第5章激光器件ppt课件

1、速率方程速率方程增益饱和增益饱和激激 光光 器器工作特性工作特性振荡阈值振荡阈值振荡模式振荡模式输出功率输出功率输出线宽输出线宽弛豫振荡弛豫振荡 放大的放大的自发辐射自发辐射选选 模模调调Q/Q/锁模锁模/ /放大放大稳稳 频频增益开关增益开关DFBDFB激光器激光器谐振腔谐振腔理理 论论高斯光束高斯光束无谐振腔无谐振腔激激 光光 器器5.1 概述概述5.1.1 激光器的基本结构激光器的基本结构工作物质工作物质谐振腔谐振腔泵浦源泵浦源由工作物质、泵浦源、光学谐振腔由工作物质、泵浦源、光学谐振腔三个部分组成三个部分组成工作物质是产生光的受激辐射放大作用源泉工作物质是产生光的受激辐射放大作用源泉泵

2、浦源为工作物质实现粒子数反转提供能泵浦源为工作物质实现粒子数反转提供能源源谐振腔为激光振荡的建立提供正反馈，并影响输出激光束的质量谐振腔为激光振荡的建立提供正反馈，并影响输出激光束的质量5.1.2 激光器的分类及特点激光器的分类及特点1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼Maiman)首首次在实验室用红宝石晶体获得了激光次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。输出，开创了激光发展的先河。按激光工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、液按激光工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、自由电子激光器、体激光器、半导体激光器、化学激光器、

3、自由电子激光器、X射线激光器、光纤激光器等射线激光器、光纤激光器等1.气体激光器气体激光器 1961年第一台氦氖激光器年第一台氦氖激光器气体激光器以气体和金属蒸汽为工作物质气体激光器以气体和金属蒸汽为工作物质原子气体激光器原子气体激光器分子气体激光器分子气体激光器离子气体激光器离子气体激光器产生激光作用的是未电离的原子，如氦氖激产生激光作用的是未电离的原子，如氦氖激光器光器产生激光作用的是未电离的分子，如产生激光作用的是未电离的分子，如CO2, N2， 准分子激光器准分子激光器产生激光作用的是已电离的离子，如产生激光作用的是已电离的离子，如Ar+激光激光器器气体激光器的特点气体激光器的特点（1

4、已观察到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外已观察到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外到远红外整个光谱区。到远红外整个光谱区。（2工作物质均匀性好，使得输出光束质量较高。工作物质均匀性好，使得输出光束质量较高。（3容易实现大功率连续运转，如二氧化碳激光器可达万瓦级容易实现大功率连续运转，如二氧化碳激光器可达万瓦级（4转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。（5气体浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器气体浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器气体激光器被广泛应用于准直、导向、计量、材料加工、全息气体激光器被广

5、泛应用于准直、导向、计量、材料加工、全息照相及医学、育种等领域。照相及医学、育种等领域。泵浦方式一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热泵浦方式一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等。激励、化学反应激励等。2.固体激光器固体激光器 将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、化学性质主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由发光粒化学性质主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特子的能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化。性将有所

6、变化。激活粒子可分为四类激活粒子可分为四类1三价稀土金属离子三价稀土金属离子2二价稀土二价稀土金属离子金属离子3过渡金属离子过渡金属离子4锕系金属离子锕系金属离子基质材料有玻璃和晶体两类基质材料有玻璃和晶体两类常见的：红宝石常见的：红宝石Cr3+:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石、掺钕钇铝石榴石Nd3+:YAG)、钕玻璃、掺钛蓝宝石、钕玻璃、掺钛蓝宝石(Ti3+: Al2O3)常采用光泵浦，有闪光灯和半导体激光二极管两类常采用光泵浦，有闪光灯和半导体激光二极管两类突出特点：可获得大的激光能量输出，但脉冲输出能量可达突出特点：可获得大的激光能量输出，但脉冲输出能量可达到上万焦耳，脉冲峰值功率可达到上

7、万焦耳，脉冲峰值功率可达10131014瓦瓦/厘米厘米2。但热效。但热效应严重、连续输出功率不如气体高。应严重、连续输出功率不如气体高。3.液体激光器液体激光器 1966年第一台染料激光器年第一台染料激光器工作物质为：有机化合物液体染料）、无机化合物液体工作物质为：有机化合物液体染料）、无机化合物液体波长范围波长范围300nm1.3m，激光波长连续可调。结构简单、价，激光波长连续可调。结构简单、价格低廉。但溶液的稳定性比较差。格低廉。但溶液的稳定性比较差。泵浦方式主要为光泵浦。泵浦方式主要为光泵浦。4.半导体激光器半导体激光器 1962年，第一台年，第一台Ga-As激光器问世激光器问世半导体激

8、光二极管，半导体激光二极管，Laser Diode (LD)采用注入电流的方式泵浦采用注入电流的方式泵浦波长范围：波长范围：920nm1.65 m,其中其中1.3 m和和1.55 m为光纤通为光纤通讯的两个窗口。具有能量转换效率高、易于进行高速电流调讯的两个窗口。具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、寿命长等优点。制、超小型化、结构简单、寿命长等优点。5.化学激光器化学激光器 1964年第一台光解离碘原子化学激光器年第一台光解离碘原子化学激光器通过化学反应实现粒子数反转。工作物质可以是气体也可以通过化学反应实现粒子数反转。工作物质可以是气体也可以是液体是液体采用化学激励

9、，波长范围从紫外到红外，直至微米波段，共采用化学激励，波长范围从紫外到红外，直至微米波段，共率高、能量输出高、不需外界提供泵浦源。率高、能量输出高、不需外界提供泵浦源。6.自由电子激光器自由电子激光器工作物质是相对论电子束工作物质是相对论电子束7.X射线激光器射线激光器工作物质是高度电离的等离子体工作物质是高度电离的等离子体8.光纤激光器光纤激光器 1963年年按工作方式分激光器可分为连续输出和脉冲输出两类按工作方式分激光器可分为连续输出和脉冲输出两类5.2 气体激光器气体激光器5.2.1 氦氖激光器氦氖激光器 在气体激光器中，采用气体放电或电子束激励的方法实现在气体激光器中，采用气体放电或电

10、子束激励的方法实现泵浦。在激光工作气体中，除能发射激光的气体之外，一般还泵浦。在激光工作气体中，除能发射激光的气体之外，一般还含有辅助气体，如各种惰性气体及氧、氮、氦等。他们在激光含有辅助气体，如各种惰性气体及氧、氮、氦等。他们在激光其中有的作为缓冲气体改善工作气体的传热特性，有的则作为其中有的作为缓冲气体改善工作气体的传热特性，有的则作为能量转移气体。能量转移气体。 Ne为工作物质，为工作物质，He为辅助物质。常用波长为为辅助物质。常用波长为632.8nm红光），其次是红光），其次是1.15m、3.39 m 。增益低，输出功率在。增益低，输出功率在毫瓦量级。毫瓦量级。一、基本结构一、基本结构

11、 HeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光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。电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。 放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。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）、氖Ne气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体，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

12、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。放电管一般是用化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出玻璃制成。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。作。 HeNe激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和率高和溅射率小

13、的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。外。 HeNe激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为激光器由于增益低，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腔式、外腔式和半内腔式。按阴极及贮的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。按阴极及贮气室位置的不同又可分为同轴式、旁轴式和单细管式，见气室

14、位置的不同又可分为同轴式、旁轴式和单细管式，见 图。图。内腔式如图中内腔式如图中(a)所示，将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固所示，将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端，其优点是使用时不必进行调整，非常方便。定在放电管的两端，其优点是使用时不必进行调整，非常方便。缺点是在工作过程中放电管受热变形时缺点是在工作过程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相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，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米

15、。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。无法清除。HeNe激光器的结构示意图激光器的结构示意图（a内腔式内腔式 （b外腔式外腔式c半内腔式半内腔式d旁轴式旁轴式e单毛细管式单毛细管式 外腔式如图中外腔式如图中b所示，这种激光器的谐振腔反射镜与放电所示，这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离的。反射镜上有调整机构，可以随时进行调整。放电管的管是分离的。反射镜上有调整机构，可以随时进行调整。放电管的两端贴有布儒斯特窗片与毛细管轴线成布儒斯特角放置的平板玻两端贴有布儒斯特窗片与毛细管轴线成布儒斯特角放置的平板玻璃人它即

16、可密封放电管，又可减小光的损耗相对其他放置角度而璃人它即可密封放电管，又可减小光的损耗相对其他放置角度而言还可使激光得到线偏振的激光输出言还可使激光得到线偏振的激光输出.振腔与放电管分离，放电振腔与放电管分离，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定输出。但由于反射镜与放电管相分离，相对位置易用中能保持稳定输出。但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，使用不方便改变，需要经常调整，使用不方便. 同轴式如图中同轴式如图中a）（）（b）（）（c所示，阴极与毛细管同轴放所示，阴极与毛细管同

17、轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。但由于阴极放在放电置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。但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稳定性大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式。不如旁轴式。 旁轴式如图中旁轴式如图中d所示，阴极放在放电管外的支管里，所示，阴极放在放电管外的支管里，一方面可增加储气量，同时溅射物质不易污染窗片，所以寿一方面可增加储气量，同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，功率稳定性也要好一些，但体积大，安装使

18、命比同轴式长，功率稳定性也要好一些，但体积大，安装使用不方便，易破碎。用不方便，易破碎。 单毛细管式如图单毛细管式如图e所示，毛细管外没有单独的储气外所示，毛细管外没有单独的储气外套，靠伸出的阴极部分贮气。它的制造工艺简单，省材料，套，靠伸出的阴极部分贮气。它的制造工艺简单，省材料，毛细管易于固定，适用于长毛细管和激光管外面有保护套的毛细管易于固定，适用于长毛细管和激光管外面有保护套的激光器。激光器。与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的He与与Ne原子的部分能级图原子的部分能级图He-Ne激光器激光器是典型的四能级是典型的四能级系统，其激光谱系统，其激光谱线主要有三条线主要有三条 :3S2P 0.

19、6328m2S2P 1.15m3S3P 3.39m 二、氦二、氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器的能级结构激光器的能级结构 三、三、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，第一是共振转移。由能级图可见，He原子的原子的21S0、23S1态分态分别与别与Ne原子的原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达并且转移几率很高，可达95%。 第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态第二

20、是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。态，与共振转移相比，这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与电子碰撞被激发到更高能态，然后与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到再跃迁到2S和和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。四、四、 He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性 (1) 谱线竞争谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线激光器三条强的激光谱线

21、(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完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。全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。(2) 输出功率特性输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功激光器的放电电流对输出功率影响很大。下图实验测得的输出功率与放电电流的关系率影响很大。下图实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线曲线 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在最佳充气条件下，使输出功率最大在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流的放电电流叫最佳放电电流 He-NeHe-Ne激光器存在着最佳混合比和最激光器存在着最佳混合比和

22、最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。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若放电毛细管的直径为d d，充气压强，充气压强为为p 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pdpd值。值。在最佳放电条件下，工作物质的增益在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径系数和毛细管直径d d成反比。成反比。 1. CO2激光器的结构和激发过程激光器的结构和激发过程 封离式封离式CO2激光器结构示意图激光器结构示意图5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器下图是一种典型的结构示意图。构成下图是一种典型的结构示意图。构成CO2CO2激光器谐振腔激光器谐振腔的两

23、个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方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。法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 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分子能级图如图所分子能级图如图所示。示。 图与产生激光有关的图与产生激光有关的CO2分子能级图分子能级图2. CO2激光器的输出特性激光器的输出特性 相应于相应于CO2CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。值。CO2CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总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

24、。气压，以及气体混合比有关。 (1) 放电特性放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过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，这就是说，将有60以上的能量转换为气体的热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，还将引起致增益系数下降。特别是，气体温

25、度的升高，还将引起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 5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器1. Ar激光器的结构激光器的结构 Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气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。如图所示为石墨放电管的分段结构管等几部分组成。如图所示为石墨放电管的分段结构 。 分段石墨结构分段石墨结构Ar+激光器示意图激光器示意图2. Ar激光器的激发机理激光器的激发机理 Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图所示激光器与激光辐射有关的能级结构如图所示 与产生激光有关的与产生激光有关

26、的Ar+的能级结构的能级结构3. Ar激光器的工作持性激光器的工作持性 Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流有一个阈值电流 (1)多谱线工作多谱线工作 (2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于由于ArAr激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，下图示出了其电流的变化规律与其它激光器有所不同，下图示出了其间的关系曲线。间的关系曲线。 Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线激光器输出功率随放电电流变化曲线5.3 固体激光器固体激光器 Soli

27、d state laser 1960年年7月，美国休斯公司实验室梅曼制成世界第一月，美国休斯公司实验室梅曼制成世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。 波长为波长为694.3nm的激光。的激光。 1961 长春光机所长春光机所Ruby Laser 1964 上海光机所成立上海光机所成立 1987年年6月，月，1012W的大功率脉冲激光系统神的大功率脉冲激光系统神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。成功。主要介绍固体工作物质、光泵浦系统、工作物质的热效应等主要介绍固体工作物质

28、、光泵浦系统、工作物质的热效应等5.3.1 5.3.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器结构：一、固体激光器结构： 基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤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( (冷却、滤光系统未画出冷却、滤光系统未画出) )。 固体激光器的基本结构示意图固体激光器的基本结构示意图二、固体工作物质二、固体工作物质固体工作物质固体工作物质基质材料基质材料掺杂离子掺杂离子物理、化学性能物理、化学性能光谱特性光谱特性基

29、质材料基质材料玻璃玻璃晶体晶体硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃氧化物晶体氧化物晶体氟化物晶体氟化物晶体各自又分为各自又分为单一和混合单一和混合两类两类激活粒子可分为四类激活粒子可分为四类1三价稀土金属离子三价稀土金属离子2二价稀土二价稀土金属离子金属离子3过渡金属离子过渡金属离子4锕系金属离子锕系金属离子固体工作物质达数百种，已获得数千条激光光谱线固体工作物质达数百种，已获得数千条激光光谱线掺杂离子浓度掺杂离子浓度10251026m-3,比气体工作物质高比气体工作物质高34个数量个数量级，且固体工作物质激光上能级寿命也比较长，易于获得大级，且固体工作物质激光上能级寿命也比较

30、长，易于获得大能量输出，适合调能量输出，适合调Q1 1、红宝石、红宝石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+,基质是刚玉晶体基质是刚玉晶体(化学成分是化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系。红宝石属六方晶系,是无色透明的负是无色透明的负单轴晶体。单轴晶体。 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。而成。掺入掺入Cr2O3的最佳量一般在的最佳量一般在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=

31、1.58x1019cm-3。 红宝石的光谱特性主要取决于红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子。原子Cr的外层电子组态为的外层电子组态为3d54s1,掺入掺入Al2O3后失去外层后失去外层三个电子成为三价铬离子三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电的最外层电子组态为子组态为3d3。红宝石的光谱特性就是。红宝石的光谱特性就是Cr3+的的3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子完电子完全暴露在最外层全暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。受基质晶格场的影响很大。Cr3+在很强的晶格场作用下在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变化其能级发生很

32、大的变化,呈呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析实验和理论分析,已确定红宝石中已确定红宝石中Cr3+的工作能级的工作能级属三能级系统。如图属三能级系统。如图5-3所示。所示。4A2是基态又是激是基态又是激光下能级光下能级,其简并度其简并度g1=4,2E是亚稳态是亚稳态,它是由能量它是由能量差为差为29cm的的2A和和E二能级组成二能级组成,其简并度都为其简并度都为2。4F1和和4F2是两个吸收能带。是两个吸收能带。红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体六方晶系，负单轴晶体, 粉

33、红色粉红色 提拉法生长提拉法生长 , 可以获得大尺寸晶体可以获得大尺寸晶体氧铝或铬轴红宝石的吸收光谱如图红宝石的吸收光谱如图5-2所示。由所示。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附附近近,称为紫带或称为紫带或U带。由带。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,称为绿带称为绿带或或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带带。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。由于红宝石晶体的各左右。由于红宝石晶体的各向异性向异性,它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴它的吸

34、收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或相垂直或平行这两种情况下平行这两种情况下,其吸收曲线略有差别其吸收曲线略有差别,见下图。见下图。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,室温下对室温下对应的中心波长分别为应的中心波长分别为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。 应当指出应当指出

35、,红宝石激光器通常只产生红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。的受激辐射。这是因为亚稳态能级这是因为亚稳态能级2E分裂成分裂成2A和和E两能级两能级,跃迁到跃迁到2E上的粒上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于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%。这就是说。这就是说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。而且而且R1线荧光强度比线荧光强度比R2线高线高,使得使得R1线的受激辐射几率比线的受激辐射几率比R2线高。因而线高。因而,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。同时线容易达到阈值而形成激光振荡。同时,2A和

36、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,而抑制了儿线。在激光脉冲持而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于续时间远大于10-9s时时,亚稳态上的位子均将通过亚稳态上的位子均将通过R1线的受激辐线的受激辐射回到基态射回到基态,因此可把因此可把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的能的能级。级。 红宝石突出的缺点是阈值高红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级因是三能级)和和性能易随温度变化。性能易随温度变化。 但具有很多优点但具有很多优点,如如:机械强

37、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;容易生容易生长成较大尺寸长成较大尺寸;亚稳态寿命长亚稳态寿命长,储能大储能大,可得到大能可得到大能量输出量输出;荧光谱线较宽荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输容易获得大能量的单模输出出;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出;红宝石激光器红宝石激光器输出的红光输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见不仅能为人眼可见,而而且很容易被探测接收且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相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乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因而。因而,红宝石仍红宝石仍属一种优良的工作

38、物质而得到广泛应用。用红宝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单脉冲器件输出能量已达上千焦石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调耳。单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出率输出(用这类器件已成功地对载有角反射器的人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造卫星进行了测距试验)。多级放大器件的输出峰。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。发展上是贡献比较大的一种晶体。红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构

39、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的简的简称称)。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,此此时时Nd3+的密度为的密度为1.381020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的颜色为淡紫色。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。2、掺钕钇铝石榴石、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)

40、掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图所示，其吸收光谱如图所示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YAG中中Nd3与激光产生有关的能级结构如图所与激光产生有关的能级结构如图所示。它属于四能级系统。示。它属于四能级系统。 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谱线起振谱线起振,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。只有采取选频措施，激光。只有采取选频措施，才能实现才能实

41、现1.35um波长的激光振荡。波长的激光振荡。 3、钕玻璃、钕玻璃 继继1960年第一台红宝石激光器问世后年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入制成的。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+的浓度为的浓度为31020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。在硅酸盐、棚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

42、争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较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大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径直径30100mm,可用来制成特大能量可用来制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,用于集成光路中的光放大或振荡。用于集成光路中的光放大或振荡。 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频运转因此不适于作连续器件和高频运转的器件的器件,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。E4:含三个吸收带含三个吸收带(

43、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)(. 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1.4m 谱线)2/114I( ,对应1.06m谱线) 2/34F2/114I钕玻璃的能级结构和跃迁光谱钕玻璃的能级结构和跃迁光谱 E1:基态基态, 一条激光谱线的激一条激光谱线的激光下

44、能级光下能级(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, 跃迁几率大跃迁几率大, 通常可观通常可观察到察到; 1.4m: 四能级系统四能级系统, 跃迁几率较小跃迁几率较小, 不一定不一定可观可观 察到察到;0.9m:三能级系统三能级系统, 难实现粒子数反转难实现粒子数反转, 一一般不般不 呈现呈现.5.3.2 5.3.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统 一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般采用光泵浦激励。一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般采用光泵浦激励。 最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯

45、最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯( (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）、卤化物灯灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯( (碘钨灯、镊钨灯碘钨灯、镊钨灯等等) )、半导体激光器、日光泵、半导体激光器、日光泵( (用聚光镜将日光会聚到激光棒中用聚光镜将日光会聚到激光棒中) )等。脉冲氙等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高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脉冲激光脉冲激光器中应用最广泛的一种灯器中应用最广泛的一种灯. .氪灯在低电流密度下工作时

46、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, ,故在连续和小能量脉冲故在连续和小能量脉冲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器件器件中可以应用。砷化镓半导体激光器体积小中可以应用。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产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配收谱相匹配, ,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激

47、光器。可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。 在各种泵浦光源中在各种泵浦光源中, ,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。系统包括泵灯和聚光器。 二、泵浦光源应当满足两个基本条件。二、泵浦光源应当满足两个基本条件。有很高的发光效率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相匹配辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配. . 1 1 惰性气体放电灯的结构一般都惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。是由电极、灯管和充入的气体组成。见图见图 (a)(a)。 电极是用高熔点、高电子发射率电极是用

48、高熔点、高电子发射率, ,又又不易溅射的金属材料制成。常用的电不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨, ,高高功率灯的电极要设计成水冷结构功率灯的电极要设计成水冷结构, ,见见图图(b),(b),灯管用机械强度高、耐高温、灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙充入氙(Xe)(Xe)、氪、氪(kr)(kr)气体。气体。 2 2 惰性气体放电灯的辐射特性惰性气体放电灯的辐射特性 氙灯在低电流密度放电氙灯在低电流密度放电( (如连续灯放电和小能量脉冲灯放电如连续灯放电和小能量脉冲灯放电) )时

49、时, ,辐射的特征谱线的峰值波伏在辐射的特征谱线的峰值波伏在0.840.84、0.90.9和和1um1um附近。氪灯在附近。氪灯在低电流密度放电时低电流密度放电时, ,辐射的特征谱线的峰值波长在辐射的特征谱线的峰值波长在0.760.76、0.820.82和和0.9um0.9um附近。可见附近。可见, ,氪灯的特征谱线与氪灯的特征谱线与Nd:YAGNd:YAG的主要泵浦吸收带的主要泵浦吸收带相匹配相匹配, ,因此连续和小能量因此连续和小能量(10J)(104h，脉冲，脉冲109次次波长波长630680nm AlGaInP770990nm GaAlAs9001000nm InGaAs模块化模块化I

50、mage from: /repairfaq/sam/l54-101.gif Diode-pumped solid state (DPSS)5.3.3 5.3.3 固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性1. 1. 固体激光器的激光脉冲特性固体激光器的激光脉冲特性 2. 2. 转换效率转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器( (用功率描述用功率描述) )和脉冲激光器和脉冲激光器( (用能量描述用能量描述) )分别表示为：分别表示为：couabcLpinthinouttPPPP1

51、211couabcLpinthinouttEEEE1211 一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲( (或称尖峰或称尖峰) )组成的，各个短脉冲的持续时间约为组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1(0.11)1)m m，各短脉冲之间，各短脉冲之间的间隔约为的间隔约为(5(510) 10) s s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。加。 固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为0

52、.5%0.5%0.1%0.1%左右左右,YAG,YAG激光的总体效率为激光的总体效率为0.1%0.1%0.2%0.2%左右左右. .这是因为放电灯的这是因为放电灯的发射光谱由连续谱和线状谱组成发射光谱由连续谱和线状谱组成, ,覆盖很宽的波长范围覆盖很宽的波长范围, ,其中只有与工作物其中只有与工作物质吸收波长相匹配的波段的光可有效地用于激励质吸收波长相匹配的波段的光可有效地用于激励. . 采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激光器效率光器效率. . 例如例如,Nd:YAG,Nd:YAG中宽约中宽约30nm30

53、nm的的810nm810nm泵浦吸收带中含有多条吸收谱泵浦吸收带中含有多条吸收谱线线, ,若用波长为若用波长为810nm810nm的半导体激光二极管输出光泵浦可以准确对准的半导体激光二极管输出光泵浦可以准确对准2nm2nm的的810nm810nm吸收谱线吸收谱线, ,半导体激光二极管激励的固体激光器的总体效率可以做到半导体激光二极管激励的固体激光器的总体效率可以做到20%20%50%50%左右左右. . 5.4 染料激光器染料激光器 染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。 适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。

54、适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。一、一、 染料分子能级染料分子能级 染料分子能级图染料分子能级图 染料分子的能级如图所示染料分子的能级如图所示,染料分子能级的特染料分子能级的特征可用征可用“自由电子模型说明。复杂的染料大分自由电子模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云子中分布着电子云,电子云中的电子云中的2n个电子与势阱个电子与势阱中的自由电子相似。当分子处于基态时中的自由电子相似。当分子处于基态时,2n个电个电子填满子填满n个最低能级个最低能级,每个能级为两个自旋相反的每个能级为两个自旋相反的电子所占据电子所占据,总自旋量子数为零总自旋量子数为零,形成单重态形成单重态S

55、0。当分子处于激发态时当分子处于激发态时,电子云中有一个电子处于较电子云中有一个电子处于较高能级。若此电子自旋方向不变高能级。若此电子自旋方向不变,则总自旋量子数则总自旋量子数仍为零仍为零,形成形成S1、S2等单重激发态。若此电子自等单重激发态。若此电子自旋反转旋反转,则形成则形成T1、T2等三重态。由选择定则可等三重态。由选择定则可知知,单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个电子态都有一组振动电子态都有一组振动转动能级。电子态之间转动能级。电子态之间的能量间隔为的能量间隔为106m-1量级量级,同一电子态相邻振动同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为能

56、级间的能量间隔为105m-1,而转动子能级间的而转动子能级间的能量间隔仅为能量间隔仅为103m-1量级。实际上由于染料分量级。实际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽,使使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上对应一个准连续能带。际上对应一个准连续能带。染料分子能级图染料分子能级图二、二、 染料分子的光辐射过程染料分子的光辐射过程 染料分子能级图染料分子能级图 染料分子吸收了泵浦光能量由基态染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到跃迁到S1的某一振转能级后的某一振转能级后,在和溶在和溶剂分

57、子频繁的碰撞中迅速地将能量传递剂分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给溶剂分子并跃迁至给溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级。的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能的各振动能级时产生荧光。跃迁至级时产生荧光。跃迁至S0的较高振转能的较高振转能级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程返回返回S0的最低能级。由以上叙述可知的最低能级。由以上叙述可知,在在S1的最低振转能级和的最低振转能级和S0的较高振转的较高振转能级间极易形成粒子数反转分布状态。能级间极易形成粒子数反转分布状态。产生激光。由于产生激光。由于S0和和S1都是准连续带都是准连续

58、带,吸收谱和荧光发射谱都是连续的吸收谱和荧光发射谱都是连续的,所以染所以染料激光器有很宽的调谐范围。料激光器有很宽的调谐范围。三、三、 染料分子的三重态染料分子的三重态“陷阱陷阱” ” 处于处于S1态的分子还可通过碰撞容易地向态的分子还可通过碰撞容易地向T1态跃迁态跃迁,这一过程称作系际交叉这一过程称作系际交叉,其速率其速率KST一一般为般为10-2ns-l左右左右,虽然这一速率较虽然这一速率较S1态的态的自发辐射速率自发辐射速率(ns-1)小得多小得多,但由于但由于T1态的态的寿命寿命T较长较长(10-410-3s),分子较易积聚在分子较易积聚在T1态态,所以所以T1态对于激发分子来说，相当

59、一态对于激发分子来说，相当一个个“陷阱陷阱”。一方面，一方面， T1占有占有S1上部分分子，减少了上部分分子，减少了S1对对S0的反转粒子数，另一方面，的反转粒子数，另一方面， 积累在积累在T1中的大量分子又会吸收光能，由中的大量分子又会吸收光能，由T1跃迁到跃迁到T2，并且而并且而T1T2跃迁的吸收波长又恰好与跃迁的吸收波长又恰好与S1S0跃迁荧光波长重叠跃迁荧光波长重叠,这意味着这意味着T1态积态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向T2态态跃迁跃迁,因此染料分子在因此染料分子在T1态集聚不利于激光运态集聚不利于激光运转。显然转。显然,只有在只有在S1S0受

60、激辐射产生的增受激辐射产生的增益大于益大于T1T2跃迁造成的吸收损耗时才能形跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光振荡。成激光振荡。染料分子能级图染料分子能级图5.4.2 5.4.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦 通常采用闪光灯、通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频分子激光器、准分子激光器或倍频Nd3+:YAG激光器发射激光器发射的的532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,而连续染料激光器则常用氩或氪离子而连续染料激光器则常用氩或氪离子激光器作泵浦源。显然激光器作泵浦源。显然,泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。可以采泵浦光的波长必须小