2021-2022学年高二物理竞赛课件：典型激光器.pptx

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1、典型激光器典型激光器按工作物质可按工作物质可分成四类分成四类:固体激光器固体激光器;气体激光器气体激光器;液体激光器液体激光器;半导体激光器半导体激光器一、固体激光器一、固体激光器1光泵激励光泵激励以以掺掺杂杂的的晶晶体体或或玻玻璃璃为为工工作作物物质质。受受激激离离子子浓浓度度大大，亚亚稳稳态态寿寿命命长长，故故容容易易获获得得大大能能量量输输出出。连连续续功功率率可达可达KW级、脉冲峰值功率级、脉冲峰值功率TW级。级。1）采采用用气气体体放放电电灯灯进进行行泵泵浦浦，并并采采用用椭椭圆圆聚聚光光腔腔，但但效效率率很很低低（小于（小于3%）。）。典型激光器典型激光器2）采用半导体激光器（）采

2、用半导体激光器（LD）进行泵浦，）进行泵浦，效率可达效率可达720%。典型激光器典型激光器红宝石激光器红宝石激光器是世界上第一台激光器，是世界上第一台激光器，1960年由美国人梅曼发明。年由美国人梅曼发明。(1)工作原理工作原理工作物质：工作物质：Al2O3+0.05%Cr3+(重量比重量比)能级结构：能级结构：Cr3+的的三能级三能级系统系统E1=4A2，E2=2E，E3=4F1，4F2，E2为亚稳能级，寿命约为亚稳能级，寿命约3毫秒毫秒4A24F24F12E0.42 m0.55 R1R2输出波长：输出波长：R1优先线起振，输出波长优先线起振，输出波长694.3nm(红光）红光）。黄绿带黄绿

3、带黄绿带黄绿带蓝紫带蓝紫带蓝紫带蓝紫带蓝紫带蓝紫带蓝紫带蓝紫带黄绿带黄绿带黄绿带黄绿带典型激光器典型激光器红宝石激光器的泵浦系统和结构红宝石激光器的泵浦系统和结构 光泵浦光泵浦，由于红宝石吸收峰在蓝、绿区，用，由于红宝石吸收峰在蓝、绿区，用脉冲脉冲氙灯氙灯泵浦，光谱匹配较好。若需大功率，多灯泵浦，泵浦，光谱匹配较好。若需大功率，多灯泵浦，可用双椭圆腔。较高重复率使用时，灯和激光棒都需可用双椭圆腔。较高重复率使用时，灯和激光棒都需要水冷。要水冷。典型激光器典型激光器红宝石激光器的红宝石激光器的应用特点应用特点 由由于于红红宝宝石石激激光光器器是是三三能能级级结结构构,有有较较高高的的泵泵浦浦能能

4、量阈值量阈值,所以通常只能以脉冲方式运转所以通常只能以脉冲方式运转.较较高高的的泵泵浦浦能能量量阈阈值值限限制制了了其其应应用用,但但输输出出的的是是可可见光见光,在动态信息、医学等方面仍有应用价值。在动态信息、医学等方面仍有应用价值。采用调采用调Q和和锁模技术可获得锁模技术可获得超短超短脉冲脉冲输出输出:调调Q脉脉冲冲:峰峰值值功功率率达达107W,脉脉宽宽为为10-20ns;锁模脉冲锁模脉冲:峰值功率达峰值功率达109W,脉宽为脉宽为10ps.典型激光器典型激光器激活粒子是钕离子激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱见下图，其吸收光谱见下图.钕激光器钕激光器典型的有：典型的有：Nd:YAG

5、和钕玻璃激光器和钕玻璃激光器常常用用氪氪灯灯810nm750nm典型激光器典型激光器 掺钕钇铝石榴石激光器（掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAGNd:YAG）1)工作原理工作原理工作物质：工作物质：YAG=Y3Al5O12+1.0-1.2%Nd2O3(原子百分比原子百分比)能级结构：能级结构：Nd3+的的四能级四能级:E1=4I9/2，E2=4I11/2，E3=4F3/2，E4=4S3/2，4F7/2 ,4F5/2，2A9/2输出波长：输出波长：1.064 m (红外红外)氪灯氪灯 4S3/2 4F7/2 4F5/2 2A9/24F3/24I11/24I9/20.750.811.0644I13/

6、21.3190.95典型激光器典型激光器Nd:YAG激光器的泵浦激光器的泵浦吸收光谱在近红外波段，常用吸收光谱在近红外波段，常用氪灯氪灯泵浦，并用泵浦，并用椭圆椭圆聚光腔聚光腔提高泵浦效率。提高泵浦效率。Nd:YAG激光器的脉冲输出激光器的脉冲输出 由于由于Nd:YAG为四能级系统，阈值比红宝石激光为四能级系统，阈值比红宝石激光器低得多，所以激光效率比红宝石激光器高得多，可器低得多，所以激光效率比红宝石激光器高得多，可连续或脉冲以高重复率运转连续或脉冲以高重复率运转.调调Q峰值功率可达数峰值功率可达数108W；脉宽为；脉宽为ns量级量级 锁模锁模峰值功率可达数峰值功率可达数1010W，脉宽为，

7、脉宽为ps量级量级.典型激光器典型激光器(2)(2)钕玻璃激光器钕玻璃激光器工作物工作物质：各向同性玻璃各向同性玻璃+Nd2O3 1-5%重量比重量比能能级结构构:Nd3+的的四能级四能级.输出波出波长:最最强辐射射1.060微米微米与与YAG比比较:1)能级结构基本相同能级结构基本相同(只是能级间隔稍不同只是能级间隔稍不同)2)容易做成大尺寸，且容易做成大尺寸，且荧光寿命荧光寿命较长（较长（0.6-0.9ms,而而YAG约为约为0.23ms）,故故输出能量大输出能量大。3)钕玻璃的钕玻璃的荧光线宽荧光线宽更宽更宽,锁模脉宽更小锁模脉宽更小(1ps),但但散热能力差散热能力差,阈值较高阈值较高

8、,不宜连续及高重复率运转不宜连续及高重复率运转.泵浦浦:氪灯灯典型激光器典型激光器Planck公式公式维恩维恩公式公式瑞利瑞利-琼斯琼斯公式公式Planck公式公式维恩维恩位移定律位移定律斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律激光原理激光原理激光及其特性激光及其特性单色性好，方向性好，亮度高，相干性好单色性好，方向性好，亮度高，相干性好激光器的发展历史激光器的发展历史光辐射量子理论光辐射量子理论三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式激光产生的必要条件激光产生的必要条件粒子数反转，提高光子简并度粒子数反转，提高光子简并度激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质，泵浦源，谐振腔激光工作物质，泵浦源，谐振腔