激光原理、技术与应用课件：第5章典型激光器

1、梅曼和第一只激光器,第5章 典型激光器,固体激光的发展史，就是固体激光材料的发展历史。,一代材料，一代器件,激光的来历,1964年12月，在上海召开的全国第三届受激光发射学术报告会上，根据钱学森教授的提议，决定把这种光辐射称为“激光”。,第5章 典型激光器,激光器的工作原理,自由辐射、受激吸收和受激辐射,工作物质,激励能源,光学谐振腔,产生激光必要条件,1. 实现粒子数反转,.使原子被激发,.要实现光放大,激光的形成过程 工作物质 激励、受激辐射 自激振荡增益 外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔,5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质,一、固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷

2、却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。,图5-1 固体激光器的基本结构示意图,工作物质是激光器的核心，不同的工作物质制作了各种各样的激光器，最常用的是红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器和钕玻璃激光器。分属于三能级或四能级系统。 问题：哪个能级系统更容易出光？,二、红宝石激光器,（1）红宝石晶体 红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体(化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶体。 红宝石是在Al2O3中掺入少量，适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺

3、入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr3+密度为ntot=1.58x1019cm-3。,红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。 红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。如图5-3所示。4A2是基态又是激光下能级,2E是亚稳态,它是由能量差为29cm(-1)的2A和E二能级组成。4F1和4F2是两个吸收能带。,图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构,红宝石的吸收光谱如图5-2所示。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近,称为紫带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55m附近,称为绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约0.1

4、um左右。由于红宝石晶体的各向异性,它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下,其吸收曲线略有差别,见图5-2。,图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱,图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构,红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。,问题：荧光和激光的区别？,红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占47%,E能级上约占53%。这就

5、是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去,这就加强了R1线,而抑制了R2线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的位子均将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度。,缺点: 阈值高(因是三能级)、温度效应严重。 优点: 机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出; 容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连

6、续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。 用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。,图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构,1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为694.3纳米。,红宝

7、石激光器,Nd3+:YAG是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG是各向同性晶体。,三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG),掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图(5-4)所示,图(5-4) Nd3:YAG 晶体的吸收光谱,图(5-5) Nd3:YAG 的能级结构,YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示。它属于四能级系统。,1.06um比1.3

8、5um的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振,进而抑制1.35um谱线起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um激光。只有采取选频措施，才能实现1.35um波长的激光振荡。 阈值低、导热性好，适宜于连续和高重复率工作。,1kW的脉冲Nd:YAG激光器,灯泵浦Nd:YAG激光器,大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50-800W。,四、钕玻璃激光器 继1960年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的N

9、d2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量为1%5%重量比。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径30100mm,可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维, 用于集成光路中的光放大或振荡。同时，价格便宜。,钕玻璃最大的缺点是导热率太低, 热胀系数太大, 因此不适于作连续器件和高频运转的器件, 且在应用时要特别注意防止自身破坏。同时，受热效应影响，激光的输出质量变差。,跃迁谱线: 1.06m:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; 1.4m: 四能级

10、系统, 跃迁几率较小, 不一定可观 察到; 0.9m:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不 出现.,5.1.2 固体激光器的泵浦系统,一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯(灯内充入氙山、氪等惰性气体)、金属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器、日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝石钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与Nd:YAG泵浦吸收带相匹配,故在连续和小能量脉冲Nd:YAG器件中得到

11、比较多的采用。碘钨灯用220V电压即可,使用简单、方便,在功率小于1OW的连续Nd:YAG器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压汞蒸气灯,它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配,可用于小型掺钕激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。,在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。,二、泵浦光源应当满足两个基本条件。有很高的发光效率 辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.,1、惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。见图 (a)。 电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅射的金

12、属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电极要设计成水冷结构,见图(b),灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙(Xe)、氪(kr)气体。,2、氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时,辐射的特征谱线的峰值波伏在0.84、0.9和1um附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的特征谱线的峰值波长在0.76、0.82和0.9um附近。可见,氪灯的特征谱线与Nd:YAG的主要泵浦吸收带相匹配,因此连续和小能量(10J)脉冲Nd:YAG激光器用氪灯泵浦效率较高。实验发现、充气压增高,特征谱线的线宽也增加。随着放电流密度的增大,连续谱增加的份量比

13、线谱多,当电流密度增加到一定值后,连续谱逐渐掩盖了线光谱,与黑体辐射相接近,且短波部分的增长比长波快,光谱重心移向短波。因此,在高电流密度放电情况下,有利于红宝石的吸收。大中型钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器,由于泵灯的放电电流密度高,灯辐射的特征谱线相对减弱,此时应采用辐射能量大、效率较高的脉冲氙灯。,图a椭圆柱聚光腔,3 聚光器(或称泵浦腔)的作用是将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去，聚光器设计得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。,（1）.聚光器的类型 椭圆柱聚光器。这种聚光器的内反射表面的横截面是一椭圆。因为从椭圆一个焦点发出的所有光线,经椭圆面反射后将会聚到另一焦点上

14、。因此,如果把直管灯和棒分别置于椭圆柱聚光器的两条焦线上(如图a所示),则可以得到比较好的聚光效果，这种放置方法称为“焦上放置”。,三、固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。,四、泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱（它在工作物质中形成色心，使激光性能劣化）。,（2） 聚光器的材料选择 制做聚光器时，常用的金属材料有铝、铜和不锈钢，常用的非金属材料有玻璃、陶瓷等。 铝通常用在轻型系统中；如果重量要求不严时，最好选用铜，这是因为铜的热胀。热导率高；不锈钢具有不易生锈和抛光精度高等优点，但热导率很低，仅为铜的 11

15、0。玻璃和陶瓷虽然易碎，导热性差，但它们具有金属所没有的优点，如不生锈，不易被腐蚀。陶瓷的漫反射性能也好，可制成反射率很高的漫反射激光器。,5.1.3 固体激光器的输出特性,1. 固体激光器的激光脉冲特性,2. 转换效率,总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：,一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)m，各短脉冲之间的间隔约为(510) s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。,固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为0.5%1%左右,YAG激光的总体效率为1%2%左右.这是因为放电灯的发射光谱由连续谱和线状谱组成,覆盖很宽的波长范围,其中只有与