发到2S，He原子成为原子成为激发态。激发态。 He原子有两个亚稳态原子

31、有两个亚稳态能级，分别记为能级，分别记为23S1、21S0。与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图原子的部分能级图氖原子的能级图氖原子的能级图 Ne原子有原子有10个个电子，基态电子，基态1S0(电子电子分布为分布为1S22S22P6)。激发态为激发态为1S、2S、3S、2P、3P等，它等，它们对应的外层电子组们对应的外层电子组态分别为态分别为2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。HeNe激光器的激发过程激光器的激发过程 在在HeNe激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图可见，第一是

32、共振转移。由能级图可见，He原子的原子的21S0、23S1态分别与态分别与Ne原子的原子的3S、2S态态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%，其转移过程如下：，其转移过程如下：s2s1Nes3s12s32Hep2p3632.8nm共振转移共振转移 第二是电子直接碰撞激发。在气体第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态放电过程中，基态Ne原子与具有一定原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到发到2S和和3S态，与共振转移相比，这态，与共振转移相比，这种过程激发的速

33、率要小得多。种过程激发的速率要小得多。 第三是串级跃迁，第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到激发到更高能态，然后再跃迁到2S和和3S态，与前述两过程相比，此过程贡态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。献最小。 与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图原子的部分能级图 根据能量跃迁选择定则，根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以原子可以产生很多条谱线，其中产生很多条谱线，其中最强最强的谱线有三条，的谱线有三条，即即0.6328um、3.39um和和1.15um，对，对应跃迁能级分别为应跃迁能级分别为3S22P4,3S23P4和和2S22P4。2P和和3

34、P态，不能直接向基态态，不能直接向基态跃迁，而向跃迁，而向1S态跃迁很快。态跃迁很快。lS态向基态的态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这就是为什么给管壁，自己回到基态。这就是为什么HeNe激光器中要有一根内径较细的放激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。电管的原因。 从能级图可见，从能级图可见，HeNe激光器是典型激光器是典型的四能级系统。的四能级系统。HeNe激光器的输出特性激光器的输出特性 谱线竞争谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线：激光

35、器三条强的激光谱线： 3S2P 0. .6328 m ， 2S2P 1. .15 m ， 3S3P 3. .39 m 中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。中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。 0.6328um和和3.39umm两条激光谱两条激光谱线有共同的激光上能级线有共同的激光上能级3S,而后者增益系数而后者增益系数比较高比较高,如果不进行抑制如果不进行抑制,则则3.39um的辐射的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子。态原子。抑制抑制3.39um辐射的办法主要有辐射的办法主要有:与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne

36、原子的部分能级图原子的部分能级图选用对选用对3.39um的光具有低反射率的谐振的光具有低反射率的谐振腔反射镜腔反射镜,使使339um达不到阈值条件达不到阈值条件,如下如下图所示图所示,在腔内加色散棱镜在腔内加色散棱镜,将两谱线分开将两谱线分开,通过调整谐振腔反射镜的位置通过调整谐振腔反射镜的位置,只允许只允许0.6328um的辐射起振的辐射起振,而使而使3.39um的辐的辐射偏离出谐振腔外射偏离出谐振腔外;腔内放置甲烷吸收盒腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对的光具有强吸收而对0.6328um的光的光透明透明,因此可因此可用甲烷抑制用甲烷抑制3.39um振荡振

37、荡;外加非均匀磁场也能抑制外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应振荡。根据塞曼效应,磁场可引起谱线分裂磁场可引起谱线分裂,分分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分布不均匀裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分布不均匀,则各处谱线分裂程度则各处谱线分裂程度不同并连成一片不同并连成一片,相当于谱线变宽。相当于谱线变宽。300高斯非均匀磁场中高斯非均匀磁场中,两谱线加宽均约两谱线加宽均约900MHz,0.6328umm原谱线半宽度约原谱线半宽度约1500MHz,非均匀磁场对它展宽的比例不非均匀磁场对它展宽的比例不大。但大。但3.39um原谱线宽只有原谱线宽只有300MHz

38、左右左右,非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽增益系数反比于线宽,所以外加非均匀磁场后所以外加非均匀磁场后,3.39um的增益系数急剧下降的增益系数急剧下降,而而0.6328m的增益系数却下降很少的增益系数却下降很少.结果提高了结果提高了0.63281um的竞争能力的竞争能力,3.39um则被抑制。外加非均匀磁场的装置如上图所示则被抑制。外加非均匀磁场的装置如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁沿放电管轴向放置许多小磁铁,相邻相邻的极性相同的极性相同,这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。(2) 输出功率特性输

39、出功率特性 : He- -Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。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曲线输出功率与放电电流的关系曲线 右图表示输出功率与放电电流的关系曲线。右图表示输出功率与放电电流的关系曲线。曲线表明曲线表明:在气压比为定值时在气压比为定值时,每个总气压都存在每个总气压都存在一个输出最大的放电电流一个输出最大的放电电流,其大小随着总气压的其大小随着总气压的升高而降低升高而降低,这是因为气压升高这是因为气压升高,只需要较小的放只需要较小的放电电流就能得到相同的电子密度。电电流就能得到相同的电子密度。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电在最佳充气条件

40、下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流流叫最佳放电电流 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。气总压强，即存在最佳充气条件。 实验发现，氦气与氖气的分压比为实验发现，氦气与氖气的分压比为71时是时是最佳分压比。而总压强在最佳分压比。而总压强在100Pa400Pa。 选用选用HeHe气作辅助气体的原因气作辅助气体的原因: :NeNe原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级 ；HeHe* *与与NeNe* *能级极相近能级极相近, , 易发生能量共振转移易发生能量共振转移 。若放电毛细管的直径为若

41、放电毛细管的直径为d，充气压强为，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最，则存在一个使输出功率最大的最佳佳p、d值。值。图给出了在不同的毛细管内径图给出了在不同的毛细管内径d和和长度长度l时时,输出功率与充气总气压和输出功率与充气总气压和气压比的实验曲线。由图可见气压比的实验曲线。由图可见,内内径径d不同不同,最佳充气压和气压比也最佳充气压和气压比也不同。气压也增加。计算可得不同。气压也增加。计算可得:当当取最佳充气条件时取最佳充气条件时,最佳气压最佳气压Popt与毛细管内径的乘积约为一常数与毛细管内径的乘积约为一常数,一般一般Poptd=480533Pamm.在最佳放电条件下，工作物质的

42、增益系数和毛细管直径在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。成反比。 五、五、HeNe激光器的寿命激光器的寿命 HeNe激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐降低，激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1e的工作的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面：时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面： 1慢漏气慢漏气 3阴极溅射阴极溅射 2放电管内元件放气放电管内元件放气 4工作气体的吸附、吸收和渗透

43、工作气体的吸附、吸收和渗透 5谐振腔反射镜的污染谐振腔反射镜的污染目前目前HeNe激光器最长的寿命可达激光器最长的寿命可达10万小时。万小时。 C02激光器的主要特点是输出功率大激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高能量转换效率高,输出波长输出波长(10.6um) ，广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。 C02激光器以激光器以C02、N2和和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子分子的电子基态的两个振动的电子基态的两个振动-转动能级之间。转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激

44、励效率的作用是提高激光上能级的激励效率,则则有助于激光下能级的抽空。有助于激光下能级的抽空。二氧化碳激光器二氧化碳激光器一、一、 CO2激光器的结构激光器的结构构成构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔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。片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 二、二、 CO2激光器的激发过程激光器的激发过程 CO2激光器中与产生激光有关的激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图。分子能级图。 产生激光有关的产生激光有关的CO2分子能级图分子能级图C02激光器中激光器中,通过以下三个过程将通过

45、以下三个过程将C02分子分子激发到激发到0001能级能级 1.直接电子碰撞直接电子碰撞 电子与基态电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过程可表示为到激光上能级。这一过程可表示为 C02(0000)+e C02(0001)+e 2.级联跃迁级联跃迁 电子与基态电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到分子碰撞使其跃迁到000n能级能级,基态基态C02分子与高能级分子与高能级C02分子碰撞后跃迁到激分子碰撞后跃迁到激光上能级光上能级,此过程可表示为此过程可表示为C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1) 3.共振转移共振转移

46、由于由于N2分子分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。的振动能级。这是一个寿命较长的亚这是一个寿命较长的亚稳态能级，因而可积累较多的稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态分子，基态CO2分子与亚稳态分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。跃迁到激光上能级。这一过程可表示为这一过程可表示为 C02(0000)+N2(v=1)C02(0001)+N2(v=0) 由于由于C02分子分子0001能级与能级与N2分子分子v=1能级十分接近能级十分接近,能量转移十分迅速。此外能量转移十分迅速。此外,N2分子的分子的v=24能级与能级

47、与C02分子分子00020004也十分接近也十分接近,相互间也能发生共振转移相互间也能发生共振转移,处于处于00020004的的C02分子与基态分子与基态C02分子碰撞可将它激励至分子碰撞可将它激励至0001能级。能级。产生激光有关的产生激光有关的CO2分子能级图分子能级图在以上三种激发途径中在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大共振转移的几率最大,作用也最为显著。作用也最为显著。C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。分子间的碰撞。 一旦实现了一旦实现了(0001)与与 (1000)、 (0200) 之之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，

48、产生间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生: 00011000跃迁产生跃迁产生10.6um波长的激光光波长的激光光00010200跃迁产生跃迁产生9.6um波长的激光。波长的激光。 由于以上跃迁具有同一上能级由于以上跃迁具有同一上能级,而且而且00011000跃迁的几率大得多跃迁的几率大得多,所以所以C02激光器激光器通常只输出通常只输出10.6m激光。若要得到激光。若要得到9.6um的激的激光振荡光振荡,则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制制10.6um激光振荡。激光振荡。三、三、 CO2激光器的输出特性激光器的输出特性 相应于相应于CO2激光器的输出功率，

49、其放电电流有一个最佳值。激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器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。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。 实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。 例如：例如： 管径为管径为 2030mm 时，时，最佳放电电流为最佳放电电流为3050mA 管径为管径为5090mm 时，时，最佳放电电流为最佳放电电流为120150mA(1) 放电特性放电特性 60%60%以上消耗：使气体温度的升高：以上消耗：使气体温度的升高：1 1、引起激光上能级的消激发和激光

50、下能级的热激发，使粒子的反转数减少。、引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，使粒子的反转数减少。2 2、使谱线展宽，导致增益系数下降。、使谱线展宽，导致增益系数下降。3 3、引起、引起CO2分子的分解，降低放电管内的分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。分子浓度。 (2) 温度效应：温度效应：CO2激光器的高，但是转换效率激光器的高，但是转换效率40%Eg（3）所加的正向偏压必须满足）所加的正向偏压必须满足eEeEEVgFF价带顶空穴的占据几率可以用价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算区的准费米能级来计算 111()1FPEEkTfEe价带顶电子占据几率则为价带顶电子占据

51、几率则为 1111()1()1FNPEEkTfEfEe 考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态221()1FNEEkTfEe导带底电子的占据几率可以用导带底电子的占据几率可以用N 区的区的费米能级来计算费米能级来计算GaAs激光器的结构激光器的结构半导体激光器的结构与工作原理半导体激光器的结构与工作原理一、一、 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构PN 结的厚度几十微米，一般是在结的厚度几十微米，一般是在N型型GaAs衬底上生长一薄层衬底上生长一薄层P型型 GaAs 而形成而形成PN 结。结。激光器的谐振腔一般是直接利用垂直于激光器的谐振腔一般是直接利

52、用垂直于PN 结的两个端面。结的两个端面。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中一个反射面镀金为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中一个反射面镀金反射膜。反射膜。二、二、 半导体激光器工作的阈值条件半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈满足阈值条件值条件 21ln21rrLaG内这说明这说明半导体激光器的增益不仅要大于零半导体激光器的增益不仅要大于零，还必须达到某一数，还必须达到某一数值才能形成激光。值才能形成激光。 ftcnfAcnG复合2222221288t复合复合结区电子寿命结区电子寿命

53、t复合复合=1/A21 n粒子数反转值粒子数反转值增益系数和粒子数反转的关系也取决于增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质谐振腔内的工作物质 三、三、半导体激光器的阈值电流半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡。内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡。 当正向电流密度当正向电流密度J达到阈值达到阈值J阈阈后形成激光。后形成激光。 数值例：数值例： GaAs PN 结激光器结激光器21216A/cm150 m2 35. 3cm40ln21 MHz103阈总JdrrLav同质结砷化镓同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性 1.1.伏安特性伏安特性