第2.5讲 典型激光器介绍

1、激光原理与技术 ·原理部分典型激光器介绍 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 (Al 2 O3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

2、作物质 :将一定比例的 Al 2 O3、 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。 红宝石中铬离子的能级结构 Nd 3+: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

3、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。 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;Quantel Frequency -Doubled Nd -YAG 单脉冲能量:500mJ 脉冲宽度:5ns 峰值功率:108W=0.1GW重复

4、频率:10Hz 平均功率:5W 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 、 N 2 、 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:Ar 2*、 Xe 2*、 XeF *、 KrF *、 ArF *、 XeCl *、 XeBr *

5、、 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 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

6、称为电子束激励。 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。 He -Ne 激光器 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。 封离式 CO2激光器结构示意图 与产生激光有关的 CO 2 分子能级图 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 。分段石墨结构 Ar +激光器示意图 2.5 典型激光器

7、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

8、 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。 2.5 典型激光器介绍 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（Synchrotron radiation）； 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.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； 2.5