《激光原理与技术15资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光原理与技术15资料（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、激光原理与技术 西安电子科技大学 物理与光电工程学院 刘继芳 第六章典型激光器简介 6.1 激光器分类 1. 固体激光器固体激光器 连续激光器、脉冲激光器 红宝石(世界上第一台激光器)、 YAG、钛宝石 一、按激光器工作物质的状态 2. 气体激光器气体激光器 He-Ne、Ar+、N2、He-Cd、铜蒸汽 3. 半导体激光器半导体激光器GaAs、IP、GaN、 4. 光纤激光器光纤激光器 二、按激光器输出方式 三、按泵浦方式光激励、电激励、其他 第六章典型激光器简介 一、He-Ne激光器 6.2 电泵浦气体激光器 最早研制成功的气体激光器 在可见光和红外可产生多条谱线， 最强633nm、1.15
2、m、3.39m 气体放电泵浦方式 输出功率依放电管长度 mW数十mW 工作物质Ne，辅助气体He提高泵浦效率 He:Ne5:1 相关激光产生的He、Ne能级如图 170 160 150 140 130 120 能 量 /(103cm-1) 21S0 23S1 He 11S011S0 电 子 碰 撞 激 励 Ne 3S 2S 2 5 2 5 1 4 10 1 4 10 3P 2P 1S 3.39m 632.8nm 1.15m 自发辐射跃迁 共振能 量转移 无辐射跃迁 633nm：3S22P4 He-Ne多产生 633nm激光 阴极发射e向阳极运动 同时被电场加速 基态He与e非弹性碰撞激发到21
3、S0 1.15m：2S22P4 3.39m：3S23P4 21S0为亚稳态，可积累大量He 基态Ne与21S0的He(He*)非弹性碰撞激发到3S2共振能量转移 3S2寿命100ns，2P4寿命10ns 3S22P4间形成集居数反转 6.2 电泵浦气体激光器 波长选择： 为获得强的632.8nm输出，采用以下方法抑制3.39 m辐射的产生： 632.8nm和3.39m两条谱线有相同上能级，其间存在强烈的竞 争。由于G3，较长的632.8nmHe-Ne激光器，虽然反射镜对 632.8nm具有高的反射率，仍然会产生较强的3.39m波长的放大 的自发辐射和激光，这将使上能级集居数减少而导致632.8
4、nm激 光功率下降。 632.8nm、1.15m、3.39m那一条谱线起振，由谐振腔介质膜 反射镜的反射波长选择。 借助腔内棱镜色散使3.39m激光不能起振； 在腔内插入对3.39m波长的光吸收元件(如甲烷吸收盒)； 借助轴向非均匀磁场使3.39m谱线线宽增加，从而使其增益下降。 6.2 电泵浦气体激光器 影响He-Ne输出功率的因素除尺寸、腔损耗和输出耦合外，还有： 气体放电电流参数、充气气压、He、Ne比例、毛细管的管径。 气体比例：Ne原子比例过小无疑会使输出功率减小，但Ne的电离 电位较低，其比列过大会因电离过多而使电子数目增加， 在较小的电场下就能维持一定的放电电流，低电场导致 电子
5、温度下降使激发速率降低，从而输出功率随之降低。 输出功率： 气压与管径：输出功率与充气压强p和管径d有关，存在一使输出功率 最大的最佳pd值。最佳pd值约为(4.85.3)102Pa mm。 放电参数：输出功率并不随放电电流的增加单调上升，其间存在一 输出功率最大的最佳放电电流。这是因为在放电管中， 不仅存在激发过程，也不可避免的存在消激发过程。 6.2 电泵浦气体激光器 二、Ar+激光器 35 30 25 20 15 10 5 能 量 / eV Ar Ar+基态 3P5 a 72nm c b 3P44P 3P44S 激光 亚稳态 Ar原子电子组态3P6 Ar原子与电子碰撞 基态Ar+(3P5
6、) Ar+激发态3P44P、 3P44S有若干 电子组态，其间跃迁有9条谱线。 最强：488nm、515.5nm 集居数翻转途径： a. 基态Ar+直接与电子碰撞4P b. 基态Ar+与电子碰撞高于4P能级 再级联辐射4P c. 基态Ar+电子碰撞低于4P的亚稳态 再与电子碰撞4P 6.2 电泵浦气体激光器 Ar电离能量(15eV)和激光上能级的激发能量(20eV)较高，激光运转 所要求的平均电子动能(温度)很高。 为提高放电电流密度，加 轴向磁场，利用洛仑兹力 约束电子和离子。 ， 为了提高电子温度，充气压强一般106A/m2)。 Ar+ 激光器的输出功率随放电电流的增加而迅速增长，但放电电
7、 流过大也会因多重电离出现和高温引起谱线加宽而导致输出功率 下降。 反射镜 磁场 陶瓷管 放电电源 回气孔 激光激光 钨盘 冷却水 6.2 电泵浦气体激光器 分子总能量：分子总能量： 量子化的 (1) 电子绕核运动动能 CO2激光器的特点：输出功率大，能量转换效率高，输出波长 (10.6m)正好处于大气窗口。应用于激光 加工、医疗、大气通信及其它军事领域。 电子能级:振动能级:转动能级=104:102:1 三、CO2激光器 CO2激光器工作物质：CO2、N2、He混合气体 激光跃迁发生在CO2电子基态的两个振动转动能级之间 N2提高激光上能级的激励效率 He帮助抽空激光下能级的。 (2) 原子
8、振动动能 (3) 分子转动动能 (3) 分子平动动能 6.2 电泵浦气体激光器 CO2有三种振动方式：对称、弯曲、反对称振动，如图。 用量子数表示 几率大 激发过程： 00011000: 10.6 m 图示为与激光有关的振动能级图示为与激光有关的振动能级 0000态CO2与e碰撞直接 0001 321 l OCO OCO OCO 1 23 3000 2000 1000 0 能 量 / (102m-1) E18cm-1 =1 =0 0001 1000 0200 0110 0000 10.6m 9.6m 碰撞 碰撞 碰撞 00010200: 9.6 m 0000态CO2与e碰撞 000n 0001
9、 =0 e碰撞 =1 亚稳态 0000态CO2与N2(=1)碰撞 0001 6.2 电泵浦气体激光器 CO2激光器谐振腔一般采用平凹腔。高反射镜采用金属镜 输出耦合镜用Ge、GaAs等材料制成 CO2种类较多，主要有4种： 纵向流动、横向流动、封离型、波导 主要是碰撞过程 激光下能态抽空过程： 1000、0200 态CO2与0000态CO2碰撞 0100，且 1000、0200 、0100态达热平衡，满足玻尔兹曼分布 0100态CO2与 0000态CO2碰撞返回基态的概率很小 0100态CO2与 基态He碰撞大大减小该能级寿命 CO2激光器种类 6.2 电泵浦气体激光器 1. 纵向慢流纵向慢流
10、CO2激光器激光器 结构类似于内腔式He-Ne激光器，气体从放电管的一端流入， 另一端抽出。气流、放电电流均和光轴方向一致。 气体流动的目的是排除CO2与电子碰撞是分解出来的CO气 体，并补充新鲜气体。 放电电流密度和气体压强均有一使输出功率最大的最佳值。 在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为5060W/m。 气流方向与光轴垂直，气体流动截面大，流动路径短，因 此较低的流动速度就可达到纵向快流的同样冷却效果。而且其 最佳压强可达1.3104Pa，提高激光输出功率。 一般采用纵向放电。此类激光器单位长度的输出功率可达 每米数千瓦，总输出功率已达120kW。 2. 横向流动横向流动CO2激光器激
11、光器 6.2 电泵浦气体激光器 在放电气体中加入催化剂O2促使CO2分子分解的CO和O 重新结合为CO2 选用不和O2起作用的阴极材料以保证激光器中有足够的 O2与CO重新结合为CO2 通常也加入少量的H2O或H2作催化剂 封离型光器的输出功率水平与纵向慢流激光器相当。 由BeO或玻璃制成的放电管径仅14mm 放电管管壁对小角度掠射光的反射率很高，于是可低损耗 地传输波导模。 可采用纵向放电方式，也可采用横向射频激励。气压可高 达 (1.52.5)104Pa，输出功率为50W/m，适于制作输出功率小 于30W的小型封离型激光器。 3. 封离型封离型CO2激光器激光器 4. 波导型波导型CO2激
12、光器激光器 6.2 电泵浦气体激光器 1. 灯泵浦灯泵浦 泵浦方式： 一般采用光泵浦方式！但又可细分为： 脉冲激光器采用脉冲氙灯 6.3 固体激光器 连续激光器采用氪灯或碘钨灯 全反射镜 工作物质 聚光镜 部分反射镜 激光 灯 通常采用椭圆或紧包聚光腔通常采用椭圆或紧包聚光腔 椭圆聚光腔的结构如图所示：内壁镀有高反射层的 椭圆柱聚光腔中，激光棒和激励灯置于两个焦点上 紧包腔中，激光棒和激励灯贴近平行放置，外裹一 紧包圆柱腔，内壁镀高反射层。 灯泵浦椭圆腔灯泵浦椭圆腔 光泵浦灯结构光泵浦灯结构 6.3 固体激光器 端面泵浦方式端面泵浦方式 如图： 半导体激光器电光转换效率高，发射谱线正好对准某些
13、激光 材料的吸收峰，泵浦效率高。 2. 半导体激光器半导体激光器(LD)泵浦泵浦 LD M1 M2 工作物质 侧面泵浦方式侧面泵浦方式 如图： 全反射镜 反射板输出镜 LD阵列 工作物质 6.3 固体激光器 端面泵浦结构端面泵浦结构 侧面泵浦结构侧面泵浦结构 6.3 固体激光器 红宝石是在Al2O3中掺入少量的Cr2O3生长成的晶体。激活铬离 子(Cr3+)与激光产生有关的能级结构如图所示，属三能级结构。 一、红宝石一、红宝石(Cr3+:Al2O3) 其激发态E3为4F1和4F2能带，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。 荧光谱线有两条：中心波长分别为0.6943m和0.6929m 。
14、 图2.4-3红宝石中Cr3+的能级结构图2.4-4红宝石中Cr3+的吸收光谱曲线 能级结构 Cr3+吸收光谱 Nd3+:YAG是将一定比例的A12O3、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中进行熔 化，并结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3+)，与 激光产生有关的能级结构如图所示，属于四能级系统。 4I11/2相应于基态E1。 其激光上能级E3为4F3/2，激光下能 级为4I13/2、 4I11/2，荧光谱线波长为 1.35m、1.06m。 二、掺钕钇铝石榴石二、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG) Nd3+:YAG的能级结构 能量(103cm1) 10 12 8 6 4 2 0 4F3
15、/2 4I15/2 4I13/2 4I11/2 4I9/2 1.06m1.35m 由于1.06m比1.35m波长的荧光强 约4倍，所以在激光振荡中，将只产 生1.06m的激光。 Nd3+:YAG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这 就使得它适于连续和高重复率工作。 YAG是目前能在室温下连续工作的惟一实用固体工作物质，在中 小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用 Nd3+:YAG的量，远远超过其它固体工作物质。 三三、 其它常用的固体工作物质其它常用的固体工作物质 钕玻璃是在玻璃基质中掺入一定比例的Nd2O3制成的。它的激活粒 子是钕离子(Nd3+)，其能级结构、
16、光谱持性与Nd3+:YAG大致相同， 激光振荡谱线也是1.06m。 1. 钕玻璃钕玻璃 因容易制成大尺寸、光学均匀性好的材料，而在大能量、大功率激 光器中有着广泛的应用。缺点是导热率太低，热膨胀系数太大，不 适于作连续和高重复率工作的激光器件。 Nd3+：YAP的主要特点是能掺入较高的钕或其它稀土离子，具 有较高的储能能力和转换效率，并且晶体的生长速度快。其缺 点是破坏阈值低，热畸变较严重。 3. 氟化钇理(YLF) Nd3+:YAP的物化、机械等性能的可与Nd3+:YAG相媲美。它的激 光谱线波长是1.0795m和1.0645m。 晶体的主要特点是适于多种稀土离子掺杂和敏化，能在室温下实 现从可见蓝光到中红外光多种波长的激光跃迁。 2.掺钕铝酸钇(Nd3+:YAP) 掺入激活离子铽(Tb3+)，并以钆(Gd)敏化，便能产生0.5445m的
