典型激光器精品课件

1、典型激光器第1页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.1 概述3.2 气体激光器3.3 固体激光器3.4 染料激光器 第2页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.1 概述1960年美国科学家梅曼博士研制世界上第一台激光器红宝石激光器第3页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.1.1 激光器的基本结构工作物质、泵谱源和谐振腔第4页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.1.2 激光器的分类及其主要输出特性一、按照激光工作物质划分1.气体激光器2.固体激光器3.液体激光器4.半导体激光器5.化学激光器6.

2、自由电子激光器7.X射线激光器8.光纤激光器第5页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一1.气体激光器工作物质:气体和金属蒸气根据气体工作物质不同:气体原子激光器气体分子激光器气体离子激光器第6页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一原子气体激光器a.工作物质：惰性气体原子 eg:氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)金属原子蒸气 eg:镉(Cd)、铜(Cu)、锰(Mn)、锡(Sn)第7页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一b.输出波长：惰性气体原子红外、远红外，少数在可见光金属原子蒸气可见光c.典型： He-N

3、e激光器第8页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一分子气体激光器a.工作物质：双原子分子、三原子分子 eg: CO、N2、H2O、CO2b.输出波长：双原子激光器：紫外、可见光三原子激光器：中红外、远红外c.代表：氮分子激光器、二氧化碳激光器第9页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一离子气体激光器a.工作物质 惰性气体的离子、金属蒸气离子 eg: Ar 、Kr 、Cd 、Hgb.输出波长：可见光c.常用： 氩离子激光器、氪离子激光器第10页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一激励方式1.一般气体放电激励(1) 直流连续放电(2)

4、高频放电(3)脉冲放电2.电子束激励3.热激励4.化学反应激励第11页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一特点工作波长分布区域宽输出光束质量高转换效率高、结构简单、造价低廉第12页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一应用1.农业生产2.国防3.科研4.医学等领域第13页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2.固体激光器工作物质基质材料基质玻璃基质晶体：金属氧化物晶体、氟化物晶体掺杂离子（激活离子）三价稀土金属离子：钕、镨、铕、铒等过渡族金属离子：铬、钛、镍等二价稀土金属离子：钐、铒、铥等锕系金属离子第14页，共158页，2022

5、年，5月20日，18点42分，星期一典型代表:1.红宝石激光器2.掺钕钇石榴石激光器3.钕玻璃激光器4.掺钛蓝宝石激光器第15页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一激励方式多采用光泵谱闪光灯半导体激光二级管等第16页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一特点波长覆盖范围:可见光近红外波段输出能量大运转方式多样器件结构紧凑、牢固耐用、易于光纤耦合第17页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一应用1.工业2.国防3.科研4.医学等领域第18页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.液体激光器分类有机化合物液体(染料

6、)无机化合物液体典型代表 染料激光器泵谱方式光泵谱:激光泵谱和闪光灯泵谱第19页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一特点波长覆盖范围紫外到近红外波段波长连续可调结构简单、价格低廉不足:稳定性差应用:科研和医学等领域1966年第一台染料激光器-由红宝石激光器泵谱的氯铝钛花青染料激光器问世第20页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一4.半导体激光器用半导体材料作为激光工作物质常用的半导体材料族化合物半导体 eg:GaAs（砷化镓）族化合物半导体 eg:CdS族化合物 eg:PbSnTe根据PN结结构和材料的不同,有不同激光器同质结和异质结第21页，共15

7、8页，2022年，5月20日，18点42分，星期一泵谱方式：注入电流波长范围：近红外波段920nm-1.65um1962年，第一台半导体激光器sGa激光器问世第22页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一特点超小型、重量轻效率高发射的激光波长范围宽使用寿命长输出功率高第23页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一应用光纤通信的光源光盘、激光高速印刷术全息照相、文字记录、数码显示办公自动化激光准直、激光防盗激光医学、激光生物学光信息处理、光存储、光学计算机第24页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一5.化学激光器1964年第一台光解离

8、碘原子化学激光器问世工作物质：气体或液体（如、等）激励方式：化学能激励波长范围：紫外到红外波段，直至微米波段特点：功率高能量输出高无需外界提供泵谱源应用范围广第25页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一6.自由电子激光器工作物质：相对论电子束定义：通过电子加速器加速的高能电子泵谱源：空间周期磁场或电磁场显著特点：非常高的能量转换效率输出激光波长连续可调协应用：未来的生物、医疗、核能等领域第26页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一7.X射线激光器输出激光波长位于射线波段（1-10nm)工作物质：高度电离的等离子体采用光泵谱第27页，共158页，202

9、2年，5月20日，18点42分，星期一8.光纤激光器1963年,第一台光纤激光器-Nd203优点：总增益高阈值低能量转换效率高宽的波长调谐范围器件结构紧凑第28页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一工作物质：掺入激活离子的光纤普通光纤（非线性效应）泵谱源：半导体激光二极管谐振腔：分类：晶体激光器稀土类掺杂光纤激光器塑料光纤激光器非线性效应光纤激光器主要应用远距离光纤通信第29页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一二、按激光器工作方式划分连续激光器脉冲激光器三、按激光技术的应用调Q激光器锁模激光器稳频激光器可调协激光器等四、按谐振腔的腔形非稳腔激光器平

10、面腔激光器球面腔激光器第30页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.2 气体激光器3.2.1 气体放电激励基础在高电压作用下，气体分子（或原子）发生电离而导电弱电离气体放电（电离度不超过0.1%）分类(按放电管电极上所加电压不同）直流连续放电高频放电脉冲放电第31页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一1.直流连续放电第32页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一I区为非自持放电区，电流很小，10-2010-12A，特点是外界电压取消后，放电立即停止，起始带电粒子完全是由外界电离源提供的II区自持暗放电区，此时放电电流为 10-1

11、110-5A之间，管压降接近电源提供的 电压III区过渡区（欠辉区），管压降突然下降，电流急剧增加，其中D点称为着火电压（起辉电压、击穿电压）第33页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一IV区正常辉光放电区，电流在10-410-1之间，E点电压称为维持电压，管内出现明暗相间的辉光，管压降维持不变；V异常辉光放电区，如加大电流并使电压突破G点，则电流突然猛增，管压降突然降低，进入VII弧光放电区；VI过度区VII弧光放电区，是一种自持放电状态，管内出现明暗的弧光放电电流在10-1A以上。G点称为弧光放电的着火电压.第34页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，

12、星期一辉光放电高电压,小电流稳定的自持放电He-Ne激光器和CO2激光器弧光放电低电压,大电流的自持放电Ar +激光器分类:热阴极弧光放电冷阴极弧光放电人工阴极弧光放电第35页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2.高频放电即射频气体放电射频:指频率在几兆到几百兆范围内的电磁波当两电极间施加高频交变电场后,由于带电粒子在两电极之间上午渡越时间远大于电场的变化周期,使得电子不能再做长距离的运动,而只能在某个固定位置附近振荡,并在振荡过程中与气体粒子碰撞,产生电离与激发,以维持放电.20世纪70年代,成功用于大功率输出CO2激光器第36页，共158页，2022年，5月20日，

13、18点42分，星期一3.脉冲放电放电管两电极间施加脉冲电压时,即产生脉冲放电按放电电流密度的大小脉冲辉光放电脉冲弧光放电按所加电压的交变状态直流脉冲放电交流脉冲放电按脉冲持续时间短脉冲放电长脉冲放电准分子激光器采用脉冲放电方式大功率高气压气体激光器多采用短脉冲放电方式第37页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一二、气体放电中的粒子碰撞与激发、电离过程在气体放电中，带电粒子与中性气体粒子之间的碰撞决定着放电进行的情况第一种过程：电离第二种过程：激光上下能级粒子的激发与消激发粒子碰撞的分类：弹性碰撞和非弹性碰撞非弹性碰撞的分类：第一类第二类第38页，共158页，2022年，5

14、月20日，18点42分，星期一.第一类非弹性碰撞一个粒子的动能转变为另一个粒子内能的碰撞快速电子与气体粒子发生碰撞激发和电离当电子的能量大于或等于气体粒子的激发态能量时当电子能量等于或大于气体粒子的电离能时，电子和气体粒子的碰撞，还可以使粒子从一个激发态跃迁到一个更高的激发态，或使激发态粒子发生电离(逐级激发和逐级电离)第39页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一.第二类非弹性碰撞一个粒子的内能转变为另一个粒子内能或动能的碰撞共振转移:激发态的粒子A*与基态粒子B碰撞,B激发到高能态, A*返回基态电荷转移:离子与中性气体粒子碰撞引起的激发与电离过程. 电离激发第40页，

15、共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一潘宁电离: 处于激发态的气体粒子A*与处于基态的粒子B碰撞, A*失去能量返回基态,而B被电离,或电离后又被激发 只要A*的激发能大于基态粒子B的电离能,潘宁电离便可进行,电离过程中产生的多余能量可转化为电子的动能第41页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.2.2 He-Ne激光器最早研制成功的气体激光器可见光到近红外.产生多条谱线（.nm、.um、.9um）缺点：输出功率较小，能量转换功率较低优点：光束单色性好（），频率稳定度高，方向性好（小于mrad)，相干长度达几十公里，结构简单紧凑，可靠稳定应用准直、定位

16、、全息照相、测量、精密测量、光盘录放、信息处理、医疗和照排印刷等第42页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一第43页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一一、 He-Ne激光器的基本结构激光管和电源组成激光管包括放电管、电极和谐振腔第44页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一因增益低，谐振腔一般采用平凹腔平面镜输出镜，透过率凹面镜作全反镜结构形式:按谐振腔与放电管的放置方式内腔式外腔式半内腔式第45页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一内腔式谐振腔的两个反射镜调整好后直接固定在放电管的两端优点：使用中不必进行

17、任何调整，非常方便，且腔内损耗小，有利于提高输出功率缺点：器件工作过程中当毛细管受热变形时，谐振腔反射镜将偏离原来已校准的状态，引起输出特性劣化第46页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(a) 外腔式(b)半内腔式第47页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一外腔式谐振腔反射镜与放电管分离，放电管两端封有布儒斯特窗.优点:放电管的热变形对谐振腔的影响很小,加之腔镜可调整,可以保证激光器在长期使用中输出稳定.布氏窗使激光器可获得线偏振光输出,偏振度一般大于99%.腔内可方便地插入其他的光学元件,获得调频、调幅输出.缺点:腔镜与放电管的相对位置容易改变,

18、使用中需经常调整.半腔式优缺点介于内、外腔式之间.第48页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一二、He-Ne激光器的工作原理1.能级结构工作物质Ne是激活物质He是辅助物质（提高Ne原子的泵谱速率）He与 Ne之比71 101四能级系统第49页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一图3.6第50页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2.Ne 原子激光上能级的激发过程（）共振能量转移(转移几率高达95%以上)第51页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(2)电子直接碰撞激发共振能量转移激发约为电子直接碰撞激发的

19、60-80倍(3)串接跃迁Ne原子与电子碰撞被激发到更高的能态,然后再跃迁到2S和3S能态.但在三个过程中贡献最小第52页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3. Ne原子激光下能级的驰豫过程放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，1S态的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态，以及时减少1S态的Ne原子数，有利于激光下能级3P与2P态的抽空毛细管管径与小信号增益系数之间经验公式管径要细，但太细会限制输出功率第53页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一增益与最佳放电条件之间的关系放电条件放电电流充气总气压e、

20、e气压比由于以632.8谱线跃迁为例,通过建立与求解速率方程加以说明设e原子激光上能级、激光下能级及基态能级的粒子数密度为n3、n2、n1,He原子亚稳态能级及基态能级的粒子数密度分别为n4和n0;放电激励时，电子密度为ne则n3的速率方程为He向e共振转移的激发速率转移速率常数驰豫时间向其他能级的驰豫速率e 向He共振转移的激发速率第54页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一稳态后同理的速率方程为稳态后最后得电子碰撞激发速率激发速率常数电子碰撞消激发速率消激发速率常数因共振能量转移或逃逸出激发区而衰减的速率衰减几率第55页，共158页，2022年，5月20日，18点42

21、分，星期一的速率方程稳态后因自发辐射几率很大（）增益与放电电流的关系在总气压和分压比一定的条件下即靠电子碰撞激发自发辐射几率自发辐射衰减速率电子碰撞激发速率电子碰撞消激发速率第56页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一i较小时，i较大时，与i关系不大而呈饱和状态i继续增大时，饱和放电电流存在一个最佳值，此值对应最大的反转粒子数密度第57页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（）增益与充气总气压的关系在气压比一定的条件下存在最佳充气总气压第58页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（）增益与气压比的关系在总气压一定的条件下，e的分

22、压上升， 分压过高，由于e原子电离电位低，易电离而导致电子能量下降，最佳充气条件：最佳充气总气压最佳He、Ne气压比第59页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一器件工作于最佳充气条件时，放电毛细管内径d与最佳充气总气压的乘积为一常数，其取值范围为（Pa.mm)第60页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一三、 He-Ne激光器的谱线竞争氦氖激光器的三条最强的激光谱线（632.8，1.15，3.39）632.8和3.39 两条谱线具有相同的上能级，从而存在强烈的竞争。由于增益系数与波长的三次方成正比，显然3.39的增益系数远大于632.8。为了获得较强的

23、632.8激光输出，可采用下述方法抑制3.39辐射的产生棱镜色散法第61页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一腔内放置甲烷吸收盒第62页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一外加非均匀磁场法利用塞曼效应(磁场将引起谱线的分裂)，增益系数反比于线宽放电管长度小于1m ,采用棱镜色散法和腔内放置甲烷吸收盒放电管长度大于1m ,采用综合方法第63页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.2.3 CO2激光器混合气体激光器工作物质：CO2辅助气体： 提高激光器的输出功率和效率工作方式：连续、脉冲、稳频和调谐等输出特性的两个显著特点（1）输

24、出功率或能量相当大，能量转换效率高（2）输出波长分布在918um波段年问世第64页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一分类封离型流动型（纵向和横向）大气压型气动型波导型等第65页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一激励方式纵向气体放电激励（低功率器件）横向气体放电激励（大功率器件）射频激励化学激励气动激励电子束激励等第66页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一一、 CO2分子的能级结构及振转跃迁. CO2分子的能级结构CO2分子是一种线性对称排列的三原子分子分子的内能电子绕核运动的能量原子的振动能量分子的转动能量三种基本振动形式

25、(1)对称振动(2)形变振动(3)反对称振动在一级近似下,三种振动方式独立.用4个对应的量子数标记其振动能级第67页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一CO2分子与激光跃迁有关的部分振动能级两条强度最强最具价值的谱线10.6um 9.6um 四能级系统第68页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2. CO2分子振转跃迁 转动子能级用量子数J表示振转跃迁的选择定则 振动能级 转动能级转动子能级间的跃迁J=+1 称为R支,记为R(J)J=-1 称为P支,记为P(J)J=0 称为Q支,记为Q(J)谱线的具体情况见书116页第69页，共158页，2022年，

26、5月20日，18点42分，星期一谱线竞争理论上振转跃迁中可形成上百条谱线实际上却只有1-3条谱线能同时形成激光振荡源于转动子能级间的竞争效应第70页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一二、封离型CO2激光器1.工作原理（1）激光上能级(0001)粒子的激发过程 主要的三种激发过程电子直接碰撞激发串级跃迁激发第71页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一共振转移激发消激发 除受激辐射外由其他原因引起的激光上能级粒子的减少 消激发的速率与气体成分和气体温度有关第72页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（2）激光下能级粒子的驰豫过程第

27、一步从1000和0200能级向0110能级的驰豫第73页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一第二步从0110能级向基态的驰豫第74页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2 器件结构第75页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一封离型：工作气体被封离在放电管内输出功率低于分类内腔式半内腔式全外腔式放电管采用多层套管结构三重套激光管二重套旁轴激光管第76页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.输出功率及主要影响因素（1）输出功率公式激光器增益比较高，输出镜的透过率一般选的比较大归一化光强两镜面上的光强第77页，

28、共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一腔内存在一稳定的归一化光强工作物质的饱和增益系数为根据g s 的定义比较上两式得第78页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一将上两式分别乘-与+,求和得即所以有即上式积分可得第79页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一同理,沿Z-方向的增益为上两式相加得第80页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一输出功率可表示为对于小功率封离型CO2激光器,有输出功率取决于:输出镜的透过率T谐振腔的单程光学损耗单程增益g 0l 放电管利用率0.4d 2(cm )第81页，共158页，202

29、2年，5月20日，18点42分，星期一（2）气体成分与气压对输出功率的影响输出功率显著提高含组分：含组分：输出功率显著降低：各种气体成分的主要作用：氮：提高CO2分子0001能级的激发速率，同时加快0110能级的弛豫速率一氧化碳：提高CO2分子0001能级的激发速率，同时加快0110能级的弛豫速率第82页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一氦：提高输出功率 含量: CO2的45倍 原因:质量轻、导热率高、可有效降低工作气体温度氙：提高输出功率和能量转换效率提高输出功率30%40%能量转换效率提高10%15%原因：电离电位低、增大放电气体的电离度、使E/N值降低水蒸气和氢：

30、提高输出功率和使用寿命 原因：对激光下能级1000以及0110能级的驰豫速率大， H2O分子振动能级寿命短，可以很快返回基态 对CO和O的复合起催化作用，延长寿命第83页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一在混合比一定的条件下，存在最佳充气总气压Pop t对直流放电激发对交流放电激发第84页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（3）放电电流对输出功率的影响最佳放电电流放电管管径充气总气压气体混合比随着放电管管径增大，最佳放电电流增大放电管管径小于10mm，最佳放电电流为2030mA管径为2030mm，最佳放电电流3050mA管径为5090mm，最佳放

31、电电流120250mA放电管两端的直流管压降V受到E/P值和稳定放电两方面的限制E/P 值低,放电管内电子转换效率高,器件能量转换效率高.E/P过低,对维持稳定放电不利一般取值范围0.0750.15第85页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（4）放电管长度与内径对输出功率的影响输出功率正比于放电管长度放电管长度小于10米,平均单位放电长度输出功率为4050W(多模),2030(单模)长度在1050m,100W/m长度大于m，m放电管内径的大小对输出功率影响不大工作气体的温度谐振腔的参数腔内损耗的大小第86页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一三、流

32、动型CO2激光器运转时工作气体处于流动状态优点对流冷却 输出功率随放电电流密度线性增长不足:装置比较复杂,抽气设备较为庞大,气体消耗量大运转方式:连续和脉冲两种分类轴向流动 工作气体的流动方向、放电电流方向与激光输出方向位于同一轴线上 横向流动： 工作气体的流动方向和放电电流方向垂直激光输出方向第87页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一轴快流CO2激光器的工作原理和器件结构构成：放电管、谐振腔和快速流动气体循环系统等冷却效果： CO2分子在放电区域内的停留时间放电管越长要求气体流动的速度越快特色之一：增强脉冲输出（在连续波输出的基础上再加上能量很高的尖脉冲输出)第88页

33、，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一四、横向激励高气压CO2激光器(TEA)横向放电激励方式：放电方向垂直于激光输出方向器件工作气压1-2大气压脉冲方式运转输出能量和峰值功率都很高（峰值功率可达1010W，脉宽为纳秒量级，能量转换效率10%20%，工作频率1.5KHz )两大特色:高气压横向放电激励存在问题:不容易获得大面积均匀辉光放电第89页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一1.多组电极放电第90页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2.快速放电技术如果放电脉冲很窄,使放电时间小于电弧形成时间,则可在两极间获得均匀辉光放电要

34、获得很陡的窄脉冲,放电回路要选用快速开关,例火花隙开关同时应尽量减小放电回路中的电感第91页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.预电离技术实质:在电极放电前,先使气体产生弱电离,然后再 进行主放电预电离的方法: 双放电 紫外线 电子束 射频放电等第92页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一多弧放电紫外预电离激光器第93页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一五、波导CO2激光器谐振腔的构成波导系统和光学反馈系统分类 内腔式、外腔式、环行腔、复合腔和分布反馈腔等1972年研制成功第94页，共158页，2022年，5月20日，18

35、点42分，星期一要求波导管材料具有良好的导热性(波导管内径1-4mm ,散热面积小)硬质玻璃(GG17)、氧化铍陶瓷、金属铝等单位长度输出功率约为50W/m输出功率通常在以下波导管内径小，工作气压一般比较高13KPa 以上，谱线加宽为压力均匀加宽。当气压为40KPa时,谱线加宽达1500MHz是普通激光器的几十倍第95页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.3固体激光器历史最久.长春光机所“小球照明红宝石激光器”王之江教授“中国激光之父”主要内容 固体工作物质 光泵浦系统 工作物质的热效应 固体可调激光器-掺钛蓝宝石激光器第96页，共158页，2022年，5月20日，1

36、8点42分，星期一3.3.1 固体工作物质固体基质材料 物理性能晶体氧化物晶体氟化物晶体玻璃(硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等）掺杂离子光谱特性种类（1）三价稀土金属离子（2）二价稀土金属离子（3）过渡金属离子（4）锕系金属离子第97页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一1.红宝石晶体（1）晶体的物理性质基质：Al2O3激活离子:(铬)Cr3+掺杂重量比0.03%007%（一般为0.05%）（2）晶体的激光性质能级结构吸收光谱荧光光谱第98页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一能级结构三能级系统脉冲方式运转（器件的阈值高）692.9nm 和694

37、.3nm 两条谱线寿命3ms 寿命纳秒量级第99页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一吸收光谱各向异性晶体吸收特性与光的偏阵态有关两个吸收带蓝带中心波长410nm 附近带宽360450nm 绿带中心波长550nm 带宽510600nm 第100页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一荧光光谱两条强荧光谱线R1 线 (中心波长694.3nm )R2 线(中心波长692.9nm )通常只产生694.3nm的激光(1)跃迁到激光上能级E和2A上的粒子数服从玻尔兹曼分布,E能级上约占53%,2A能级上占47%(2) R1 线 的荧光强度高于R2 线,使R1 线

38、 的受激辐射几率高于R2 线第101页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(3)温度对红宝石晶体的影响(1)温度升高导致红宝石激光中心波长向长波方向移动(2)温度升高导致荧光线宽加宽,量子效率下降第102页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(4)红宝石晶体的主要特点优点机械强度和化学稳定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成较大尺寸亚稳态寿命长,储能大,可获得大能量输出荧光谱线较宽,易获得大能量单模输出低温性能优良输出可见光缺点三能级系统,阈值高晶体性能随温度变化明显,室温变化明显,室温下不适于做连续和高重频器件第103页，共158页，2022年，

39、5月20日，18点42分，星期一2.掺钕钇铝石榴石晶体(1)晶体的物理性质 在钇铝石榴石（）掺入少量的Nd2O3,由d3+部分取代而成 d3+激活离子掺入Nd2O3 的重量百分比一般为0.275%(2)晶体的激光性质能级结构吸收光谱荧光光谱第104页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一能级结构第105页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一吸收光谱5条主要吸收带 0.53um 、0.58um 、0.75um 、0.81um 、0.87um 吸收带带宽约为300第106页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一荧光光谱三条1.064um

40、 0.94um 1.35um三条谱线荧光强度分支比约为0.6:0.25:0.14第107页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(3)d3+:YAG的主要特点优点四能级系统,阈值低具有非常优良的热学性能,适于做连续和高重频器件是室温条件下连续工作的唯一适用的固体工作物质，也可用于倍频和锁模器件。缺点价格昂贵尺寸小(掺钕钇石榴石存在光学不均匀性，制作合格的大型晶体难度大)第108页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.钕玻璃(1)钕玻璃的物理性质光学玻璃中掺入适量的Nd2O3基质：光学玻璃激活离子：d3+玻璃在光学上属于各向同性材料，能均匀地掺入较高浓

41、度的激活粒子，最佳掺杂Nd2O3重量比为，对应于的掺杂量，激活离子的浓度为m3第109页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(2)钕玻璃的激光性质与Nd:YAG相比，钕玻璃光谱的特点吸收光谱带变宽，有利于激活吸收三条光谱线（0.92、1.062、1.37）荧光寿命长，但量子效率和受激发射截面低输出波长范围1.0541.062第110页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(3)钕玻璃的主要特点优点荧光寿命长,易于反转粒子数的积累,工作物质储能大,且容易制成大尺寸,适于大功率,大能量的器件不足钕玻璃的热导率远较晶体材料差，难以用它做成连续或高重复率器件由

42、于荧光线宽很宽，nm左右，激光为多纵模输出第111页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一光泵谱主要的泵谱光源惰性气体放电灯（脉冲氙灯、连续氪灯等） 辐射强度高、能脉冲和连续工作、工艺简单、使用方便半导体激光二极管 具有最高的泵谱效率金属蒸汽灯（汞灯、钠灯等）卤化物灯（碘钨灯、溴钨灯等）惰性气体放电灯和聚光腔共同构成固体激光器的灯泵谱系统光泵谱系统第112页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一一、灯泵谱系统1.惰性气体放电灯（1）结构及性能参数工作气体 氪或氙 电极 采用高熔点、高电子发射率、低溅射的金属材料（钨、钍钨等） 灯管 采用耐高温、透光性好、

43、机械强度高的石英玻璃工作方式：连续和脉冲工作于弧光放电状态常用规格和性能参数见书上表格第113页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一结构方式第114页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（2）惰性气体放电灯的光谱特性连续光谱灯内浓度很高的电子和正离子复合发光线状光谱放电时被激发的原子和离子自发地返回基态时辐射发光第115页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一放电电流密度较小时,线状光谱所占比例上升,对脉冲氙灯.其特征谱线的峰值波长位于0.84um 、0.9um 、1um 附近。对连续氪灯，峰值波长位于0.76um 、0.82um

44、 、0.9um 附近，与YAG的吸收谱带相匹配。放电电流密度较大时，连续谱成分增加当放电电流增大到一定值时，线状光谱被连续光谱掩盖，且随着放电电流密度的增大，连续谱中心波长向短波方向移动在高放电电流密度下，脉冲氙灯的辐射光谱有利于红宝石晶体的吸收（吸收峰400550nm )，对连续和小能量输出（10J）的脉冲YAG，采用氪灯泵谱效率比较高。对大型钕玻璃和脉冲YAG器件，易采用辐射能量较大，效率较高的脉冲氪灯泵谱第116页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一第117页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一(3)惰性气体放电灯的有效辐射效率L灯在工作物质吸

45、收带内的辐射光能与电容储能(1/2CV2)之比.影响有效辐射效率的主要因素充气种类对脉冲灯，当充气压一定时，氙的转换效率比氪和氩高充气压在相同放电条件下,充气压增高则L提高灯尺寸(l和 d）及使用情况等灯细长可提高L放电电流密度的影响工作在最佳放电电流条件下在实际运用中，应合理设计灯的放电回路以提高灯的 有效辐射效率。第118页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2.聚光腔作用:将泵谱光有效、均匀地传输到工作物质上衡量：聚光效率C（聚光腔的腔型、腔内表面的反射性能等因素）根据工作物质的形状和所用泵谱光源的类型以及二者的相对位置，泵谱方式主要有：侧面泵谱 工作物质形状为棒状

46、或矩形片；泵谱光源为直管等或激光二极管阵列。端面泵谱 泵谱光由棒的端面进入。第119页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一面泵谱工作物质形状为圆盘,泵谱光通过圆盘表面进入工作物质.优点:泵谱光均匀性好、工作物质片状结构散热性好，适于泵谱大功率器件。第120页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（1）聚光腔的类型椭圆柱聚光腔 两端为高反射率的端板焦上放置和焦外放置第121页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一单椭圆柱聚光腔单灯泵谱的不足工作物质内部光照不够均匀单灯泵谱能量不会太高，影响器件的输出能量采取办法：多灯泵谱单根棒缺点：椭

47、圆被切割，聚光效率比单椭圆柱聚光腔低，加工难度大，体积大。适于大能量输出的场合椭圆柱聚光腔适合于工作物质比较长的器件第122页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一紧包式聚光腔灯和棒靠得很近靠灯光直接照射和聚光腔内高能密度来实现。优点：结构简单、易加工、体积小、效率高缺点：棒内光照不均匀，不利于散热适于小功率和低重复频率的小型器件第123页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一旋转对称聚光腔具有三维空间的聚焦作用，聚光效率比较高。椭球聚光腔 反射面为一椭球，灯和棒沿椭球长轴放置在焦点与顶点之间。圆球聚光腔灯和棒在过球心的任一轴线两侧对称放置。适于短棒、短

48、灯的情况不足：加工比较复杂、体积大。第124页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一第125页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一（2）聚光腔内反射表面的选择金属材料（铜、铝等）镜面反射内表面高度抛光后，再镀高反射率的反射模层金属反光模层（金、银、铝、铜等）金：化学性能稳定、耐腐蚀、使用寿命长。滤紫外光，防止工作物质产生色心效果好、但成本高。银：对于大于0.4um 的光有高反射率,真空镀模反射率达98%缺点:易氧化铝:0.70.9um 波段反射率有所下降适于金属和玻璃聚光腔第126页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一第127页，

49、共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一漫反射(陶瓷和硫酸钡氧化镁粉等陶瓷:具有漫反射性能,耐腐蚀优点:泵谱光均匀性好反射率高90%98%.适于小型聚光腔.（3）聚光腔的设计原则根据器件所要求的输出能量和功率,选择聚光腔的类型和泵谱方式以达到最高的聚光效率和最大的光照均匀性.考虑棒灯聚光腔三者尺寸的合理匹配.如采用圆柱棒和直管灯,棒和灯尺寸一般按1:1选配,聚光腔长度一般应大于棒的长度统筹考虑冷却尺寸重量成本等各方面要求,以及换灯是否方便,最终确定聚光腔结构尺寸.第128页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一二、LD泵浦固体激光器(DPSL)20世纪80年

50、代中后期LD优点电光转换效率高、使用寿命长、体积小和重量轻特点:(1)光谱匹配性好灯泵谱的不足热能紫外光造成工作物质的劣化需要冷却和滤光等措施 (2)固体器件总体效率高（25%）灯泵谱（百分之几）(3)体积小(闪光灯电源体积的十分之一)、结构简单(减小冷却系统)、装调方便和使用寿命长(105小时或109次)第129页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一第130页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一LD泵谱固体激光器的结构种类 连续、脉冲、调Q和倍频等工作物质形状棒状、板状和微片等按泵谱的耦合方式分三种:直接端面泵谱,光纤耦合端面泵谱侧面泵谱第131页

51、，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一直接端面泵谱第132页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一小功率激光二极管泵谱固体激光器常用的方式三部分组成: LD泵谱源耦合光学系统固体激光器采用半外腔或半内腔结构 (在固体工作物质的泵谱耦合端面上镀对固体激光波长全反而对泵谱光波长增透的双色模)特点:结构最紧凑、整体效率最高效率高的原因:(1)在泵谱激光模式不太差的情况下,耦合光学系统高效率地将泵谱光耦合到固体工作物质中,耦合损失小(2)泵谱光具有一定的模式,固体激光振荡模式与泵谱光模式关系密切,匹配的效果好,泵谱光的利用率高第133页，共158页，2022年，

52、5月20日，18点42分，星期一缺点端面的尺寸限制了泵谱光的功率,限制了固体激光器的输出功率原因:激光二极管列阵的发射孔径与其发射功率成正比,不易将发射孔径大的泵谱光有效地耦合到尺寸较小的端面上.第134页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一光纤耦合端面泵谱第135页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一将泵谱光经光纤或光纤束耦合到固体工作物质中增加一个耦合光学系统和耦合光纤(改善光束质量)优点:(1)泵谱光与光纤耦合比与工作物质耦合容易经过光纤耦合,可以使固体器件输出模式好的激光光纤可以隔离激光二极管与固体激光器之间的热传导,减轻热效应的相互影响第1

53、36页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一侧面泵谱大功率激光二极管列阵泵谱板条固体激光器第137页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一双端面泵谱剪切注入泵谱泵谱固体激光器外泵谱调Q琐模倍频固体激光器光纤放大器LD泵谱固体激光器的应用:光纤通信、医学、材料加工及军事等领域第138页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一3.3.4 掺钛蓝宝石激光器1982年,第一台激光器实现运转运转方式 连续、脉冲、锁模、调Q等突出的特点高增益、低泵谱阈值，易通过放大手段获得超大功率（能量）输出具有很宽的波长调协范围，使用频率变换技术还可将该范围至绿、蓝和紫外波段采用锁模技术所获得的输出激光脉宽小于百飞秒量级终端声子激光器（可调谐特性来源于其光子的受激辐射与晶格中声子的发射存在耦合）第139页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一一、掺钛蓝宝石晶体1.晶体的物理性质Al 2O 3中掺入少量的TI 3+重量百分比为0.1%.各向异性,有非常好的化学稳定性和机械稳定性基质材料的热导率很高,比YAG优越三倍第140页，共158页，2022年，5月20日，18点42分，星期一2、