激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质课件.ppt

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1、5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质1.固体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5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质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。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能级模型 红宝石激光器的优点和主要缺点。图(5-2)红宝石

2、中铬离子的吸收光谱5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质2.红宝石激光器图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质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结晶而成的，呈淡紫色。它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。5.1.3 5

3、.1.3 固体激光器的输出特性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。5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器 图(5-7)半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图2.可调谐固体激光器 半导体激光器泵浦固体激光器与闪光

4、灯泵浦固体激光器相比有其主要优点 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，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。5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器3.高功率固体激光器 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

5、构如图(5-8)所示。图(5-8)板条形固体激光器结构示意图图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图1.He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条:3S2P 0.63282S2P 1.153S3P 3.39 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。2.He-Ne激光器的输出特性(1)谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全

6、取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。见图(5-10)(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流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的关系曲线 图(5-11)输出功率与放电电流的关系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 He-Ne激光器存在着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d成反比。5.2.1 5.2.1 氦氦-氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器v二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体

7、激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率4060瓦。1.CO2激光器的输出特性 5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气

8、体混合比有关。(1)放电特性放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。(2)温度效应温度效应 5.2.3 Ar5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器1.Ar激光器的结构 2.Ar激光器的激发机理 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

9、结构。图(5-14)分段石墨结构Ar+激光器示意图5.2.3 Ar5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器2.Ar激光器的工作持性 Ar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(1)多谱线工作多谱线工作(2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图(5-16)示出了其间的关系曲线。图(5-16)Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线5.3.1 5.3.1 染料激光器的激发机理染料激光器的激发机理1.染料分子能级 染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。图(5-17)染料分

10、子能级图2.染料分子的光辐射过程 如图(5-18)所示染料的吸收-荧光光谱图图(5-18)染料的吸收-荧光光谱图3.染料分子的三重态“陷阱”5.3.2 5.3.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦1.闪光灯脉冲泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。2.激光脉冲泵浦 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(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区)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

11、式染料激光器5.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐1.光栅调谐 图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。2.棱镜调谐 图(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。图(5-20)光栅-反射镜调谐腔图(5-21)棱镜调谐腔5.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐3.双折射滤光片调谐 利用双折射滤光片调谐，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双折射滤光片进行调谐的。图(5-22)典型染

12、料激光器原理示意图5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足 图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系5.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转1.P-N结的双简并能带结构 把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。图(5-26)PN能带在P

13、-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)。图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构2.粒子数反转 5.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 价带顶电子占据几率则为 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是3.半导体激光器的阈值电流 5.4.3 5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 在一定的时间间隔内，注入激光

14、器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡 5.4.4 5.4.4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 图(5-29)GaAs激光器的伏安特性伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性，如图(529)所示。阈值电流密度:影响阈值的因素很多 方向性: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 5.4.4 5.4.4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 外微分量子效率:功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率

15、之比 2.异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示 双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(532)(c)所示。图(5-32)同质结、异质结结构示意图5.5.1 5.5.1 准分子激光器准分子激光器1.准分子激光器的特点 图(5-33)准分子的能级结构能级结构有明显的特点。如图(5-33)所示，A表示较高激发态，B表示激光上能级，C表示基态。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有利。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率的主要原因。由于

16、激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。2.准分子激光器的泵浦方式 电子束泵浦:横向泵浦 纵向泵浦 同轴电子束泵浦 快速放电泵浦:快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路 5.5.2 5.5.2 自由电子激光器自由电子激光器1.自由电子激光器的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。2.自由电子激光的特点 将化学能直接转换成激光。3.目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。5.5.3 5.5.3 化学激光器化学

17、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。2.化学激光器具有如下三方面的特点 输出的激光波长丰富。高功率、高能量激光输出。YAG激光器的主要缺点是：1、其转换效率较低，仅为13%，这比CO2激光器的效率约低一个数量级；2、YAG激光棒在工作过程中存在内部温度梯度，因而会引起热应力和热透镜效应，限制了YAG激光器平均功率和光束质量的进一步提高；3、YAG激光器每瓦输出功率的成本费比CO2激光贵。CO2激光器重要特点是：1、高功率，其最大连续输出功率已达25KW；2、高效率，其总效率为10%左右，比其

18、它加工用激光器的效率高得多；3、高光束质量，其模式较好且较稳定。所有这些优点都是激光加工所需要的。Nd:YAG激光机常见故障处理 （1）整机无电检查水压开关，进线有无开路，及机内保险。指示灯高否（钥匙开关打开后）。检查机内各部件的进线及出线接头。（2）输出不良可能光纤入光头与输出激光不同步。切忌，对全密封Nd：YAG泵不可乱拆。（3）处理修复开路，更换保险丝及指示灯，进出线接头修复。出光不良时重新校对光路，光纤有无拆断，或更换完整光纤。YAG激光器具有许多不同于CO2激光器的良好性能：1、它输出的波长为1.06um，恰好比CO2激光波长10.06um小一个数量级，因而使其与金属的偶合效率高、加

19、工性能良好（一台800W YAG激光器的有效功率相当于3KW CO2激光功率）；2、YAG激光器能与光纤偶合，借助时间分割和功率分割多路系统能方便地将一束激光传输给多个工位或远程距离工位，便于激光加工实现柔性化；3、YAG激光器能以脉冲和连续两种方式工作，其脉冲输出可通过调Q和锁模技术获得短脉冲及超短脉冲，从而使其加工范围比CO2激光更大；4、YAG激光器结构紧凑、重量轻、使用简便可靠、维修要求较低，故其应用前景看好。激光器分类表激光器分类表气体气体类型类型增益介质增益介质波波 长长 峰值功率峰值功率 脉冲长度脉冲长度He-NeAr633nm488nm1mw10mw连续波连续波连续波连续波CO

20、2200w10.6 m连续波连续波10.6 m5Mw20 ns半导体半导体G a As840nm10mw连续波连续波固体固体染料染料化学化学准分子准分子红宝石红宝石(QS)694nm100Mw10nsNd:YAG(QS)1.06 m50Mw20ns1.06 mNd:YAG50w连续波连续波Nd:玻璃玻璃Rh6G（ML）10Tw1.06 m11pw10Kw600nm30fsHF50Mw3 m50nsArF10Mw20ns193nmCO2（TEA）激光器分类表激光器分类表气体气体类型类型增益介质增益介质中心波长中心波长工作系统能级工作系统能级泵浦方式泵浦方式He-NeAr633nm488nm四四四四电子碰撞电子碰撞CO2四四10.6 m 10.6 m四四 半导体半导体G a As840nm四四连续波连续波固体固体染料染料化学化学准分子准分子红宝石红宝石(QS)694nm三三光泵浦光泵浦Nd:YAG(QS)1.06 m四四光泵浦光泵浦1.06 mNd:YAG四四光泵浦光泵浦Nd:玻璃玻璃Rh6G（ML）四四1.06 m光泵浦光泵浦四四600nmHF3 mArF193nmCO2（TEA）共振转移共振转移电泵浦电泵浦电子束泵浦光泵浦光泵浦