典型激光器修改.ppt
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1、根据泵浦源种类和泵浦方式分类根据泵浦源种类和泵浦方式分类注入式激光器注入式激光器 光泵激光器光泵激光器 电子束泵浦电子束泵浦 激光器激光器半导体激光器半导体激光器 灯泵激光器灯泵激光器 激光泵浦激光器激光泵浦激光器 LD泵浦激光器泵浦激光器 固体激固体激 光器光器放电泵浦激光器放电泵浦激光器 电子束泵浦激光器电子束泵浦激光器 微波泵浦激光器微波泵浦激光器 气体激光器气体激光器 根据工作物质分类根据工作物质分类 固体激光固体激光 器器:红宝石,:红宝石,Nd:YAG,钕玻璃,钕玻璃气体激光器气体激光器:HeNe,CO2,离子激光器,离子激光器液体激光器液体激光器:染料激光器:染料激光器半导体激光
2、器半导体激光器:同质结,异质结,量子阱:同质结,异质结,量子阱第八章:典型激光器第八章:典型激光器 根据谐振腔类型分类:根据谐振腔类型分类:FP腔,平凹腔,聚焦腔,折叠腔,环形腔等。腔,平凹腔,聚焦腔,折叠腔,环形腔等。根据激光器的输出波长分类:根据激光器的输出波长分类:中红外激光器,近红外激光器,可见光激光器,中红外激光器,近红外激光器,可见光激光器,红光激光器,绿光激光器,蓝光激光器,红光激光器,绿光激光器,蓝光激光器,紫外激光器,深紫外激光器,紫外激光器,深紫外激光器,X射线激光器射线激光器根据激光器结构根据激光器结构(半导体激光器)(半导体激光器)分类:分类:同质结激光器,单异质结激光
3、器,双异质结激光器,同质结激光器,单异质结激光器,双异质结激光器,量子阱激光器,量子线激光器,量子点激光器量子阱激光器,量子线激光器,量子点激光器固体激光工作物质:固体激光工作物质:由由基质材料基质材料(晶体或玻璃)和少量(晶体或玻璃)和少量掺杂掺杂离子离子(激活粒子)两部分组成(激活粒子)两部分组成固体激光器分固体激光器分类类晶体激光器:晶体激光器:红宝石,钇铝石榴石(红宝石,钇铝石榴石(YAG)非晶体激光器:非晶体激光器:玻璃、塑料玻璃、塑料目前最有实用价值的固体激光工作物质:目前最有实用价值的固体激光工作物质:红宝石晶体,钕玻璃,掺钕钇铝石榴石晶体,掺钛蓝宝红宝石晶体,钕玻璃,掺钕钇铝石
4、榴石晶体,掺钛蓝宝石晶体。石晶体。8.1 固体激光器固体激光器常用的激活粒子有:常用的激活粒子有:三价稀土金属离子:钕三价稀土金属离子:钕(Nd)、铒、铒(Er)、钬、钬(HO)离子等离子等.过渡金属离子:铬(过渡金属离子:铬(Cr3+)离子、钛()离子、钛(Ti3+)离子等。)离子等。特点:特点:输出能量大、峰值功率高、结构紧凑,可实现调输出能量大、峰值功率高、结构紧凑,可实现调Q Q或锁或锁模输出。模输出。8.1.1 红宝石(红宝石(Cr3+:Al2O3)激光器激光器 红红宝宝石石是是在在三三氧氧化化二二铝铝(A12O3)中中掺掺入入少少量量的的氧氧化化铬铬(Cr2O3)生生长长成成的的晶
5、晶体体(重重量量比比为为0.03%0.07%),铬铬离离子子浓浓度度约约为为1019/cm3,吸吸收收光光谱谱特特性性主主要要取取决决于于铬铬离离子子(Cr3),各各向异性晶体,具有双折射。向异性晶体,具有双折射。红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的吸收光谱U带:带:360450nm (峰(峰410nm)Y带:带:510600nm (峰(峰550nm)入射光偏振方向平行或垂直光轴,吸收谱略有差别。入射光偏振方向平行或垂直光轴,吸收谱略有差别。1.发光机理发光机理 红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构发射谱:发射谱:R1线:线:694.3n(强)(强)R2线:线:692.9n(弱
6、)(弱)上的粒子数占上的粒子数占47%,上的粒子数占上的粒子数占53%,而,而且且 与与 之间存在快速弛豫,之间存在快速弛豫,所以所以R1线比线比R2线优先振荡。线优先振荡。R1线一旦振荡,线一旦振荡,上的粒子上的粒子及时补充到及时补充到 上,因此不上,因此不形成形成R2线振荡输出。线振荡输出。2.输出特性输出特性(1)三能级系统,阈值泵浦能量高,以)三能级系统,阈值泵浦能量高,以脉冲方式脉冲方式运转运转(6)调)调Q巨脉冲:峰值功率几十巨脉冲:峰值功率几十MW,脉宽几十,脉宽几十ns。(2)温度效应明显(温度升高,移向长波,线宽增加)。温)温度效应明显(温度升高,移向长波,线宽增加)。温度增
7、加度增加10度,波长变化度,波长变化0.07nm。(3)荧光线宽较大,有)荧光线宽较大,有100多个纵模振荡,单色性差。多个纵模振荡,单色性差。(4)激光上能级寿命长()激光上能级寿命长(3ms),有利于储能,输出能量大。),有利于储能,输出能量大。(5)激光器输出红光,适合应用需要。)激光器输出红光,适合应用需要。1.掺钕钇铝石榴石激光器(掺钕钇铝石榴石激光器(Nd:YAG)将将一一定定比比例例的的A12O3、Y2O3,和和 Nd2O3 在在单单晶晶炉炉中中进进行行熔熔化化结结晶晶而而成成。Nd2O3的的重重量量比比为为0.725%(掺掺入入约约1%原原子子百百分分比比的的钕钕离离子子),晶
8、晶体体呈呈淡淡紫紫色色,它它的的激激活活粒粒子子是是钕钕离离子子(Nd3),亚稳态寿命亚稳态寿命230微秒,有多个激发态,有多个激光下能级。微秒,有多个激发态,有多个激光下能级。吸吸收收谱谱:5条条吸吸收收带带,带带宽宽约约30nm。0.53m,0.58m,0.75m,0.81m,0.87m;以;以0.75m,0.81m为最强。为最强。8.1.2 钕激光器钕激光器(1)发光机理)发光机理基态:基态:(中心波长(中心波长810nm和和750nm,带宽,带宽30nm)泵浦泵浦(亚稳态)(亚稳态)无辐射跃迁无辐射跃迁(很快)(很快)1064nm四能级四能级1350nm四能级四能级三能级三能级946n
9、mE2E2(2)输出特性输出特性 四能级系统,阈值能量低,可连续运转;四能级系统,阈值能量低,可连续运转;导热率高,易于散热;导热率高,易于散热;尺寸长,均匀性好,易加工,价格低;尺寸长,均匀性好,易加工,价格低;效率高:效率高:0.4%2.5%。可连续运转、脉冲运转、调可连续运转、脉冲运转、调Q Q(纳秒脉冲)、锁模(皮秒脉(纳秒脉冲)、锁模(皮秒脉冲)。冲)。发发射射谱谱:最最强强 1.064m,次次强强 0.946m,最最弱弱 1.35 m,强强度度比比为为0.6:0.25:0.14,还还有有其其它它谱谱线线。存存在在谱谱线线竞竞争争,必须进行谱线选择。必须进行谱线选择。基质:基质:硅酸
10、盐或磷酸盐玻璃硅酸盐或磷酸盐玻璃掺杂:掺杂:,浓度,浓度3%缺点:导热率低,振荡阈值大于缺点:导热率低,振荡阈值大于Nd:YAG,不适于连续或高,不适于连续或高重复频率运转。重复频率运转。2.钕玻璃钕玻璃吸收谱:吸收谱:类似类似Nd:YAG,但吸收谱更宽。,但吸收谱更宽。发发射射谱谱:0.92 m,1.062 m,1.37 m,荧荧光光线线宽宽大大(30nm),),锁模超短脉冲:脉宽锁模超短脉冲:脉宽优优点点:大大尺尺寸寸(直直径径10cm,长长度度1m),玻玻璃璃各各项项同同性性,均均匀匀性性好好,亚亚稳稳态态寿寿命命长长(600900s),储储能能大大。可可用用于于大大能量大功率激光器。能
11、量大功率激光器。基质:基质:晶体晶体掺杂:掺杂:(原子百分比约为(原子百分比约为0.1)自锁模超短光脉冲:脉宽自锁模超短光脉冲:脉宽8.1.3.8.1.3.掺钛蓝宝石掺钛蓝宝石(TiTi:AlAl2 2O O3 3)吸吸收收带带400-600nm,可可用用蓝蓝绿绿光光泵泵浦浦。发发射射谱谱范范围围660-1180nm,最最大大增增益益在在790nm。可可做做成成可可调调谐谐激激光光器器或或超超短短脉脉冲激光器冲激光器。其它工作物质其它工作物质(1)掺钕钒酸钇晶体)掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO4)受激辐射截面大(受激辐射截面大(YAG的的5倍)、对倍)、对809nm有很强吸收(适合有很强吸收(适
12、合LD抽运),抽运),有有1.064m、1.342m、0.942m三条主要谱线。三条主要谱线。(2)掺铒钇铝石榴石)掺铒钇铝石榴石(Er:YAG):有):有2.94m和和1.6m两条主要谱线两条主要谱线8.1.4 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统 固固体体激激光光工工作作物物质质一一般般都都采采用用光光泵泵浦浦。以以前前的的泵泵浦浦光光源源多多为为工工作作于于弧弧光光放放电电状状态态的的惰惰性性气气体体放放电电灯灯(氙氙灯灯或或氪氪灯灯),现在大多采用现在大多采用LDLD泵浦。泵浦。1.1.灯泵浦灯泵浦 泵浦灯在空间的辐射都是全方位的,因而固体工作物质一泵浦灯在空间的辐射都是全方位的,
13、因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状,为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工般都加工成圆柱棒形状,为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上,必须采用聚光腔。作物质上,必须采用聚光腔。椭椭圆圆柱柱聚聚光光腔腔是是小小型型固固体体激激光光器器中中最最常常采采用用的的聚聚光光腔腔,它它的的内内表表面面被被抛抛光光成成镜镜面面并并镀镀膜膜,其其横横截截面面是是一一个个椭椭圆圆。也也有双灯一棒、四灯一棒。有双灯一棒、四灯一棒。灯泵浦灯泵浦脉冲激光器:脉冲激光器:脉冲氙灯脉冲氙灯连续激光器:连续激光器:氪灯,碘钨灯氪灯,碘钨灯椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔惰性气体放电灯的辐射光谱中有连续光谱和线状光谱成分。惰性气体
14、放电灯的辐射光谱中有连续光谱和线状光谱成分。连续光谱连续光谱:电子和正离子复合发光。:电子和正离子复合发光。线状光谱线状光谱:被激发的原子回到基态的辐射发光。:被激发的原子回到基态的辐射发光。在连续弧光灯(如氪灯)的光谱中,线状光谱占主要;在脉在连续弧光灯(如氪灯)的光谱中,线状光谱占主要;在脉冲灯的光谱中,连续光谱占主要。二者之比取决于放电电流冲灯的光谱中,连续光谱占主要。二者之比取决于放电电流密度、充气压、充气种类。密度、充气压、充气种类。连续氪灯的辐射光谱连续氪灯的辐射光谱脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱 固体激光器的泵浦系统还要固体激光器的泵浦系统还
15、要冷却和滤光冷却和滤光。常用的冷却方式。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。有液体冷却、气体冷却和传导冷却等,其中以液冷最为普遍。灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱,或者冷却水中加灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱,或者冷却水中加重铬酸钾。重铬酸钾。聚光腔内表面镀反射或漫射膜聚光腔内表面镀反射或漫射膜总体效率总体效率 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(用功率描述用功率描述)和脉冲激光器和脉冲激光器(用能量描述用能量描述)分别表示为:分别表示为:半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比半
16、导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有很多优点:有很多优点:光谱匹配好,能量转换效率高;热效应小,光束空间质量光谱匹配好,能量转换效率高;热效应小,光束空间质量好;寿命长,可靠性高;体积小,结构紧凑。好;寿命长,可靠性高;体积小,结构紧凑。半半导导体体激激光光器器泵泵浦浦固固体体激激光光器器的的结结构构,有有直直接接端端面面泵泵浦浦、光光纤纤耦耦合合端端面面泵泵浦浦和和侧侧泵泵浦浦方方式式。端端泵泵适适合合中中小小功功率率激激光光器器,侧泵适合大功率激光器。侧泵适合大功率激光器。2.2.半导体激光二极管泵浦(半导体激光二极管泵浦(DPSSL)DPSSL)直接端面泵浦直接端面泵浦光纤
17、耦合端面泵浦光纤耦合端面泵浦侧泵浦方式侧泵浦方式激光工作物质:激光工作物质:气体的原子、分子、离子或准分子。气体的原子、分子、离子或准分子。泵浦方式:泵浦方式:气体放电泵浦气体放电泵浦激光工作方式:激光工作方式:多数以四能级方式工作多数以四能级方式工作(1)谱线范围宽,有上百种气体可产生激光,谱线有上万条。)谱线范围宽,有上百种气体可产生激光,谱线有上万条。波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。(2)光束质量高,单色性、方向性、相关性均优于其它激光)光束质量高,单色性、方向性、相关性均优于其它激光器。器。(3)频率稳定,易获得连续的激光和脉冲输出。)频率稳定,易获得连续的
18、激光和脉冲输出。(4)有些气体激光器输出功率很大,如二氧化碳激光器达到)有些气体激光器输出功率很大,如二氧化碳激光器达到数十万瓦。数十万瓦。气体激光器突出优点:气体激光器突出优点:激光器装置:激光器装置:激光管(放电管),电极,光谐振腔激光管(放电管),电极,光谐振腔8.2 气体激光器气体激光器缺点:缺点:体积庞大。体积庞大。EF段段为为正正常常辉辉光光放放电电,电电流流增增加加,管管压压几几乎乎不不变变,氦氦氖氖激激光光器器工工作作于于该该区区;GH段段为为弧弧光光放放电电,氩氩离离子子激激光光器器工工作作于于该段区。该段区。8.2.1 泵浦方式泵浦方式 一般采用气体泵浦方式,即在高电压作用
19、下,气体分子一般采用气体泵浦方式,即在高电压作用下,气体分子(原子)电离而导电。高速电子对发光粒子直接碰撞激发,(原子)电离而导电。高速电子对发光粒子直接碰撞激发,或与辅助气体原子碰撞激发,然后辅助气体原子与发光粒子或与辅助气体原子碰撞激发,然后辅助气体原子与发光粒子发生发生能量的共振转移能量的共振转移。1.1.腔结构腔结构8.2.2 He-Ne激光器激光器放电管:放电管:有毛细管和储气管组成,放电只在毛细管进行,储有毛细管和储气管组成,放电只在毛细管进行,储气管与毛细管相通,不断更新气体。气管与毛细管相通,不断更新气体。电极:电极:阳极采用钨棒,阴极采用电子发射率高的铝及其合金,阳极采用钨棒
20、,阴极采用电子发射率高的铝及其合金,阴极做出圆筒状,再用钨棒引导管外。阴极做出圆筒状,再用钨棒引导管外。谐振腔谐振腔:一般采用平凹腔,平面镜透过率:一般采用平凹腔,平面镜透过率12%。有内腔式、。有内腔式、外腔式、半内腔式三种。外腔式、半内腔式三种。2.2.发光原理发光原理(1)He与与Ne的能级结构的能级结构 He原原子子核核外外有有2个个电电子子,其其基基态态的的电电子子组组态态是是1S1S,能能级级符符号号 ;当当1个个电电子子被被激激发发到到2S电电子子层层,即即形形成成He的的第第一一激激发发态态,电电子子组组态态1S2S,这这2个个电电子子的的LS耦耦合合,形形成成第第一一激激发发
21、态态的的两个亚能级两个亚能级 左上角符号左上角符号3表示三重结构,右下角表示表示三重结构,右下角表示j量子数。量子数。Ne原原子子核核外外有有10个个电电子子,其其电电子子组组态态为为 ,原原子子态态符符号号为为 ,基基态态以以上上的的激激发发态态是是2P壳壳层层中中的的1个个电电子子受受激激跃跃迁迁形形成成的的,原原壳壳层层留留下下5个个2P电电子子。几几个个激激发发态态的的电电子子组组态为:态为:2P壳层中的壳层中的5个个P电子属于同科电子,只构成电子属于同科电子,只构成1个个2P态,相态,相当于当于1个个P电子,所以上述几种电子态可归属称二种情况:电子,所以上述几种电子态可归属称二种情况
22、:1个个P电子与电子与S电子耦合电子耦合1个个S电子与电子与S电子耦合电子耦合根据根据LS耦合原则:耦合原则:耦合成四个能级;耦合成四个能级;耦合成耦合成10个能级。个能级。通常采用帕通常采用帕邢符号表示:邢符号表示:He-NeHe-Ne激光器是典型的激光器是典型的四能级系统,其激光谱四能级系统,其激光谱线主要有三条线主要有三条 :3S22P4 0.6328 m2S22P4 1.15 m3S23P4 3.39 m 激激活活介介质质按按He:Ne=10:1He:Ne=10:17:17:1填填充充,氖氖为为发发光光气气体体;氦氦为为辅辅助气体助气体,用来改善放电特性,提高氖原子的反转粒子数密度。,
23、用来改善放电特性,提高氖原子的反转粒子数密度。(1 1)电子激发)电子激发高速电子与基态氦原子碰撞,氦原子被激发到二个亚稳态。高速电子与基态氦原子碰撞,氦原子被激发到二个亚稳态。(2 2)共振能量转移)共振能量转移由于氦原子与氖原子的激发态能级很接近,所以共振能量转由于氦原子与氖原子的激发态能级很接近,所以共振能量转移效率很高。移效率很高。(3 3)氖原子的消激发)氖原子的消激发 氖氖原原子子激激光光下下能能级级2P2P4 4和和3P3P4 4返返回回基基态态属属于于禁禁戒戒跃跃迁迁,所所以以只只能能通通过过自自发发辐辐射射先先到到1S1S态态,然然后后扩扩散散到到管管壁壁附附近近,与与管管壁
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