激光原理与应用讲-第五章学习教案.pptx

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1、会计学1激光激光(jgung)原理与应用讲原理与应用讲-第五章第五章第一页，共32页。本章本章(bn zhn)(bn zhn)主要内容：主要内容： 1. 固固 体体 激激 光光 器器2. 气气 体体 激激 光光 器器3. 染染 料料 激激 光光 器器4. 半半 导导 体体 机机 光光 器器5. 其其 他他 激激 光光 器器第1页/共32页第二页，共32页。5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作固体激光器的基本结构与工作(gngzu)(gngzu)物质物质1.固体(gt)激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体(gt)激光器的基本结构示

2、意图(冷却、滤光系统未画出)。 图5-1 固体激光器的基本(jbn)结构示意图固体激光器的特点：固体激光器的特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达几十太瓦），结构紧凑牢固。 第2页/共32页第三页，共32页。5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构固体激光器的基本结构(jigu)(jigu)与工作物质与工作物质2.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体(jngt),它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，如图5-2所示。图(5-2) 红宝石中铬离子(lz)的吸收光谱第3页/共32页第四页，共

3、32页。红宝石激光器属于典型的三能级系统，如图5-3所示。红宝石激光器荧光谱线为R1线（694.3nm）和R2（692.9nm）线，由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡(zhndng)过程中总占优势，所以红宝石激光器的激光输出为694.3nm。图(5-3) 红宝石中铬离子(lz)的能级结构第4页/共32页第五页，共32页。5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作固体激光器的基本结构与工作(gngzu)(gngzu)物质物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG) 工作物质：将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化(rnghu)结晶而成的，呈淡紫色；它的激活粒子是钕

4、离子(Nd3)，吸收光谱如图(5-4)所示。图(5-4) Nd3:YAG 晶体(jngt)的吸收光谱第5页/共32页第六页，共32页。YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示，属于(shy)四能级系统。 YAG 激光器的两条荧光谱线中心波长(bchng)分别为1.35m和1.06 m ， 后者强度约为前者的 4倍，因此激光输出为1.064 m 。 图(5-5) Nd3:YAG 的能级(nngj)结构第6页/共32页第七页，共32页。5.1.4 5.1.4 新型新型(xnxng)(xnxng)固体激光器固体激光器1. 半导体激光器泵浦的固体(gt)激光器 图(5-7) 半导体激光

5、器泵浦固体(gt)激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比主要优点包括：能量转换效率高、产生的无功热量小、寿命长、结构简单、使用方便等。 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7) 所示。 第7页/共32页第八页，共32页。调谐波长：调谐波长：700-900nm700-900nm5.1.4 5.1.4 新型新型(xnxng)(xnxng)固体激光器固体激光器2. 可调谐(tioxi)固体激光器 实现激光器调谐基本要素：工作物质能够提供较宽的连续(linx)或准连续(linx)荧光光谱带，在谐振腔内插入适当的调谐器件。 可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心

6、激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。 第8页/共32页第九页，共32页。5.1.4 5.1.4 新型新型(xnxng)(xnxng)固体激光器固体激光器3. 高功率固体(gt)激光器 高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲(michng)固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。 从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。 图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图第9页/共32页第十页，共

7、32页。小结小结(xioji)(xioji)：固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率(gngl)高，结构紧凑牢固。高，结构紧凑牢固。红宝石激光器输出的典型波长：红宝石激光器输出的典型波长：694.3nm。YAG激光器输出的典型波长：激光器输出的典型波长：1064nm。第10页/共32页第十一页，共32页。5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器1. He-Ne激光器的结构(jigu)图(5-9) He-Ne激光器的基本结构(jigu)形式 He-Ne激光器可以(ky)分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示

8、。 气体激光器的特点是：气体激光器的特点是：输出光束的质量好（包括：单色性、相干性、光束方向和稳定性）。 第11页/共32页第十二页，共32页。图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子(yunz)的部分能级图2. He-Ne激光器的激发(jf)机理 其激光谱线主要(zhyo)有三条 :3S2P 632.8nm2S2P 1.15m3S3P 3.39m 5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器图(5-10 ) 是与产生激光有关的He原子核Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。 其他谱线还包括黄光和橙光。 第12

9、页/共32页第十三页，共32页。3. He-Ne激光器的输出特性 (1) 谱线竞争: He-Ne激光器三条(sn tio)强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器图(5-x) 多层介质(jizh)膜反射镜第13页/共32页第十四页，共32页。(2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流(dinli)对输出功率影响很大。图(5-11)是实验测得的输出功率与放电电流(dinli)的关系曲线 ：图(5-11) 输出功率与放电电流的关系(gun x

10、)曲线在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 ；存在最佳混合比和最佳充气总压强 ，即存在最佳充气条件；若放电毛细管的直径(zhjng)为d， 充气压强为p， 则存在一个使输出功率最大的最佳pd值；在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径(zhjng)d成反比。第14页/共32页第十五页，共32页。1. CO2激光器的结构和激发(jf)过程 图(5-12) 封离式CO2激光器结构(jigu)示意图5.2.2 5.2.2 二氧化碳二氧化碳(r yng hu tn)(r yng hu tn)激光器激光器图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜

11、放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 第15页/共32页第十六页，共32页。CO2激光器中与产生激光有关(yugun)的CO2分子能级图如图(5-13)所示。 图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子(fnz)能级图2. CO2激光器的输出特性 相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流(dinli)有一个最佳值。CO2 激光器的最佳放电电流(dinli)与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。 CO2激光器的转换效率是很高，最高接近40。其激光谱线主要有两条 :00010200 9.6 m00011000 10.6m5.2.2 5.2.2 二氧化碳激

12、光器二氧化碳激光器第16页/共32页第十七页，共32页。5.2.3 Ar+5.2.3 Ar+离子离子(lz)(lz)激光器激光器1. Ar激光器的结构(jigu) Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段(fn dun)结构 。 图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图第17页/共32页第十八页，共32页。5.2.3 Ar+5.2.3 Ar+离子离子(lz)(lz)激光器激光器2. Ar激光器的激发(jf)机理 Ar激光器与激光辐射有关的能级(nngj)结构如图(5-15)所示 图(5-15) 与产生激光有关的Ar+的能级结构A

13、r激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流： 波长 阈值电流488.0nm 4.5A514.5nm 7A476.5nm 8A496.5nm 9A501.7nm 12A472.7nm 14AAr激光器中通常需要加入选频元件来实现单一频率输出第18页/共32页第十九页，共32页。小结小结(xioji)(xioji)：气体激光器的特点是：输出气体激光器的特点是：输出(shch)光束的质量好。光束的质量好。He-Ne激光器输出激光器输出(shch)的典型波长：的典型波长：632.8nm。CO2激光器输出激光器输出(shch)的典型波长：的典型波长：9.6 m 和和10.6m。Ar+激光

14、器输出激光器输出(shch)的典型波长：的典型波长：488nm，514.5nm。第19页/共32页第二十页，共32页。5.3.1 5.3.1 染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的激发机理激光器的激发机理染料(rnlio)分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。 需要避免 三重态“陷阱”效应图(5-17) 染料分子(fnz)能级图图(5-18) 染料的吸收-荧光光谱图染料激光器的特点是：染料激光器的特点是：波长调谐范围宽，输出功率较大，光束质量较好。 第20页/共32页第二十一页，共32页。5.3.2 5.3.2 染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的泵浦激光器的泵浦1

15、.闪光灯脉冲(michng)泵浦 2.激光(jgung)脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器，红宝石激光器，钕玻璃激光器，铜蒸气激光器，准分子激光器，以及这些激光的二次、三次谐波等。 图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。 图(5-19) 三镜腔式染料激光器第21页/共32页第二十二页，共32页。5.3.3 5.3.3 染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的调谐激光器的调谐1. 光栅(gungshn)调谐 图(5-20)是一种(y zhn)光栅-反射镜调谐腔，光栅G具有扩束和色散作用。 图(5-20) 光栅-反射镜调谐腔第22页/共32

16、页第二十三页，共32页。图(5-21) 棱镜(lngjng)调谐腔5.3.3 5.3.3 染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的调谐激光器的调谐2. 棱镜(lngjng)调谐 图(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，棱镜是一种色散元件。 第23页/共32页第二十四页，共32页。5.3.3 5.3.3 染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的调谐激光器的调谐3. 双折射滤光片调谐(tioxi) 利用(lyng)双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的Ar激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(522)给出的典型染料激光器就是利用(

17、lyng)双折射滤光片进行调谐的。 图(5-22) 典型染料激光器原理示意图第24页/共32页第二十五页，共32页。小结小结(xioji)(xioji)：染料激光器的特点是：波长调谐染料激光器的特点是：波长调谐(tioxi)范围宽，输出功率较大，光束质量较好。范围宽，输出功率较大，光束质量较好。 第25页/共32页第二十六页，共32页。5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射半导体的能带和产生受激辐射(fsh)(fsh)的条件的条件1. 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度(juduwnd)为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5

18、-24)。 图(5-24) 本征半导体的能带半导体激光器的特点半导体激光器的特点(tdin)(tdin)是：结构简单、体积小、效率高、价格便宜。是：结构简单、体积小、效率高、价格便宜。 第26页/共32页第二十七页，共32页。5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射半导体的能带和产生受激辐射(fsh)(fsh)的条件的条件3. 杂质半导体中费米(fi m)能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系,图(5-25)给出了温度极低时的情况。 图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度(nngd)关系2.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占

19、据的几率为 1( )1FnE EkTfEe第27页/共32页第二十八页，共32页。5.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子结和粒子(lz)(lz)数反转数反转未加电场时，电子和空穴的扩散与漂移作用使得的费米(fi m)能级达到同一水平，如图(5-26)。 图(5-26) PN能带在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级 和 ，称为准费米能级，如图(5-27)。 FEFE图(5-27) 正向电压(diny)V时形成的双简并能带结构第28页/共32页第二十九页，共32页。图(5-28) GaAs激光器的结构(jigu)5.4.3 5.4.3 半导体激光器的基本结构和光束半导体激光器的基

20、本结构和光束(gungsh)(gungsh)特点特点图(5-28)显示(xinsh)了GaAs激光器的结构。 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。 图(5-30) 激光束的空间分布示意图 第29页/共32页第三十页，共32页。小结小结(xioji)(xioji)：半导体激光器的特点是：结构半导体激光器的特点是：结构(jigu)简单、体积小、效率高、价格便宜。简单、体积小、效率高、价格便宜。第30页/共32页第三十一页，共32页。1. 准分子激光器中，准分子从激发态向基态(j ti)的跃迁可以说是从束缚态向自由态（弱束缚态或排斥态）的跃迁。图(5-33) 准分子的能级(nngj)结构2. 自由电子激光器中，运动速度接近(jijn)光速的电子通过周期性变化的磁场或电场时会产生相干辐射。3. 化学激光器中，工作物质本身化学反应释放的能量成为激发能。第31页/共32页第三十二页，共32页。