c5.5其他激光器ppt课件.ppt

5.4 5.4 半导体激光器半导体激光器 5.35.3 染料激光器染料激光器5.55.5 其他激光器其他激光器5.25.2 气体激光器气体激光器5.1 5.1 固体激光器固体激光器15.5.1 准分子激光器准分子激光器1. 工作物质：准分子气体工作物质：准分子气体 准分子：是一种在激发态能够暂时结合为分子，在基态又迅速准分子：是一种在激发态能够暂时结合为分子，在基态又迅速离解成原子的不稳定缔合物，又称离解成原子的不稳定缔合物，又称“受激准分子受激准分子(Excimer)”。2. 特点：特点：v 高重复率高重复率v 可调谐可调谐v 量子效率高量子效率高v 波长短，紫外到可见区波长短，紫外到可见区主要的准分子激光器主要的准分子激光器5.5.1 准分子激光器准分子激光器3. 准分子激光器的工作原理准分子激光器的工作原理 图(5-33) 准分子的能级结构能级结构有明显的特点。如图所示，能级结构有明显的特点。如图所示，A表示较高激发态，表示较高激发态，B表示激光上能表示激光上能级，级，C表示基态，即激光下能级。表示基态，即激光下能级。 由于基态为排斥态或弱束缚态，很不由于基态为排斥态或弱束缚态，很不稳定，准分子跃迁到基态以后立即解离成原子，基态分子消失。激发态稳定，准分子跃迁到基态以后立即解离成原子，基态分子消失。激发态为束缚态，能级寿命相对基态较长，意味着只要激发态存在分子，就处为束缚态，能级寿命相对基态较长，意味着只要激发态存在分子，就处于粒子数反转状态，故容易获得较大的粒子反转数和较高的增益。于粒子数反转状态，故容易获得较大的粒子反转数和较高的增益。由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。有利。 由于激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。由于激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。率的主要原因。 由于激光下能级的离子迅速离解，因而高重复率工由于激光下能级的离子迅速离解，因而高重复率工作没有困难。作没有困难。 由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。可调谐器件。 4. 准分子激光器的泵浦方式准分子激光器的泵浦方式 电子束泵浦电子束泵浦: :用电子枪产生高能量、上升时间很短的电子束脉冲，将电用电子枪产生高能量、上升时间很短的电子束脉冲，将电子束射向准分子区，对激活介质进行激发。子束射向准分子区，对激活介质进行激发。横向泵浦，其电子束进行方向与激光光轴方向垂直。横向泵浦，其电子束进行方向与激光光轴方向垂直。纵向泵浦，其电子束方向与激光光轴平行。纵向泵浦，其电子束方向与激光光轴平行。 同轴电子束泵浦，激光光轴与电子枪的阳极筒、阴极筒同轴。同轴电子束泵浦，激光光轴与电子枪的阳极筒、阴极筒同轴。优点：产生的泵浦脉冲上升时间快，单脉冲能量大，可大面积泵浦。优点：产生的泵浦脉冲上升时间快，单脉冲能量大，可大面积泵浦。缺点：要求庞大的电子束源，结构复杂，造价高，制造难度大。缺点：要求庞大的电子束源，结构复杂，造价高，制造难度大。 快速放电泵浦快速放电泵浦: : 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱( (BlumleinBlumlein) )电路。电路。优点：体积小、结构简单、可高重复频率工作。优点：体积小、结构简单、可高重复频率工作。由于激光上能级寿命很短，为了实现粒子数反转，要求泵浦脉冲上升时间短。由于激光上能级寿命很短，为了实现粒子数反转，要求泵浦脉冲上升时间短。因此要实现有效泵浦，不仅要求有大的泵浦功率，而且要求有快的上升时间。因此要实现有效泵浦，不仅要求有大的泵浦功率，而且要求有快的上升时间。 准分子激光器的应用准分子激光器的应用v 准分子激光通过激光诱导的化学过程对每种材料进行光解切准分子激光通过激光诱导的化学过程对每种材料进行光解切除（除（photoablation)，避免了红外波段激光加工中的热效应，避免了红外波段激光加工中的热效应以及激光生物组织切除中对周围组织的破坏，具有以及激光生物组织切除中对周围组织的破坏，具有“冷冷”加加工的特点。在现有的中高功率激光器件中以准分子激光的波工的特点。在现有的中高功率激光器件中以准分子激光的波长为最短，在对材料的加工中具有较高的分辨率，可形成亚长为最短，在对材料的加工中具有较高的分辨率，可形成亚微米结构，及用于微米级的微孔加工，具有微细加工的特点微米结构，及用于微米级的微孔加工，具有微细加工的特点。v 准分子激光器用于大规模集成电路的激光光刻，已得到亚微准分子激光器用于大规模集成电路的激光光刻，已得到亚微米的分辨率。用于厚度为几十微米的有机薄膜及半导体材料米的分辨率。用于厚度为几十微米的有机薄膜及半导体材料的微细加工，以及对热敏材料打标记的结果表明，准分子激的微细加工，以及对热敏材料打标记的结果表明，准分子激光加工边缘整齐，精度较高，对周围材料及基底的热损伤非光加工边缘整齐，精度较高，对周围材料及基底的热损伤非常小。常小。6准分子激光矫正近视准分子激光屈光性原位角膜磨镶术准分子激光屈光性原位角膜磨镶术9090年代初年代初（laser in situ laser in situ keratomileusiskeratomileusis ， LASIKLASIK） l先利用角膜板层刀做一角膜板层先利用角膜板层刀做一角膜板层 切开形成一个完整角膜瓣切开形成一个完整角膜瓣( (约约 130m 130m左右左右) )l在角膜基质层进行激光消融，在角膜基质层进行激光消融，1 1只只 眼切削过程眼切削过程1-2min1-2minl将角膜板层原位复位将角膜板层原位复位 l所用激光：准分子激光所用激光：准分子激光lArF，193nm：角膜几乎全部吸收，消：角膜几乎全部吸收，消融深度很浅（融深度很浅（1um）；不透射眼底）；不透射眼底准分子激光矫正近视v LASIK设备与耗品昂贵，手术复杂，技术要求高，手术费设备与耗品昂贵，手术复杂，技术要求高，手术费用贵，设备依赖强，高度近视受角膜厚度限制不能处理，用贵，设备依赖强，高度近视受角膜厚度限制不能处理，术后有角膜瓣移位、上皮植入、继发性术后有角膜瓣移位、上皮植入、继发性圆锥角膜圆锥角膜等并发症等并发症可能，且并发症处理困难。所以，可能，且并发症处理困难。所以，LASIK手术对设备和医手术对设备和医生经验要求较高。生经验要求较高。 美国美国眼科学眼科学杂志文章指出的：此类杂志文章指出的：此类眼部手术的失败率是眼部手术的失败率是1/10 1/10 优点：优点：由于由于LASIKLASIK保持了角膜正常解剖状态，其预测性和稳定性高，保持了角膜正常解剖状态，其预测性和稳定性高，并且术后反应轻，回退小，恢复快，无角膜雾样混浊，不并且术后反应轻，回退小，恢复快，无角膜雾样混浊，不用长期点药，能同时矫正散光，适应用长期点药，能同时矫正散光，适应 1 112D12D屈光不正，屈光不正，是目前主流的准分子激光手术方式是目前主流的准分子激光手术方式 缺点：缺点：l 一个正常人的角膜厚度约在一个正常人的角膜厚度约在500到到600um之间；之间；l 角膜基质不能无限制地切削，必须保留一定的安角膜基质不能无限制地切削，必须保留一定的安全厚度，一般公认为全厚度，一般公认为410um（至今还无确切的证（至今还无确切的证据证明），或者说，角膜基质的厚度必须保留据证明），或者说，角膜基质的厚度必须保留250以上，否则就会出现圆锥角膜以上，否则就会出现圆锥角膜 。l 圆锥角膜的后果是使视力永远丧失圆锥角膜的后果是使视力永远丧失 l 而每减少而每减少100度近视，按照度近视，按照6.5mm的切削直径（的切削直径（切削范围）要切削切削范围）要切削14um的深度。的深度。准分子激光手术保护眼睛保护眼睛度数越深越危险！度数越深越危险！5.5.2 自由电子激光器自由电子激光器1. 工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于： 辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。从本质上看，它是一种把相对论电子束的动能转变成相干从本质上看，它是一种把相对论电子束的动能转变成相干辐射能的装置。辐射能的装置。 2. 自由电子激光的特点自由电子激光的特点 宽波长可调谐范围宽波长可调谐范围：原则上输出波长可以覆盖从微波、红：原则上输出波长可以覆盖从微波、红外、可见光到真空紫外波，甚至到外、可见光到真空紫外波，甚至到X射线整个谱区。射线整个谱区。 高功率高功率：平均功率可达到：平均功率可达到 1MW。由于自由电子激光器的。由于自由电子激光器的工作物质是电子束本身，而不是固体、液体或气体等物质工作物质是电子束本身，而不是固体、液体或气体等物质，因而它不会出现自聚焦、自击穿等非线性光学损伤等现，因而它不会出现自聚焦、自击穿等非线性光学损伤等现象，只要电子能量足够大，就可获得极高功率输出；象，只要电子能量足够大，就可获得极高功率输出； 高效率高效率：理论效率可达到：理论效率可达到50%；3. 自由电子激光器的工作原理自由电子激光器的工作原理 自由电子受激辐射的原理早在自由电子受激辐射的原理早在1951年由莫茨（年由莫茨（Motz）提出，他）提出，他指出运动速度接近光速的电子（称为相对论电子）通过周期变指出运动速度接近光速的电子（称为相对论电子）通过周期变化的磁场或电场时会产生相干辐射，辐射的频率取决于电子的化的磁场或电场时会产生相干辐射，辐射的频率取决于电子的速度。速度。 磁韧致辐射磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动，从而带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动，从而产生辐射，当速度接近光速的电子作圆周运动时，将会辐射产生辐射，当速度接近光速的电子作圆周运动时，将会辐射出光子，由于这种辐射是出光子，由于这种辐射是1947年在同步加速器上被发现的，年在同步加速器上被发现的，因而被命名为同步辐射（因而被命名为同步辐射（Synchrotron radiation） 切伦科夫辐射切伦科夫辐射当电子在介质中运动时，如果它们的速度比光在介质中的相当电子在介质中运动时，如果它们的速度比光在介质中的相速度大，电子也会产生光辐射，其波长随着电子速度而变化速度大，电子也会产生光辐射，其波长随着电子速度而变化，虽然光很弱，但却是单色性很好的辐射光，虽然光很弱，但却是单色性很好的辐射光 。 5.5.2 自由电子激光器自由电子激光器自由电子激光器组成v组成组成 高能电子加速器高能电子加速器 摆动器摆动器 光学谐振腔光学谐振腔将化学能直接转换成激光将化学能直接转换成激光 不需要外加的电源或光源作为激发源，而是利用工作物质本身化学反不需要外加的电源或光源作为激发源，而是利用工作物质本身化学反应中释放出来的能量作为激发能。应中释放出来的能量作为激发能。 5.5.3 5.5.3 化学激光器化学激光器1. 化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。液体，但目前大多数是用气体。 2. 化学激光器具有如下三方面的化学激光器具有如下三方面的特点特点 输出的激光波长丰富输出的激光波长丰富 工作物质可能是原来参加化学反应的物质的成分，也可能是反应过程工作物质可能是原来参加化学反应的物质的成分，也可能是反应过程中新形成的原子、分子、离子或不稳定的多原子自由基等。中新形成的原子、分子、离子或不稳定的多原子自由基等。高功率、高能量激光输出高功率、高能量激光输出 由于化学反应中蕴藏着巨大的能量，因此化学激光器是最有希望获得由于化学反应中蕴藏着巨大的能量，因此化学激光器是最有希望获得巨大功率输出的一种激光器。巨大功率输出的一种激光器。v思考题：vP126: 15