第三章3.1概述.ppt

1、第3章 典型激光器,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(简介) 补充介绍：陶瓷激光器,引子,由激光警示标志联想到？,1、激光器内部： 激光产生的必要及充分条件？ 对激光器的基本要求（基本组成部分）？ 2、激光器外部： 激光束具有哪些特性？特性之间的关系？ 如何通过激光单元技术，获得更优质的激光束？ 激光的主要应用领域？,每章小结|习题与思考题,3.1 概述 3.1 .1激光器的基本结构及其泵浦方式,一、激光器的基本结构,二、激光器的泵浦方式,3.1.2激光器的分类及其主要输出特性,一、按工作物质划分,二、按工作方式划分 三、各类激光器的主要输出特点性,1960年

2、世界上第一台红宝石激光器诞生。,背景,梅曼和世界上第一台 红宝石激光器,图3.1世界上第一台红宝石激光器基本结构 （a）结构图 （b）外形图,1961年8月 我国研制的第一台激光器 诞生于中国科学院长春光机所。 设计师： 王之江研究员,背景,中国科学院院士我国著名光学专家王之江先生,我国第一台激光器名称： 小球照明红宝石激光器,背景,球形照明红宝石激光器,我国第一台激光器 比世界上第一台激光器 在结构和性能上又前进了一大步！ 主要表现在： 1、氙灯为直管式，而非螺旋形； 2、红宝石棒与氙灯并排放在球形 聚光器的球心附近。 上述结构可以获得更高的泵浦效率， 至今固体激光器还大都采用这种结构,背景

3、,3.1.1 激光器的基本结构及其泵浦方式,一、激光器的基本组成部分,三部分: 工作物质 泵浦系统 谐振腔,结合图3.2激光器的基本结构， 请同学们 进一步思考并回答前面提出的5个问题！,图3.2激光器的基本结构, 工作物质: 实现粒子数反转,产生光的受激辐射 放大作用; 泵浦系统: 为实现工作物质中的粒子数反转提 供所需的外界能量; 谐振腔 : (1) 为建立激光振荡提供正反馈; (2) 谐振腔的参数影响输出激光 束的质量选模作用。,二、激光器的主要泵浦方式,工作物质类型不同, 采用的泵浦方式亦不同。,一般采用气体放电激励方式。 气体放电： 脉冲放电 射频放电等方式 直流连续放电 辉光放电:

4、He-Ne激光器 CO2激光器 弧光放电:Ar+激光器,气体激光器,多采用光泵浦方式。 光泵浦：惰性气体放电灯泵浦：氙灯,氪灯； 激光泵浦：半导体激光二极管泵浦（LD）； N2激光,YAG倍频光,准分子激光泵浦 日光泵浦,采用注入电流方式泵浦。,固体激光器,半导体激光器,主要采用光泵浦： 激光泵浦 闪光灯泵浦,化学能激励。 为促成工作物质的化学反应,一般需采用一些引发措施,如光引发、电引发、化学引发等。,主要采用磁场泵浦方式,液体激光器,化学激光器,自由电子激光器,X射线激光器: 光泵浦,有2种X射线泵浦源; 光参量振荡器: 激光泵浦; 光纤激光器: 半导体激光二极管泵浦。,其他激光器,3.1

5、.2 激光器的分类及其主要输出特性,一、 按工作物质划分,典型器件 原子激光器：He-Ne激光器； 分子激光器：CO2激光器,N2激光器； 离子激光器：Ar+激光器,Cd+激光器 准分子：XeF*激光器,KrF*激光器。 工作物质 气体或金属蒸气。又可分为四类：,七类,气体激光器,典型器件 红宝石激光器 Nd3+:YAG激光器 钕玻璃激光器 鈦宝石激光器 工作物质 固体基质材料中+少量 金属离子（Cr3+,Nd3+等）,固体激光器,工作物质 半导体材料，主要有以下三类: A-A族 化合物半导体(GaAs,InP等) B-A族 化合物半导体(CdS) A-A族 化合物半导体(PbSnTe) 典型

6、器件 GaAs激光器, InP激光器； CdS激光器； PbSnTe激光器,半导体激光器,光纤激光器,工作物质,在光纤中掺入某些激活离子，如：稀土离子或过渡元素离子，或者利用光纤自身的非线性效应制成。,工作物质 液体材料 主要有两类：有机化合物（染料）液体激光器：将有 机染料溶解在一定的溶剂之中。 常用染料： 若丹明6G 隐花菁 香豆素等 无机化合物液体激光器,液体激光器,典型器件若丹明6G染料激光器、BDN染料激光器等,工作物质 气体或液体（目前大多是气体）。 是利用化学反应来实现粒子数反转 从而产生受激辐射的。 典型器件 HF激光器， DF激光器， 碘原子激光器等,化学激光器,工作物质 自

7、由电子束 自由电子激光器是将高能电子束 电子运动的动能转变为激光辐射,自由电子激光器,二、按工作方式划分,两类: 脉冲激光器-脉冲输出 连续激光器-连续波输出,三、各类激光器的主要输出特性,1)波长覆盖范围宽: 从紫外远红外整个光谱区, 谱线上万条;,气体激光器,输出光束质量最高: 其单色性及发散度均优于固 体和半导体激光器,是很好的相干光源; 激光输出功率较大,即能连续又能脉冲工作; 结构简单,造价低。,波长主要分布在可见光近红外区域,谱线数千条,鈦宝石激光器可实现波长调谐; 2) 工作物质储能较大,较易获得大能量的激光输出;,固体激光器,运行方式多样: 脉冲,连续,调Q,锁模; 结构紧凑,

8、牢固耐用,价格适中。,超小型化: 体积小重量轻,一般激活面积0.5*0.5mm2; 高转换效率: 能量转换效率30% ; 波长覆盖范围较宽:可见光(绿光)远红外(0.5-30m) 使用寿命长,结构简单: 一般可达数十万乃至百万小时以上。,半导体激光器,突出特点: (1) 激光波长可调谐,且调谐范围比 较宽(0.3-1.3 m), 通过混频 等技术还可将调谐范围向紫外与 中红外范围扩展; (2) 可产生超短脉冲。,液体激光器,无需外界提供泵浦能量,适于野外及无电源处 工作; 可获得高能量,高功率激光输出; 波长覆盖范围宽: 紫外红外。,化学激光器,激光波长范围连续可调谐,且调谐范围相当宽 (原则

9、上可以从真空紫外厘米波); 器件内不会出现自聚焦等非线性光学损伤现象, 故能获得很高的激光输出功率; 能量转换效率高: 理论上可达到50%,目前 实验室可做到10%,自由电子激光器,光纤激光器特点： 能量转换效率高,阈值低; 工作物质可以很长,故总增益很高; 有很宽的调谐范围。 陶瓷激光器特点： 激光陶瓷易实现大尺寸和高掺杂浓度； 高效率、大功率陶瓷激光器是未来发展方向。,其它激光器,激光器的分类 按工作物质划分:七类(气体,固体,半导体,液体, 化学,电子,其它) 按工作方式划分:两种(脉冲,连续) 激光器的特点 输出特性 波长覆盖范围; 输出能量与功率,能量转换效率; 输出光束质量:束散角

10、,单色性等; 运行方式:连续,脉冲. 结构,价格,使用寿命 激光器最基本的三个组成部分 工作物质 泵浦源 谐振腔,本节小结,激光器主要的泵浦方式 气体放电激励 光泵浦(闪光灯,激光,日光) 注入电流 化学能激励 磁场泵浦 热激励 重点：两类 光泵浦适用于固体、染料激光器 电激励之一：气体放电适用于气体激光器； 之二：注入电荷适用于半导体激光器。,本章小结,请回答,1.在日常生活中,你接触到和使用了哪些与激光器件有关的产品?,2.简述你所了解的激光在各领域应用的情况。,思考题,补充：关于激光技术,调Q技术 调制技术（请同学们自学）,问题：为什么要调Q？,谐振腔的品质因数Q：,Q值与腔损耗及阈值反

11、转粒子数密度的关系,Q值与腔损耗成反比； 由阈值条件得：,调Q技术的实质：,通过某种方法 控制谐振腔的Q值， 使其随时间 按照一定程序变化的技术。,谐振腔的损耗分类,谐振腔的主要损耗： 反射损耗，记为 ；吸收损耗，记为 ； 衍射损耗，记为 ；散射损耗，记为 ； 输出损耗，记为 。,通过控制腔内的不同损耗，可获得多种调Q的方法：,控制吸收损耗可饱和吸收染料调Q； 控制反射损耗电光调Q、机械转镜调Q 控制衍射损耗声光调Q； 控制输出损耗透射式调Q。,调Q激光器的特点,1、工作物质：有高抗损伤阈值，激光上能级寿命比较长； 2、光泵浦速率：光泵浦速率应大于激光上能级的自发辐射速率； 3、Q值变化迅速突变。,激光巨脉冲建立过程,图 激光巨脉冲产生的时间过程,8.1,带偏振器的Pockels电光调Q激光器,带偏振器的Pockels电光调Q激光器示意图,工作原理,利用KD*P晶体 纵向电光效应。 KD*P晶体的通光面与Z轴重合 （Z0切割）。 晶体上施加电压：,晶体