各种典型激光器原理(全)

1、激光器的原理和应用，第3章典型激光器，第1节概述，主要内容：第1节概述，第1节激光器的基本结构激光器的基本结构由三部分组成：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光器的基本结构工作物质是激光器的核心，是激光受激辐射放大的来源。泵浦源为实现工作物质中粒子数的反向分布提供了必要的能量。不同类型的工作物质采用不同的泵送方法。光学谐振腔为激光振荡的建立提供正反馈，谐振腔的参数影响输出激光束的质量。分类和输出特性激光器有很多种。传统上，主要分为以下两种方式：一种是工作物质，另一种是激光工作方式。1根据激光器的工作物质1)气体激光气体和金属蒸汽作为工作物质。根据气体工作物质是气体原子、气体分子还是气体离子，气体

2、激光器可分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。非电离气体原子用于在原子激光器中产生激光作用，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是惰性气体，如氦、氖、氩、氪和氙，以及金属原子蒸汽，如镉、铜、锰、锌和铅。原子激光器的典型代表是氦-氖激光器。第一节总结了分子激光器中的激光作用是非电离气体分子，激光跃迁发生在气体分子不同的振动能级之间。采用的气体主要包括CO2、一氧化碳、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2激光器。准分子激光。准分子是一种不稳定的缔合，在基态时离解成原子，在激发态时暂时结合成分子(寿命很短)。激光跃迁发生在其束缚态和自由态之间。

3、使用的受激准分子气体主要包括氙、氪、氩、氙、氙、溴等。典型代表是XeF*准分子激光器。电离气体离子在离子激光器中产生，激光跃迁发生在气体离子的不同激发态之间。使用的离子气体主要包括惰性气体离子、分子气体离子和金属蒸汽离子。典型代表是氩激光器。第一节总结了气体激光器一般由气体放电激发，也可以由电子束、热和化学反应激发。波长范围：气体激光器的波长范围主要位于真空紫外和远红外波段。它有数万条激光线，具有输出光束质量高(方向性和单色性好)和连续输出功率高(如CO2激光器)的输出特性。其器件结构简单，成本低。第一节概述了气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领域，如计量、材料加工、激光医疗、

4、激光通信、能源等。1961年，第一台气体激光器氦氖激光器问世。2)固体激光器固体激光器使用固体激光介质作为工作物质。固体工作物质通常在基质材料(如晶体或玻璃)中掺杂少量金属离子(称为活化离子)，并且在活化离子的不同工作能级之间发生激光跃迁。用作活化离子的元素可分为四类：三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过渡金属离子和锕系金属离子。固态激光器的典型代表是红宝石(Cr3 :Al2O3)激光器、Nd3 :YAG激光器、钕玻璃激光器和Ti : Al2O3激光器。在第一部分中，固态激光器主要由光泵浦，泵浦光源主要包括闪光灯和半导体激光二极管。固态激光器的波长覆盖主要位于可见光的近红外波段，有数千条激光

5、线。它具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲激光器，单脉冲输出能量可达数万焦耳)和多种工作模式的特点。该装置结构紧凑，坚固耐用，易于与光纤耦合进行光纤传输。固态激光器主要用于工业、国防、科学研究、医学等领域，如激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等。第一节总结，3)液体激光器的工作物质分为两类：一种是有机化合物液体(染料)，另一种是无机化合物液体。其中，染料激光器是液体激光器的典型代表。常用的有机染料包括四种：呫吨染料、香豆素激光染料、恶嗪激光染料和菁染料。染料激光器主要是光泵浦的，主要包括激光泵浦和闪光灯泵浦。染料激光器的波长范围为紫外到近红外波段(300nm1.3m)，通过混合技术

6、可以将波长范围扩展到真空紫外到中红外波段。连续可调激光波长是染料激光器最重要的输出特性。该装置具有结构简单、价格低廉的特点。染料溶液稳定性差是这种装置的不足。染料激光器主要用于科学研究、医学等领域，如激光光谱学、光化学、同位素分离、光生物学等。1966年，世界上第一台染料激光器被研制出来，它是由红宝石激光器泵浦的。第一节概述，4)半导体激光半导体激光器也称为半导体激光二极管，或激光二极管(简称LD)。由于半导体材料材料结构的特殊性和半导体材料中电子运动规律的特殊性，半导体激光器的工作特性有其特殊性。半导体激光器使用半导体材料作为工作物质。常用的半导体材料主要包括三种类型的：(1)A化合物半导体

7、，如砷化镓(GaAs)和磷化铟(磷化铟)。(2)硼化合物半导体，如硫化镉。(3)AA族化合物半导体，例如PbSnTe。根据产生pn结的材料和结构不同，半导体激光器有多种类型，如同结、异质结(单结或双结)、量子阱等。半导体激光器通过注入电流来泵浦。在第一部分中，半导体激光器的波长覆盖范围通常在近红外波段(920nm1.65m)，其中1.3m和1.55m是光纤传输的两个窗口。半导体激光器具有能量转换效率高、易于高速电流调制、超小型化、结构简单和使用寿命长(一般可达几十万甚至几百万小时)的突出特点。半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处理、科学研究、医疗等领域，如激光光盘、激光高速打印、全

8、息照相、办公自动化、激光准直和激光医疗。1962年，世界上第一台半导体激光器GaAs激光器问世。第一节概述，5)化学激光器化学激光器受到激光的照射是因为粒子数通过化学反应发生了反转。工作物质可以是气体或液体，但目前主要是气体，如氟化氢、氟化氚、氧碘等。化学激光器是由化学能激发的。为了促进工作物质的化学反应，通常需要一些引发措施，例如光引发、电引发和化学引发。化学激光器的波长覆盖范围从紫外到红外到微米，具有高功率和高能量输出。它的突出特点是能直接将化学能转化为激光能，特别适合在野外和其他没有电源的地方工作。化学激光器主要用于国防和科学研究领域，如激光武器和同位素分离。1964年，第一台用于碘光解

9、离的原子化学激光器问世。6)自由电子激光器自由电子激光器是一种新型激光器。自由电子激光器的工作物质是相对论电子束。相对论电子束是指被电子加速器加速的高能电子。自由电子激光将相对论电子束的动能转化为激光辐射能量。自由电子激光的泵浦源是空间周期磁场或电磁场。高能量转换效率和连续可调的输出激光波长是自由电子激光器的两个最突出的特征。自由电子激光器在未来的生物、医疗和核能领域有着重要的应用前景。第一节总结：7)X射线激光器X射线激光器的输出激光波长位于X射线波段(110纳米)。X射线激光的工作物质是高度电离的等离子体，它由光泵浦，但需要一个特殊的X射线泵浦源。8)光纤激光器工作物质：是掺有一些活性离子

10、的光纤，或者是利用光纤本身的非线性光学效应制成的激光器。分类：晶体光纤激光器、稀土掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非线性光学效应光纤激光器。泵浦方式主要是半导体激光二极管泵浦。特点：光纤激光器是一种新型的激光器件，具有总增益高、阈值低、能量转换效率高、波长调谐范围宽、器件结构紧凑等突出特点。在长距离光纤通信等领域显示了广阔的应用前景。1963年，第一个光纤激光器Nd2 O3光纤激光器问世，这在第一节中有所概述。其次，根据激光器的工作模式，激光器可以分为两种模式：连续输出和脉冲输出。根据激光技术的应用，可分为调Q激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器等。以及不稳定腔激光器、平面腔激光器、球

11、形腔激光器等。1.气体放电激发基础所谓的气体放电是指气体分子(或原子)在高压作用下电离并导电。常用气体激光器的气体放电属于弱电离气体放电，其气体电离度一般不超过0.1%。1.分类1)。DC连续放电DC连续放电是指在气体激光放电管的两个电极之间施加可调的DC电压。调节放电管两端的电压或电阻，测量相应的放电电流，可以得到放电管DC连续放电的伏安特性曲线。对应于第二气体激光点的管电压降称为点火电压，也称为点火电压或击穿电压。AD段是一个非自持放电阶段。虽然放电电流随着端电压的增加而增加，但其值很小。此时，如果移除外部电离源，放电电流将迅速减小，直到放电终止。这一阶段的放电电流一般在10-20-10-

12、11 a之间，在点D之后的第二个气体激光器是自持放电阶段，因为阴极产生二次电子发射的de段称为自持暗放电，而这种放电是不稳定和平坦的EF段。该区域的特点是电流增加，但管电压降几乎保持不变，放电管中出现明亮和黑暗的辉光，这称为正常辉光放电。在辉光放电阶段，二次发射电子随着电场的增加而迅速增加，所以当放电管端电压稍有增加时，放电电流就会大大增加。辉光放电的电流范围一般在10-410-1 A之间，而FG是异常辉光放电阶段。在这个阶段，管电压降随着电流的增加而增加。在异常辉光放电阶段，阴极溅射非常强烈，放电管一般应避免在这种状态下工作。第二节，气体激光器中，对应于G点的电压称为电弧点火电压。经过G点后

13、，放电管的电压降又迅速下降，放电电流迅速增加，放电管内发出刺眼的弧光，这就是所谓的电弧放电。电弧放电的GH段表现为负电阻，放电不稳定。HK段是一个稳定的电弧放电阶段，放电电流一般大于10-1 a。高电压小电流辉光放电(从几毫安到几十毫安)是一个稳定的自持放电。氦氖激光器和二氧化碳激光器都工作在辉光放电区。气体激光、电弧放电、低压大电流自持放电(几十安培到几千安培)。通常，电弧放电的点火电压高于辉光放电，但对于阴极表面积小、电子功函数小的放电管，电弧点火电压也可以低于辉光放电。电弧放电的分类：热阴极电弧放电和冷阴极电弧放电人工阴极电弧放电当在两个电极之间施加高频交变电场时，由于带电粒子在两个电极

14、之间的渡越时间比电场的变化周期长得多，电子不能再长距离移动，而只能在某一固定位置附近振荡，并在振荡过程中与气体粒子碰撞，产生电离和激发以维持放电。在射频放电过程中，由于电子的连续往复运动，电子的飞行距离增加，这增加了电子和气体粒子之间的碰撞次数，大大提高了电离能力，并大大削弱了阴极作为电子源的重要性。因此，射频放电可以使用内部电极、外部电极，或者甚至不使用电极。20世纪70年代，射频气体放电技术成功应用于高功率输出的CO2激光器，显示出广阔的应用前景。第2节气体激光器，3)脉冲放电发生在脉冲放电管的两个电极之间施加脉冲电压时。根据放电电流密度，可以在放电管中产生脉冲辉光放电和脉冲电弧放电。根据

15、外加电压的交变状态，可分为DC脉冲放电和交流脉冲放电。根据脉冲持续时间，可分为短脉冲放电和长脉冲放电。准分子激光器采用脉冲放电模式。高功率高压气体激光器通常采用短脉冲放电模式。除上述三种放电模式外，气体放电还包括火花放电和电晕放电。第2节气体激光，2气体放电中的粒子碰撞、激发和电离在气体放电中，带电粒子(电子和离子)与中性气体粒子(原子或分子)之间的碰撞决定放电过程。其中，有两个基本的碰撞过程影响着器件布居数反转分布的建立和维持。第一个过程是电离，这是维持放电不可或缺的。第二个过程是激光的上、下能级粒子的激发和去激发。一般来说，粒子碰撞可分为两种类型：弹性碰撞和非弹性碰撞。在气体激光器工作物质

16、的激发和电离过程中，粒子的碰撞属于非弹性碰撞。非弹性碰撞可以分为第一种非弹性碰撞和第二种非弹性碰撞。第一种非弹性碰撞是指一个粒子的动能转化为另一个粒子的内能的碰撞。最常见的形式之一是快速电子和气体粒子之间的碰撞激发和电离。在碰撞过程中，快速的电子失去能量而变得更慢，气体粒子得到能量并被激发到高能态或电离。当电子的能量大于或等于气体粒子的激发态能量时，当电子的能量等于或大于气体粒子的电离能时，就会发生碰撞电离过程。电离过程可以表述为第二节：气体激光，电子与气体粒子的碰撞，这也可以使粒子从一个激发态跃迁到另一个更高的激发态，或者使激发态粒子电离，分别称为分步激发和分步电离。2)第二类非弹性碰撞是指一个粒子的内能转化为另一个粒子的内能或动能的碰撞。其形式主要包括共振转移、电荷转移和潘宁效应。共振转移指的是激发态粒子A*(通常称为亚稳态)和基态粒子B之间的碰撞，这将B激发到高能态B*，而A *返回到基态。该过程可以表示为A* BA B* E，其中E是A*和B*的激发态之间的差。E越小，共振转移截面越大。当E趋于零时，共振转移截面大于10-14cm2，转移最有可能发生。共振转移是选择性激发过程中最重要的形式之一。在第二节，气体激光中，电荷转移指的是离子和中性气体粒子之间的碰撞所引起的激发和电离过程。它激发了一个BA B E，其中A是A，从中性粒子B得到一个电