第五講典型的激光器演示文稿1當前1頁，總共37頁。2優選第五講典型的激光器當前2頁，總共37頁。當前3頁，總共37頁。1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。當前4頁，總共37頁。工作物質：基質材料+發光粒子光譜特性主要由發光粒子的能級結構決定基質材料：玻璃：硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等晶體：白寶石（Al2O3）、釔鋁石榴石（YAG）、鋁酸鹽、氟化鈣等發光粒子（激活離子）：鉻（Cr3+）、釹（Nd3+）、鉺（Er2+）等一、固體激光器當前5頁，總共37頁。特點：可獲得大的激光能量輸出，脈沖峰值功率很高，而且結構緊湊、牢固耐用。當前6頁，總共37頁。（一）基本結構與工作物質固體激光器基本上都是由工作物質、泵浦系統、諧振腔和冷卻、濾光系統構成的。以下是長脈沖固體激光器的基本結構示意圖(冷卻、濾光系統未畫出)。當前7頁，總共37頁。紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)。它屬于三能級系統，相應于右圖的簡化能級模型。（二）舉例——紅寶石激光器當前8頁，總共37頁。工作物質：紅寶石晶體（Cr2O3-Al2O3）發光的激活粒子：

Cr3+

（三能級系統）激光波長：694.3nm光譜線寬：0.01~0.1nm偏振特性：既可輸出無偏振光，也可輸出線偏振光（紅寶石為單軸晶體，存在雙折射現象）發散角：一般情況下遠大于衍射角；由直徑很細的紅寶石棒發出的單模激光束的發散角可接近于衍射極限。當前9頁，總共37頁。其他固體激光器：

YAG激光器工作物質：摻釹釔鋁石榴石（Nd2O3-YAG）發光的激活粒子：Nd3+

（四能級系統）激光波長：1.06微米光譜線寬：0.73nm（室溫下）偏振特性：輸出無偏振光（YAG為立方晶體，無雙折射現象）特點：振蕩閾值低，容易實現連續運轉，但在連續工作時，熱效應將引起熱光畸變（熱透鏡效應及熱應力雙折射）。在YAG基質上，還可以摻入Er3+、Tm3+等其他雜質。當前10頁，總共37頁。釹玻璃激光器工作物質：釹玻璃（Nd2O3

摻入到硅酸鹽玻璃中形成）發光的激活粒子：Nd3+

（四能級系統）激光波長：1.059微米光譜線寬：5~10nm（單色性較差）偏振特性：輸出無偏振光（玻璃為各向同性物質，無雙折射現象）當前11頁，總共37頁。1、固體激光工作物質是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態的惰性氣體放電燈。2、常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，固體工作物質一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發出的光能完全聚到工作物質上，必須采用聚光腔。（三）固體激光器的泵浦系統3、右圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓，泵浦燈和激光棒分別位于橢圓的兩焦線上。當前12頁，總共37頁。4、固體激光器的泵浦系統還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻等，其中以液冷最為普遍。5、泵浦燈和工作物質之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。當前13頁，總共37頁。1、半導體激光器泵浦的固體激光器半導體激光器泵浦固體激光器的結構，有如圖所示的端泵浦方式和側泵浦方式。（四）新型固體激光器2、可調諧固體激光器可調諧固體激光器主要有兩類，一類是色心激光器，一類是用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可調諧激光器。當前14頁，總共37頁。3、高功率固體激光器高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種連續、準連續及脈沖固體激光器，它一直是軍事應用和激光加工應用所追求的目標。從二十世紀七十年代起開始研制的板條形固體激光器，是針對克服工作物質中的熱分布及其引起的一系列固有矛盾（如折射率分布、應力雙折射等）而提出的一種結構方案，其結構如圖所示。當前15頁，總共37頁。

固體激光器紅寶石激光器YAG激光器工作物質Al2O3＋Cr2O3；Cr3＋決定光譜性能Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3＋決定光譜性能物理過程三能級系統四能級系統激光譜線0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占優勢1.35μm+1.06μm；一般只產生1.06μm泵浦源脈沖氙燈氪燈由于固體激光器的工作物質是絕緣晶體，所以一般用光泵浦源激勵泵浦特點*泵浦燈和激光棒分別位于橢圓聚光腔的兩條焦線上*泵浦光源中僅有少部分與工作物質吸收帶相匹配的光能是有用的。優缺點閾值高、溫度效應非常嚴重、室溫下不適于連續和高重復率工作閾值低、有優良的熱學性質、適于連續和高重復率工作；是目前能在室溫下連續工作的唯一實用的固體工作物質輸出特性大多數為脈沖激光器，產生的激光脈沖是一系列的尖峰，寬度約為幾個微米轉換效率低(總體效率：激光輸出與泵浦源的電輸入之比)總體效率大概為0.5%-1%1%-3%特點輸出能量大；峰值功率高；當前16頁，總共37頁。種類：原子氣體激光器產生激光作用的是沒有電離的氣體原子，典型代表是氦氖激光器。分子激光器產生激光作用的是沒有電離的氣體分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和準分子激光器。離子激光器典型代表是氬離子激光器和氦鎘離子激光器。二、氣體激光器當前17頁，總共37頁。特點：發射的譜線分布在一個很寬的波長范圍內，幾乎遍布了從紫外到遠紅外的整個光譜區(已經觀測到的譜線有萬余條)；工作物質均勻性較好，使得輸出光束的質量較高；容易實現大功率連續輸出，如二氧化碳激光器可達萬瓦級的功率輸出；轉換效率高、工作物質豐富、結構簡單、器件成本低。當前18頁，總共37頁。工作物質：氦-氖氣體（He-Ne）激光波長：0.6328微米（1.15微米、3.39微米）光譜線寬：小于20Hz（單色性好）發散角：10-3rad以下（方向性好）（一）氦-氖激光器輸出功率：與放電毛細管的長度有關。10cm的管子，輸出約0.5mW；200cm的管子，輸出約50mW。當前19頁，總共37頁。結構：激光管+電源激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成當前20頁，總共37頁。與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖He-Ne激光器是典型的四能級系統，其激光譜線主要有三條:3S→2P0.6328μ2S→2P1.15μ3S→3P3.39μ當前21頁，總共37頁。譜線競爭:

He-Ne激光器三條強的激光譜線(0.6328μm，1.15μm，3.39μm)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質膜反射鏡的波長選擇。為了保證一定波長的輸出，可以采取合適的措施抑制其他波長的振蕩，如：使用布儒斯特窗進行選擇性的吸收；在腔鏡上鍍反射膜，進行選擇性的反射；在腔內放置吸收元件，進行選擇性的吸收。當前22頁，總共37頁。2、氬離子激光器工作物質：氬氣（Ar+）激光波長：0.4880微米、0.5145微米（藍綠光）輸出功率：是目前在可見光區連續輸出功率最高的激光器（幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦）由于氣體放電過程中電離度不高，而且量子效率比較低，氬離子激光器的能量轉換效率較低，一般在10-4~10-5范圍。當前23頁，總共37頁。一般結構放電管（核心部件）、電極、回氣管（減小放電管內氣壓差）、諧振腔、軸向磁場（提高激光器的輸出功率及壽命）當前24頁，總共37頁。激發機理Ar+的粒子數反轉主要靠電子碰撞激發，激發過程包括三種形式：（1）電子與Ar原子碰撞，使其電離成Ar+，Ar+再與電子碰撞而被激發到高能態；（2）電子與Ar原子碰撞后直接將其電離并激發到激發態；（3）電子碰撞先把Ar+激發到更高的能態上，然后Ar+通過輻射躍遷到激光上能級上。當前25頁，總共37頁。3、二氧化碳激光器工作物質：CO2、N2和He的混合物激光波長：10.6微米、9.6微米（遠紅外光）（利用基態的不同振動態的轉動能級之間的躍遷，故光子能量小）特點：激光器效率高、輸出能量大、功率高。當前26頁，總共37頁。結構構成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調節的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。當前27頁，總共37頁。激發機理當前28頁，總共37頁。

氣體激光器He－Ne激光器CO2激光器Ar＋離子激光器工作物質He＋Ne；Ne決定光譜性能CO2＋He＋N2；CO2決定光譜性能Ar；Ar＋決定光譜性能物理過程四能級系統四能級系統四能級系統激光譜線0.6328μm+1.15μm+3.39μm；3.39μm占優勢10.6μm+9.6μm；10.6μm占優勢0.4880μm+0.5145μm藍光和綠光泵浦源氣體放電激勵氣體放電激勵氣體放電激勵輸出特性*譜線競爭*輸出功率特性：與放電電流關系很大，存在最佳氣體混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條件和毛細管直徑*放電特性：電流有最佳值*溫度效應：轉換效率高，約有60％以上的能量轉換為氣體的熱能，溫度升高，粒子數反轉減小，譜線加寬增益系數下降*多譜線工作：每條譜線都有一個閾值電流，*輸出功率隨放電電流的關系與其他激光器不一樣；特點*氣態物質的光學均勻性一般比較好，使其在單色性和光束穩定性方面有較大優勢；*譜線極為豐富；目前已達數千種，從紫外到遠紅外波段；*大多數能連續運轉*都有瞬時功率不高的特點：工作氣體的氣壓較低，單位體積中粒子數較少，只有固體激光器中激活粒子數密度的千分之一或更少，因而儲存的能量少結構簡單，使用方便，光束質量好，工作可靠，容易制造連續工作脈沖工作均可；輸出功率大，效率高；正好處于大氣窗口，且對人的眼睛的危害比可見光和紅外線小得多譜線豐富，主要分布在藍綠光區；連續脈沖工作均可，是目前在可見光區連續輸出功率最高的氣體激光器當前29頁，總共37頁。三、半導體激光器半導體激光器，又稱激光二極管（即LD）工作物質：半導體材料特點：波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產，并且體積小、重量輕、壽命長。主要應用領域：信息存儲、光纖通信等當前30頁，總共37頁。半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，已成為當今光電子科學的核心技術：激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面；光通信、光變換、光互連、并行光波系統、光信息處理和光存貯、光計算機外部設備等方面。當前31頁，總共37頁。1、半導體的能帶結構理想半導體的能譜是由電子的一系列能帶組成的，下能帶稱為價帶，上能帶稱為導帶，它們之間不存在電子狀態的區域稱為禁帶。禁帶寬度

Eg=Ec-Ev其中，Ec——導帶底的能量Ev——價帶頂的能量當前32頁，總共37頁。每個能帶實際上由大量極其密集的能級所組成。電子在能級上的分布遵從費米-狄拉克分布。當溫度T=0時，價帶是完全填滿的，導帶是完全空的；當T>0時，價帶中填充的電子數多，導帶中填充的電子數少。由于某種原因（如溫度升高），電子從價帶提升至導帶，價帶中就因失去電子而存在帶正電的空穴。電子和空穴都稱為載流子。摻雜半導體N型半導體

——依靠電子導電P型半導體

——依靠空穴導電當前33頁，總共37頁。2、半導體受激發射的條件如果頻率為v的光在半導體內傳播，在光場的作用下，導帶中的電子向價帶躍遷，與空穴復合，造成一個導帶電子和一個價帶空穴同時湮滅，發射出一個能量為hv的光子。產生受激發射并得到放大的條件是：導帶能級上被電子占據的幾率大于與輻射相關的價帶能級上被電子占據的