2663999899激光原理第六版周炳琨编著9章

1、典型激光器典型激光器激光器种类激光器种类典型激光器典型激光器典型激光器典型激光器典型激光器典型激光器典型激光器典型激光器固体激光器固体激光器一、光泵激励一、光泵激励1. 气体放电灯激励气体放电灯激励脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯气体放电灯能量转换环节多，辐射光谱宽，激光效率低。气体放电灯能量转换环节多，辐射光谱宽，激光效率低。固体激光器固体激光器一、光泵激励一、光泵激励2. 半导体激光二极管激励半导体激光二极管激励激光二极管泵浦可采用端面与侧面泵浦两种形式。激光二极管泵浦可采用端面与侧面泵浦两种形式。半导体激光二极管波长与激

2、光工作物质波长相匹配，能量半导体激光二极管波长与激光工作物质波长相匹配，能量利用率高。利用率高。固体激光器固体激光器二、红宝石激光器二、红宝石激光器固体激光器固体激光器二、红宝石激光器二、红宝石激光器固体激光器固体激光器二、红宝石激光器二、红宝石激光器固体激光器固体激光器三、三、nd激光器激光器固体激光器固体激光器三、三、nd激光器激光器工作物质：工作物质：nd3+y3al5o12 (nd:yag) nd3+硅酸盐或磷酸盐硅酸盐或磷酸盐(nd玻璃激光器玻璃激光器)固体激光器固体激光器三、三、nd激光器激光器固体激光器固体激光器四、钛宝石激光器四、钛宝石激光器1.工作物质：少量工作物质：少量ti

3、3+取代取代al2o3晶体中晶体中al3+。2.晶格场作用，晶格场作用，2d分裂分裂为为2t2g（基态）和（基态）和2eg（激发态）（激发态） 。3.振动能级构成准连续振动能级构成准连续能带。能带。 4.可调谐，产生可调谐，产生660-1180nm光谱光谱 固体激光器固体激光器四、钛宝石激光器四、钛宝石激光器固体激光器固体激光器四、钛宝石激光器四、钛宝石激光器电压表电流表气体激光器气体激光器一、一、he-ne激光器激光器可产生多条激光谱线：如632.8nm，1.15um, 3.39um1. 激励机制激励机制阴极与阳极放电产生；阴极与阳极放电产生；激光跃迁发生于激光跃迁发生于ne原子能级间；原子

4、能级间；辅助气体辅助气体he提高泵浦效率；提高泵浦效率；共振能量转移共振能量转移气体激光器气体激光器一、一、he-ne激光器激光器2. 谱线竞争谱线竞争3.39um谱线增益系数大（增益谱线增益系数大（增益系数与波长三次方成正比）系数与波长三次方成正比）为获得较强为获得较强632.8nm激光：激光：a.借助腔内棱镜使借助腔内棱镜使3.39um激光不能激光不能起振；起振；b.腔内插入对腔内插入对3.39um光吸收元件；光吸收元件；c.借助轴向非均匀磁场，使借助轴向非均匀磁场，使3.39um谱线线宽增加，降低增益；谱线线宽增加，降低增益；气体激光器气体激光器一、一、he-ne激光器激光器3. 放电参

5、数对输出功率的影响放电参数对输出功率的影响对于对于he的亚稳态存在：的亚稳态存在：电子碰撞激发过程；电子碰撞激发过程；与管壁及共振能量转移消激发过程；与管壁及共振能量转移消激发过程；电子与电子与he亚稳态碰撞消激发过程亚稳态碰撞消激发过程 333213jnknkjnkdtdnhe3n当放电电流较小时，当放电电流较小时， 正比于正比于 ；随着电流增大，随着电流增大， 趋于饱和。趋于饱和。 3njjkkjknnhe3213气体激光器气体激光器一、一、he-ne激光器激光器3. 放电参数对输出功率的影响放电参数对输出功率的影响激光跃迁下能级粒子数激光跃迁下能级粒子数 正比于正比于 ；反转集居数达到最

6、大后，随电流增反转集居数达到最大后，随电流增大而减少；大而减少；适宜适宜pd值：降低值：降低p，电子温度上升，电子温度上升，有利于激发；同时原子数过少，功有利于激发；同时原子数过少，功率减小。率减小。 he:ne比例适宜：比例适宜：ne比列过小降低比列过小降低功率；过大，电离电位过低，电子功率；过大，电离电位过低，电子温度低，输出功率下降。温度低，输出功率下降。管壁减小有利于碰撞，释放管壁减小有利于碰撞，释放1s能量。能量。1nj气体激光器气体激光器二、氩离子激光器二、氩离子激光器放电使放电使ar与电子碰撞电离，形成基与电子碰撞电离，形成基态氩离子，电子组态态氩离子，电子组态3p5；激光跃迁发

7、生在激光跃迁发生在3p44p和和3p44s，寿命分别为寿命分别为10-8s和和10-9s；488nm，514.5nm等等9条激光线，条激光线，插入棱镜等色散原件得单谱线。插入棱镜等色散原件得单谱线。激光跃迁上能级主要途径：激光跃迁上能级主要途径：1.基态基态ar+与电子碰撞直接跃迁到与电子碰撞直接跃迁到4p；2. 基态基态ar+与电子碰撞至高于与电子碰撞至高于4p其它能级，其它能级，辐射跃迁至辐射跃迁至4p；3.基态基态ar+和电子碰撞跃迁低于和电子碰撞跃迁低于4p能级后能级后再次碰撞跃迁至再次碰撞跃迁至4p。气体激光器气体激光器二、氩离子激光器二、氩离子激光器4p能级积聚数增长数率为：能级积

8、聚数增长数率为：222jnnndtdneeipar原子电离能原子电离能15ev，激光跃迁，激光跃迁上能级上能级20ev；降低压力（降低压力（150pa）和大电流）和大电流弧光放电激发，提高电流和激发弧光放电激发，提高电流和激发数率；数率；要求管壁材料耐高温、导热好、要求管壁材料耐高温、导热好、抗溅射等。抗溅射等。气体激光器气体激光器三、三、co2激光器激光器工作物质：工作物质：co2、n2和和he激光跃迁发生在激光跃迁发生在co2分子的两个分子的两个振动振动-转动能级之间。转动能级之间。n2的作用的作用是提高激光上能级的激励效率，是提高激光上能级的激励效率，he有助于下能级抽空。有助于下能级抽

9、空。分子总能量包括：分子总能量包括：1、电子绕核运动的能量；、电子绕核运动的能量；2、分子中原子振动能量；、分子中原子振动能量；3、分子转动能量；、分子转动能量；4、分子平动能量。、分子平动能量。电子能级、振动能级及转动能级电子能级、振动能级及转动能级差差104:102:1。气体激光器气体激光器三、三、co2激光器激光器n2一种振动方式；一种振动方式；co2 有三种振动方式：对称振有三种振动方式：对称振动、弯曲振动、反对称振动。动、弯曲振动、反对称振动。为零或正整数。振动方式量子数，取值表示三种、分别以321投影的量子数。轴上弯曲振动角动量在分子表示，其中振动能级ll321激光。跃迁产生激光，

10、跃迁产生mm6 . 90021006 .100101000000气体激光器气体激光器三、三、co2激光器激光器co2通过以下三个过程激发到通过以下三个过程激发到00011.直接电子碰撞直接电子碰撞2.级联跃迁级联跃迁3.共振转移共振转移气体激光器气体激光器三、三、co2激光器激光器激光下能级的抽空过程：激光下能级的抽空过程：阻塞在阻塞在0110能级上的能级上的co2分子分子与与he原子碰撞，缩短了能级原子碰撞，缩短了能级寿命。寿命。高气压下碰撞加宽占主导地位：高气压下碰撞加宽占主导地位：21223006 . 073. 057tphencol气体激光器气体激光器三、三、co2激光器激光器co2

11、激光器种类：激光器种类：1.纵向慢流纵向慢流co2激光器激光器2.封闭型封闭型co2激光器激光器3.纵向快流纵向快流co2激光器激光器4.横向流动横向流动co2激光器激光器5.横向激励大气压横向激励大气压co2激光器激光器6.气动气动co2激光器激光器7.波导波导co2激光器激光器气体激光器气体激光器四、四、n2分子分子激光器激光器1.输出紫外光，波长输出紫外光，波长337.1nm最强，最强，357.7nm次次之，之，315.9nm最弱。最弱。2.输出功率可达输出功率可达107w，脉宽，脉宽小于小于10ns，频率数十到数千，频率数十到数千赫。赫。3.作为染料激光器泵浦源。作为染料激光器泵浦源。

12、4.激光跃迁发生在不同电子态激光跃迁发生在不同电子态 和和 的振动能级之间。的振动能级之间。uc 3gb 3气体激光器气体激光器四、四、n2分子分子激光器激光器1.激发过程：激发过程：2.上下能级寿命分别为上下能级寿命分别为40ns和和10us。3.上能级寿命比下能级寿命大上能级寿命比下能级寿命大的多，在激励起始很短时间内的多，在激励起始很短时间内形成积聚数反转，超过这段时形成积聚数反转，超过这段时间自行终止。间自行终止。4.只能以脉冲方式运转，泵浦只能以脉冲方式运转，泵浦放电脉冲小于放电脉冲小于40ns。5.以火花脉冲放电方式激励。以火花脉冲放电方式激励。ecnexnebnexnuggg32

13、123212气体激光器气体激光器五、准五、准分子分子激光器激光器1.准分子是一种在激发态结合准分子是一种在激发态结合为分子，在基态解离为原子的为分子，在基态解离为原子的不稳定缔合物。不稳定缔合物。2.在某一核间距势能最小。在某一核间距势能最小。3.基态势能随核间距增加而单基态势能随核间距增加而单调下降。调下降。4.准分子跃迁到基态后即解离，准分子跃迁到基态后即解离，下能级总是空的。下能级总是空的。5.准分子含有稀有气体元素。准分子含有稀有气体元素。气体激光器气体激光器五、准五、准分子分子激光器激光器6.放电方式激励。放电方式激励。7.以以krf*为例说明激励过程：为例说明激励过程：krf*准分

14、子激光器中加入准分子激光器中加入he、ne、ar，降低电子温度，产，降低电子温度，产生更多激发态粒子。生更多激发态粒子。8.单脉冲能量可达百焦耳，峰单脉冲能量可达百焦耳，峰值功率值功率109w，平均功率大于，平均功率大于200w。23*nfkrfnfkrekrekr染料激光器染料激光器1.采用溶于有机溶剂的有机染采用溶于有机溶剂的有机染料作为激光工作物质；料作为激光工作物质；2.染料是包含共轭双键的有机染料是包含共轭双键的有机化合物；化合物；3.染料大分子电子结构：处于染料大分子电子结构：处于基态时，基态时，2n个电子填满个电子填满n个最个最低能级，自旋相反，总自旋量低能级，自旋相反，总自旋量

15、子数为子数为0；处于激发状态时，；处于激发状态时，若总自旋量子数仍为若总自旋量子数仍为0，形成，形成s1，s2等单重激发态；若自等单重激发态；若自旋反转，形成旋反转，形成t1、t2等三重等三重态。单重态和三重态跃迁禁戒。态。单重态和三重态跃迁禁戒。染料激光器染料激光器4.每一个电子态都有一组振动每一个电子态都有一组振动-转动能级。电子态之间的能量间转动能级。电子态之间的能量间隔为隔为106m-1量级，振动能级间量级，振动能级间隔为隔为105m-1，转动能级间隔，转动能级间隔103m-1，染料分子与溶剂分子，染料分子与溶剂分子碰撞和静电扰动加宽，使得振动碰撞和静电扰动加宽，使得振动转动能级几乎相

16、连，形成准连续转动能级几乎相连，形成准连续能带。能带。5.跃迁过程：染料分子吸收泵浦跃迁过程：染料分子吸收泵浦光由光由s0跃迁到跃迁到s1的某一振动能的某一振动能级，碰撞跃迁至级，碰撞跃迁至s1最低振转能最低振转能级。在级。在s1最低振转能级和最低振转能级和s0较较高振转能级之间形成集居数反转。高振转能级之间形成集居数反转。具有很宽的调谐范围。具有很宽的调谐范围。染料激光器染料激光器6.6.通常采用闪光灯、通常采用闪光灯、n2n2分子激光器、分子激光器、准分子激光器、倍频准分子激光器、倍频nd:yagnd:yag激光器激光器作为脉冲染料激光器泵浦源；连续作为脉冲染料激光器泵浦源；连续激光器使用

17、氩或氙离子激光器。激光器使用氩或氙离子激光器。7.7.泵浦光波长必须小于激光输出波泵浦光波长必须小于激光输出波长。长。8.8.采用光栅、棱镜、标准具、双折采用光栅、棱镜、标准具、双折射虑光片等波长选择元件进行波长射虑光片等波长选择元件进行波长调谐。调谐。9.9.在紫外（在紫外（330nm330nm）到近红外）到近红外（1.85um1.85um）连续可调谐输出。）连续可调谐输出。掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤：在石英光纤或氟化物光纤中掺杂光纤：在石英光纤或氟化物光纤中掺入稀土元素，如铒（掺入稀土元素，如铒（er），钬），钬(ho)，钕钕(nd)，镨（，镨（pr），铱（），铱（yb）等，可）

18、等，可实现波长从可见光到红外范围放大。实现波长从可见光到红外范围放大。一、掺铒光纤放大器（一、掺铒光纤放大器（edfa）1.最有效的泵浦波长最有效的泵浦波长980nm和和1480nm。2.980nm泵浦对应三能级系统；泵浦对应三能级系统；1480nm对应准三能级系统。对应准三能级系统。掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器3.信号光与泵浦光通过光纤耦合器注入信号光与泵浦光通过光纤耦合器注入光纤，光隔离器避免自激振荡。光纤，光隔离器避免自激振荡。4.增益和饱和输出功率决定于泵浦功率、增益和饱和输出功率决定于泵浦功率、信号波长、光纤长度、掺铒浓度等。信号波长、光纤长度、掺铒浓度等。5.受激铒离子寿命受激铒离子寿命10ms，长于脉冲间，长于脉冲间隔隔25-