激光原理第一章第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日粒子數的正常分布？處于低能級上的粒子數在熱平衡情況下總是多于高能級上的粒子數，受激吸收占優勢粒子數的反轉分布？高能級上的粒子數大于低能級上的粒子數如何實現粒子數反轉？把大量的粒子從低能級“搬運”到高能級的過程，稱為泵浦或激勵；“搬運”粒子的工具－“光泵”泵浦系統為實現粒子數反轉提供外界能量(Apumpingprocessisrequiredtoexciteatomsinthelasermediumintotheirhigherquantum-mechanicalenergylevels.)1、泵浦系統—粒子搬遷的動力第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日激勵不僅要快，還有強有力激勵作用是通過消耗一定的能量來實現的，產生受激輻射所需要的最小激勵能量稱為激光器的閾值（threshold）激勵方式（Practicallasermaterialscanbepumpedinmanyways.）根據不同激光工作物質的不同而異。如固體工作物質常用強光照射激勵，簡稱光激勵；氣體工作物質吸收光譜多在紫外波段，多采用氣體放電的電子碰撞激勵方法第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日光激勵---用光照射工作物質，工作物質吸收光能后產生粒子數反轉，可采用高效率、高強度的發光燈、太陽能和激光放電激勵---在放電過程中，氣體分子（或原子，離子）與被電場加速的電子碰撞，吸收電子能量后躍遷到高能級，形成粒子數反轉熱能激勵---用高溫加熱方式使高能級上氣體粒子數增加，然后突然降低氣體溫度，因高、低能級的熱馳豫時間不同，可使粒子數反轉化學能激勵——利用化學應過程中釋放的能量來激勵粒子，建立粒子數反轉。為產生化學反應，一般還需采用一定的引發措施，如采用光引發、電引發、化學引發等方式核能激勵——用核裂變反應放出的高能粒子、放射線或裂變碎片等來激勵工作物質，也可實現粒子數反轉第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日激勵只是一個外部條件，激光的產生還取決于合適的工作物質二能級系統能否實現粒子數反轉???亞穩態能級：需要一個可以有較長壽命且能貯存大量粒子的能級，經過不斷激發，粒子數反轉就能實現，這樣的能級稱為“亞穩態能級”可能實現粒子數反轉分布的系統可歸結為三能級系統和四能級系統2、工作物質——激光產生的內因第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日諧振腔的作用：模式選擇、提供軸向光波模的反饋諧振腔是激光器的重要部件，不僅是形成激光振蕩的必要條件，而且還對輸出的模式、功率、光束發散角等均有很大影響諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡（輸出反射鏡）組成，激光由部分反射鏡輸出。根據實際情況選用穩定腔、非穩腔或臨界穩定腔3、諧振腔第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日工作物質形態---可以分為氣體、固體、半導體、液體等工作方式---連續工作(CWorcontinuouswavelasers)和脈沖工作(Pulsedlasers)激光技術---調Q激光器(Q-switchedlasers)、鎖模激光器(Modelockedlasers)、倍頻激光器(Frequencydoublinglasers)、可調諧激光器(Tunablelasers)、單模和多模激光器(Single-modeandMulti-modelasers)等激光器的分類第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日氣體激光器:以氣體或金屬蒸氣為發光粒子第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日氣體激光器的激勵方式很多，最普通的激勵方式是氣體放電激勵。氣體激光器的工作物質種類多，又能采用多種激勵方式，所以覆蓋的波段寬，從紫外到亞毫米波。是目前種類最多、激勵方式最多樣化、激光波長分布區域最寬、應用最廣泛的一類激光器。第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日氦一氖氣體激光器：原子激光器類，1961年實現激光輸出，多采用連續工作方式，輸出功率與放電毛細管長度有關；輸出激光方向性好，（發散角達1mrad以下），單色性好（可小于20Hz），輸出功率和波長能控制得很穩定He-Ne激光器的結構形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成，放電管是He-Ne激光器的心臟，是產生激光的地方，放電管通常由毛細管和貯氣室構成。He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neongaslaser)第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日由于增益低，諧振腔一般用平凹腔放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產生粒子數反轉，產生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率最強的譜線有三條：0.6328m（紅色）、3.39m和1.15m，常用的為0.6328m四能級系統第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日固體激光器(Solid-statelasers)激光介質由摻雜于固體基質中的金屬離子（也稱激活離子）和基質所組成。工作物質的物理、化學性能主要取決于基質材料，它的光譜特性主要由激活離子的能級結構決定，但受基質材料的影響，光譜特性將有所變化，有的甚至變化很大。可作激活離子的元素有四大類：過渡族金屬離子、三價稀土金屬離子、二價稀土金屬離子、錒系離子，覆蓋的波長275~3022nm。第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日基質材料分為玻璃和晶體兩大類常用的基質玻璃有：硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、氟化物玻璃晶體有金屬氧化物、氟化物、酸鹽晶體典型代表有紅寶石、Nd3+：YAG(Nd3+ionsinyttriumaluminumgarnet)、釹玻璃激光器(Neodymium-glasslaser)特點：能量大、峰值功率高、結構緊湊、牢固耐用等優點，廣泛應用于工業、國防、醫療、科研等方面第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日固體激光器一般都是用光泵浦。最常用的泵浦光源有惰性氣體放電燈、金屬蒸氣燈、鹵化物燈、半導體激光器、日光泵等，日光泵適用于空間技術中的激光器。用半導體激光二極管泵浦的固體激光器是90年代激光發展的主要方向之一，兼容了二者的優點，泵浦效率高，體積小、結構緊湊第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日一般固體激光器：由工作物質、泵浦系統、諧振腔和冷卻濾光系統四個主要部分組成有連續工作和脈沖工作方式第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日紅寶石激光器(RubyLaser)紅寶石是摻有少量Cr3+離子的Al2O3單晶。E1為基態，E2為亞穩態，E3是大量能級組成的能帶。光放大在E2和E1間產生，相應波長為694.3nm。三能級系統。n1>>n2氙燈泵浦n1減少，n2增加自發輻射（熒光）氙燈光強繼續增加到n2>n1粒子數反轉分布光放大器光強繼續增加到某一閾值激光滿足振蕩條件第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日半導體激光器

(Semiconductorlaserorlaserdiode)半導體激光器以半導體為工作物質，常用材料有GaAs（砷化鎵）、InP等。利用半導體中載流子（電子或空穴）在導帶和價帶之間的受激躍遷而實現受激輻射光放大。（半導體中的電流是電子和空穴的移動而形成的，稱為載流子。）具有小型、高效率、結構簡單、價格便宜等優點，在光纖通信、激光唱片、光盤、數顯、準直等領域得到廣泛應用。第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日液體激光器有機化合物液體（染料）激光器（簡稱染料激光器）和無機化合物液體激光器（簡稱無機液體激光器）。染料激光器：若丹明6G、隱花青，豆花素特點：激光波長可調諧且調諧范圍寬廣、可產生極短的超短脈沖（3fs）、可獲得窄的譜線寬度廣泛應用到光生物學、光譜學、光化學同位素分離、全息照像等技術中，研究物質的瞬態變化過程及微觀動力學。第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日染料激光器(Dyelasers)一種波長連續可調的激光器，染料分子的吸收光譜和熒光光譜均為寬帶結構，這是由染料特殊的分子結構造成的，也是能波長連續可調的原因。可采用光柵、棱鏡、法布里一珀羅干涉儀、雙折射濾光片等調諧元件主要采用光泵浦，即用短脈沖寬度的閃光燈泵浦或其它激光器泵浦；脈沖泵浦和連續泵浦調諧范圍隨泵浦光波長變化，Nd:YAG激光器泵浦時，調諧范圍最大，達300~1400nm對比：固體可調諧激光器：摻鈦藍寶石激光器第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日其它激光器光纖激光器化學激光器氣動激光器色心激光器自由電子激光器單原子激光器X射線激光器第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日光纖激光器(Fiberlasers)屬于固體激光器。光纖的典型結構為多層同軸圓柱體，自內向外為纖芯、包層和涂覆層。(core,claddingandcoating)

纖芯由高度透明的材料組成，是光波的主要傳輸通道；包層的折射率略小于纖芯，形成光波導效應，使光的傳輸束縛在纖芯中，并使傳輸性能穩定。涂覆層包括一次涂覆、緩沖和二次涂覆，保護光纖不受水汽的侵蝕和機械的擦傷，同時又增加光纖的柔韌性，延長光纖壽命。多模光纖：能夠傳導多種模式的光纖，其截面尺寸較大，階躍多模光纖芯徑50m，包層直徑125m。單模光纖：只能傳導一種模式的光纖，其纖芯直徑很小，約在4~10m范圍，包層直徑125m。

第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日一般將稀土元素離子摻雜在纖芯中。主要通過其它激光器激勵。為使結構緊湊，優先使用半導體激光器作為泵浦源。20世紀80年代后期，英國南安普敦大學的佩恩（D.N.Payne）等人發展了工作于最小通信損耗窗口1550nm光纖放大器。由于泵光難以有效地耦合進光纖芯中，限制了它作為高功率的光子源。同期美國麻省寶麗來公司研究發展了包層泵浦方式，解決了這一難題。第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日雙包層結構光纖包括兩個包層。纖芯被包在比其折射率低的內層硅材料之中，內層被具有更低折射率的外層聚合物所包含。內層被設計成形狀和結構適合于有效耦合端面泵浦的高功率半導體激光器的泵浦光。由于外層的限制，進入內層的泵光傳入光纖芯，激發摻雜的離子，產生較強的光束輸出。易與光纖傳輸系統連接，大功率、寬波段、結構緊湊、運轉可靠、具有高性能性價比的光纖激光器，已經或將在航天航空、生命科學、醫學、材料科學、精密機械加工、家庭電視、廣告顯示、印刷業、光通信等領域得到廣泛應用。第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日化學激光器通過化學反應實現粒子數反轉的激光器。其工作物質多用氣體，但在化學反應的引發、粒子數反轉過程等方面的特殊性，一般不列入氣體激光器。化學反應物質本身蘊藏巨大的化學能，基本無需外界提供能力，對外依賴性很小，裝置體積不大，重量輕，對野外和軍事應用求之不得。工作物質多有毒。第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日自由電子激光器(FEL)以自由電子為工作物質的激光器。把凡是利用自由電子與電磁波相互作用所產生的從微波到X射線的受激輻射，均稱為自由電子激光普通激光發射的機理是基于工作物質中受原子或分子束縛的電子能級的躍遷。而FEL中的電子是真空中的“自由”電子。自由電子激光器一般是由電子束注入器（電子加速器）、周期變化的磁場和光學諧振腔組成。第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日被電場加速的高能電子通過極性交替變換的磁場結構時發生振蕩并產生激光輻射。輻射波長可以通過改變電子的速度（動能）和磁場極性變換周期進行調諧。1951年斯坦福大學的漢斯莫茨(HansMots)首先計算了起伏磁場中電子束的發射譜，到1975年斯坦福大學的約翰馬迪(JohnMadey)提出“自由電子激光器”這一術語，研究興趣“復蘇”。工作頻率連續可調，頻譜可從遠紅外跨越到硬X射線；峰值功率和平均功率高，且可調；相干性強，具有ps