2021-2022学年高二物理竞赛课件：典型激光器

1、典型激光器按工作物质可分成四类:固体激光器;气体激光器;液体激光器;半导体激光器一、固体激光器1光泵激励以掺杂的晶体或玻璃为工作物质。受激离子浓度大，亚稳态寿命长，故容易获得大能量输出。连续功率可达KW级、脉冲峰值功率TW级。 1）采用气体放电灯进行泵浦，并采用椭圆聚光腔，但效率很低（小于3%）。典型激光器2）采用半导体激光器（LD）进行泵浦， 效率可达720%。 典型激光器红宝石激光器是世界上第一台激光器，1960年由美国人梅曼发明。(1)工作原理工作物质：Al2O3+0.05%Cr3+(重量比)能级结构：Cr3+的三能级系统E1=4A2 ， E2=2E， E3=4F1，4F2，E2为亚稳能

2、级，寿命约3毫秒4A24F24F12E0.42m0.55R1R2输出波长：R1优先线起振，输出波长694.3nm(红光）。黄绿带蓝紫带蓝紫带黄绿带典型激光器红宝石激光器的泵浦系统和结构 光泵浦，由于红宝石吸收峰在蓝、绿区，用脉冲氙灯泵浦，光谱匹配较好。若需大功率，多灯泵浦，可用双椭圆腔。较高重复率使用时，灯和激光棒都需要水冷。典型激光器红宝石激光器的应用特点 由于红宝石激光器是三能级结构,有较高的泵浦能量阈值, 所以通常只能以脉冲方式运转. 较高的泵浦能量阈值限制了其应用,但输出的是可见光,在动态信息、医学等方面仍有应用价值。 采用调Q和锁模技术可获得超短脉冲输出: 调Q脉冲:峰值功率达107

3、W,脉宽为10-20ns; 锁模脉冲: 峰值功率达109W,脉宽为10ps.典型激光器激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱见下图. 钕激光器典型的有：Nd:YAG和钕玻璃激光器常用氪灯810nm750nm典型激光器 掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）1)工作原理工作物质：YAG=Y3Al5O12+1.0-1.2%Nd2O3 (原子百分比)能级结构：Nd3+的四能级:E1=4I9/2，E2=4I11/2，E3= 4F3/2，E4= 4S3/2，4F7/2 , 4F5/2，2A9/2输出波长：1.064m (红外)氪灯 4S3/2 4F7/2 4F5/2 2A9/24F3/24I11/24I9

4、/20.750.811.0644I13/21.3190.95典型激光器Nd:YAG激光器的泵浦吸收光谱在近红外波段，常用氪灯泵浦，并用椭圆聚光腔提高泵浦效率。Nd:YAG激光器的脉冲输出 由于Nd:YAG为四能级系统，阈值比红宝石激光器低得多，所以激光效率比红宝石激光器高得多，可连续或脉冲以高重复率运转. 调Q峰值功率可达数108W；脉宽为ns量级 锁模峰值功率可达数1010W，脉宽为ps量级.典型激光器(2)钕玻璃激光器工作物质：各向同性玻璃+Nd2O3 1-5%重量比能级结构: Nd3+的四能级.输出波长: 最强辐射1.060微米与YAG比较:1)能级结构基本相同(只是能级间隔稍不同)2) 容易做成大尺寸，且荧光寿命较长（0.6-0.9ms,而YAG约为0.23ms）,故输出能量大。3)钕玻璃的荧光线宽更宽,锁模脉宽更小(1ps),但散热能力差,阈值较高,不宜连续及高重复率运转.泵浦: 氪灯典型激光器Planck公式维恩公式瑞利-琼斯公式Planck公式维恩位移定律斯忒藩玻尔兹曼定律激光原理激光及其特性单色性好，方向性好，亮度高，相干性好激光器