激光原理第九章

1、有数百种激光工作物质，包括晶体、玻璃、气体、半导体、液体和自由电子。激发方法包括光激发、放电激发、电激发、热激发、化学激发和核激发。第9章典型激光器，9，1固态激光器，固态激光器通常指以绝缘晶体或玻璃作为工作材料的激光器。少量的过渡金属离子或稀土离子被掺杂到晶体或玻璃中，并被光泵激发产生受激辐射。参与受激辐射的离子密度一般为10，251，026 m-3，比气体工质高三个数量级以上，激光上能级寿命为(10-410-3s)，因此容易获得高能量输出，通过调q可以获得高功率脉冲输出。1.光泵激发，可分为气体放电灯激发和半导体激光激发。1.气体放电灯激发，它被广泛用作激发光源。脉冲激光器采用脉冲霓虹灯，

2、连续激光器采用霓虹灯或碘钨灯。气体放电灯激发有许多能量转换环节，其辐射光谱非常宽，只有一部分能量分布在激光工作物质的有效吸收带。一般来说，L约为15，激光的效率较低。常用的钕钇铝石榴石激光器的效率约为13.2。使用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作为激发光源，可以大大提高激光效率。宽度约为30纳米的钕钇铝石榴石的810纳米泵浦吸收带包含多条吸收线，809纳米半导体激光二极管的输出光泵可以精确对准该吸收带中带宽约为2纳米的809纳米吸收线。半导体激光二极管激发的固态激光器的总效率为720。它具有小型化、全固态、寿命长、热效应小的优点。单个半导体激光器的功率已经超过1w，半导体激光器阵列的功

3、率已经达到数百瓦。将工作物质的泵浦吸收光谱与现有高功率半导体激光器的发射波长相匹配是形成半导体激光器泵浦的固态激光器的必要条件。适用于这种激光器的固体工作材料有钕钇铝石榴石、钕钇铝石榴石、钕YLF、铥、钬钇铝石榴石。为了精确匹配波长，控制半导体激光器的温度。红宝石激光器，红宝石是掺杂有少量Cr2O3的A1203晶体(质量比为0.05左右)。红宝石激光器是一个高泵浦能量阈值的三能级系统，因此只能工作在脉冲模式。调制红宝石激光输出巨脉冲的峰值功率可达1050毫瓦，脉宽为1020毫微秒；锁模红宝石激光器输出的超短光脉冲峰值功率为109瓦，脉冲宽度为10ps。红宝石激光器是第一个被成功研究的激光器，但

4、是由于它的三能级工作，它的阈值泵浦能量很高，它的应用远远小于钕激光器。由于可见光激光的输出，它在动态全息术和医学等方面仍有应用价值。以三价钕离子为活性粒子的钕激光器是应用最广泛的激光器。在Y3Al5O12晶体中，Nd3离子部分取代Y3离子，称为钕钇铝石榴石。它属于四能级系统，具有高量子效率和大受激辐射截面的优点。阈值比红宝石和钕玻璃激光器小得多。它具有高导热性，易于散热，可用于高重复率或连续操作的单脉冲操作。钕钇铝石榴石连续激光器的最大输出功率超过1000瓦，每秒5000次激光的输出峰值功率为几千瓦，每秒重复数十次的调Q激光的峰值功率达到几百兆瓦。钕玻璃是在硅酸盐或磷酸盐玻璃中加入适量的Nd2

5、O3制成的。钕离子的能级结构与钕钇铝石榴石基本相同，但能级宽度和能量有所不同。泵浦吸收带稍宽，荧光寿命较长(0.60.9毫秒)，荧光线宽为250厘米-1，量子效率较低(0.30.7)，受激辐射截面约为钕钇铝石榴石的130倍。激光波长为1060纳米，模式选择可产生1370纳米激光。钕玻璃荧光寿命长，容易积聚高能粒子。它可以很容易地制成大尺寸的材料，具有良好的光学性能钕玻璃热导率低，振荡阈值高，不适合连续高重复率操作。目前已有140多种掺Nd3晶体实现了激光操作。4.由蓝宝石和钕激光器产生的激光器具有固定的波长，而蓝宝石激光器是可调谐的固态激光器，其特征在于在宽波长范围(6601180纳米)内连续

6、调谐。钛宝石激光器跃迁的上能级寿命只有3.8秒。为了获得足够高的泵浦速率，钛宝石激光器大多采用激光泵浦。气体激光器气体激光器是使用气体或蒸汽作为工作物质的激光器。气态物质的光学均匀性远远优于固态物质，因此气体激光器容易获得具有衍射极限和良好方向性的高斯光束。气体工质的谱线宽度远小于固体，激光的单色性好。然而，由于气体的活化粒子密度小于固体，需要大量的工作物质才能获得足够的功率输出，所以气体激光器的体积相对较大。气体工质吸收谱线宽度小，通常用气体放电泵浦代替光源泵浦；在放电过程中，当电子被电场加速并获得足够的动能与粒子碰撞时，粒子被激发到高能态，从而在一对能级之间形成粒子数反转分布。除了气体放电

7、泵浦，气体激光器还可以采用化学泵浦、热泵浦和核泵浦。氦-氖激光器是第一台研制成功的气体激光器。最强激光线分别为632.8纳米、1.15米和3.39米。放电管长度为几十厘米的氦氖激光器输出功率为几十毫瓦，长度为12米的激光器输出功率可达几十毫瓦。它结构简单、体积小、价格低廉，已广泛应用于准直、定位、全息摄影、测量、精密测量、光学引线记录和回放等领域。1激发机制充满氦-氖混合物的毛细管放电导致氖原子的一对或几对能级之间的布居反转。混合气体中氦的含量是氖的几倍，但激光跃迁只发生在氖原子的能级之间。辅助气体贺的作用是提高泵送效率。哪一条竞争激光线(632.8纳米、1.15米和3.39米)开始振动完全取

8、决于谐振器介质膜反射镜的波长选择。增益系数与波长的二次幂成正比。显然，3.39米谱线的增益系数远大于632.8纳米谱线的增益系数。在6328 nm的长氦氖激光器中，会有强自发辐射或3.39m的激光放大，导致632.8nm的激光功率下降。抑制3.39m辐射的方法有以下几种：(1)3.39m激光不会因腔内棱镜的色散而发生振动；将吸收波长为3.39米的光的元件插入空腔中；在轴向非均匀磁场的作用下，3.39米谱线的线宽增加，增益降低。3.放电参数对输出功率的影响工作物质的大小、腔损耗和输出耦合将影响输出功率。放电参数，如放电电流和气体压力，也会影响增益系数，从而影响输出功率。HeN e激光器的输出功率

9、不会随着气体放电电流的增加而单调增加，并且存在一个最佳放电电流以使输出功率最大化，因为在放电管中不仅有一个激励过程，而且有一个不可避免的去激励过程，并且输出功率与充气压力p有关。如果放电毛细管的直径为d，则存在一个使输出功率最大化的Pd值，其约为(4 . 85 . 3)102安培。原因是压力的降低减少了电子与原子之间的碰撞，从而导致电子温度(平均动能)和激发速率的增加；随着毛细管直径的减小，电子和离子的复合增强。为了保持放电电流恒定，有必要增加电场，由此产生的电子温度的增加有利于激发。如果钯值太低，输出功率将会降低，因为氦-氖原子的数量太少。氦-氖气体的比例也影响输出功率。2.氩离子激光器中中

10、性氩原子的电子构型为3P6。在放电过程中，氩原子与快中子碰撞它们都对应于几个亚能级，因此连续工作的氩离子激光器可以产生九条蓝绿色激光线，其中488纳米和514.5纳米最强。单谱线激光可以通过在谐振腔中插入棱镜等色散元件来获得。CO2激光器具有高输出功率和高能量转换效率，其输出波长(10.6米)正好在大气窗口内。广泛应用于激光加工、医疗、大气通信等军事应用。CO2、N2和他的混合气体被用作工作物质。跃迁发生在CO2分子电子基态的两个振动旋转能级之间。提高了上层的激发效率，贺帮助疏散下层人员。分子的总能量包括：围绕原子核运动的电子的能量，分子中原子的振动能量，分子的旋转能量和平移能量。前三种能量都

11、是量子化的。相邻电子、振动和旋转能级之间的能量差比为104: 102: 1。饱和光强与上下激光能级的寿命有关，而CO2能级的寿命与放电电流密度、气体温度、总气压和激光成分有关。因此，CO2激光器的饱和强度与激光器的工作条件有关。例如，密封CO2激光器的饱和强度一般在22100Wcm2之间，而横流激光器的饱和强度可高达250Wcm2。CO2激光器的谐振腔大部分是平凹的，但是不稳定腔由于其高增益可以用来增加模式体积。高反射镜可以由金属制成，也可以在玻璃表面镀上金膜，输出端可以由孔径耦合或红外透光锗、等材料制成。1.纵向慢流CO2激光气体从放电管的一端流入，从另一端泵出。气流、电流和光轴方向相同。气

12、流的目的是消除CO2与电子碰撞时分解的CO2气体，并补充新鲜气体。放电电流密度和气体压力具有最佳值。随着电流密度的增加，激光上能级的激发速率增加，但由此产生的气体温度的增加会增加下能级的数目，因此存在一个最佳电流值。当气体压力增加时，一方面，粒子数增加，另一方面，气体分子之间更频繁的碰撞阻碍了热量向管壁的扩散，从而导致气体温度升高。实验表明，电流密度和压力的最佳值与排放管径成反比。在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为5060Wm。在密封CO2激光器的放电过程中，一些CO2分子分解为一氧化碳和氧气，如果不抽出旧气体，加入新气体，CO2含量会降低，一氧化碳含量会增加，导致输出功率下降。因此，在密

13、封的CO2激光器中，添加催化剂以促进氧和一氧化碳更新和结合成CO2，并且选择不与O2气体相互作用的阴极材料以确保足够的氧和一氧化碳在激光器中重新结合。通常，加入少量的H2O或H2作为催化剂。密封激光器的结构和输出功率水平与纵向溢流激光器相似，使用寿命已超过几千小时至一万小时。纵向快流CO2激光器在纵向慢流激光器中，热量主要通过气体的扩散运动传递到管壁，然后被沿管壁外表面流动的冷却液带走。散热效率低，电流密度和压力不能太高，限制了输出功率。如果气体流速增加(约50毫秒)，使热气体流出放电管，然后在管外冷却后返回放电管，放电电流密度的最佳值将不再存在，输出功率将随放电电流密度线性增加。单位长度输出

14、功率可达1kW以上。13kw纵向快流CO2激光器已广泛应用于激光加工。与大功率横流激光器相比，纵向快流CO2激光器放电电流密度分布的圆对称性更好，光束质量更好。4横向流动CO2激光器纵向快速流动CO2激光器需要非常高的气体流速。i在横流CO2激光器中，纵向放电是不切实际的，通常采用电场垂直于光轴的横向放电。横向放电模式的激光器称为热电激光器。这种激光器的单位长度输出功率可达每米几千瓦，总输出功率达120千瓦。在高压横向激励CO2激光器中，高压将导致不稳定的放电。经常使用脉冲放电激励。在快速脉冲放电过程中，放电的不稳定过程不能充分发展，所以气压可以提高到大气压或更高。由于压力高，横向激励大气压激

15、光器(简称TEA激光器)的单位体积输出能量可高达2050JL，总能量和峰值功率可分别高达10kJ和20Tw。6.气动CO2激光器气动CO2激光器采用热泵模式。含有CO2的混合气体在容器中燃烧，形成高温高压状态。由于温度较高，CO2激光器的上能级和下能级具有较高的布居密度。当混合气体通过喷嘴绝热膨胀时，气体温度急剧下降，高能级的寿命比低能级的长，而粒子数密度下降的速度比低能级慢，因此在膨胀区的相当大的范围内可以形成粒子数反转态。气动CO2激光器的输出功率可达80kw。波导CO2激光器波导CO2激光器是一种小型激光器，由BeO或玻璃制成的放电管直径仅为14毫米。由于放电管壁对小角度掠射光的高菲涅耳

16、反射率，波导模式可以在横向尺寸远大于光波长的中空介质波导中以低损耗传输。波导CO2激光器可采用纵向放电模式或横向射频激励。放电孔径小，气压可达(1 . 52 . 5)104帕，调谐范围宽。其单位长度输出功率为50Wm，适用于输出功率小于30w的小型密封激光器。N2分子激光器脉冲放电激发的N2分子激光器输出峰值功率为几十兆瓦、脉冲宽度小于10ns、重复频率为几十到几千赫兹的紫外光。它可用作可调谐染料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、污染检测、医药和光化学等。它具有高增益、短的粒子数反转持续时间、不需要谐振腔反馈、输出放大的自发辐射。可以通过增加放大光路长度和将双向辐射光集中在同一方向来增加输出功

17、率。在放电管的一端放置全反射镜，在另一端安装透明应时。在N2能级图中，激光跃迁发生在不同电子态的振动能级之间，通过不同振动能级之间的跃迁可以得到多条谱线，其中337.7nm激光谱线最强，357.7nm次之，315.9nm最弱。放电过程中基态分子与电子碰撞跃迁的激发态。较高能级的激发速率远大于较低能级的激发速率，但较高能级(40ns)的寿命远短于较低能级(10s)的寿命。粒子数反转状态只能在激发开始的短时间内形成，并且只能在脉冲模式下工作，并且泵放电脉冲宽度必须远小于40ns。受激准分子激光受激准分子是一种不稳定的缔合化合物，它在激发态结合成分子，在基态离解成原子。准分子激光器通常由电子束或快速放电来泵浦。缓冲气体，如氦、氖或氩，经常被加入到激光中以降低电子温度，这样碰撞时可以产生