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1、典型激光器 1、 常见激光器概述 按激光工作介质: 固体激光器 (光纤激光器) 气体激光器 半导体激光器 染料激光器 自由电子激光器 激光器的分类激光器的分类 按化学组成: 原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器 准分子激光器 已记录到的激光振荡波长有一万种以上。 激光运转方式: 连续 脉冲 单脉冲 重复频率 准连续 激光调制方式 自由运转 调Q 锁模 1. 固体激光器 分为晶体和玻璃两类,在基质材料中掺入激活离 子而制成。 目前已实现激光振荡的不同基质掺杂体系的 工作物质有200多种,但是,性能好,使用广泛的主 要有下面三种。 (1)钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质
2、 = 1.053 m 由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃,因而可制成大 型器件,获得高能量和功率的激光,现已制成输出功率 1014W激光器。 (2)红宝石激光器 工作方式:连续、脉冲 发 散 角 : 10-3rad,一般为多模输出; 泵浦功率阈值1020%单模 工作物质:红宝石晶体 输出波长: 输出线宽: (3)掺钕钇铝石榴石( Nd :YAG) 输出波长: = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式:连续、高重复率脉冲 工作物质:YAG晶体内掺进稀土元素钕 因可掺进较高浓度的钕,故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率,激光器也可作的比较小,若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
3、 Applications Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究 (4)连续波可调谐钛蓝宝石激光器 3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser 输出波长从675到1100nm 由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦 TEM00输出功率可达3.5W cw The high-performance, tunable, solid state IR laser 2. 气体激光器 工作物质
4、:各种混合气体,光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm4mm) 工作方式:连续运转(大多数) 多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。 原因:通常气体气压低,单位体积内粒子 数少。 (1)氦-氖激光器 工作物质:氦氖混合气体 激光由氖原子发射,氦气起改善气体放电条件 ,提高激光器输出功率的作用。 输出波长:常用的为 =632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。 (=3.39m ;=1.15m) (2)CO2 激光器 工作物质: CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射,其
5、它气体协助改善激 光器的工作条件,提高激光器输出功率水平和使用 寿命。 输出波长: =10.6m CO2 激光器是输出 功率最高的气体激光 器,有连续输出50kW ;脉冲输出1012W的激 光器。 (3)氩离子气体激光器 输出波长: =488nm; =514.5 nm ; 在可见光区输出功率最高,输出功率从几瓦几百瓦。 氩/氪离子激光器,Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser 氦-镉激光器 以镉金属蒸气为发光物质,主要有两条连续 谱线,即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光,典型输出功率分别为125mW和1100mW。主 要应用领域包括活字印
6、刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。 俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器 铜蒸气激光器 一般通过电子碰撞激励,两条主要的工作谱线是 波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光,典型脉冲宽度 1050nS,重复频率可达100KHz。当前水平一个脉冲 的能量为1mJ左右。这就是说,平均功率可达100W,而 峰值功率则高达100KW。 氮分子激光器VSL-337ND -S Nitrogen Laser 脉冲放电激励输出紫外光,峰值功率可达数十兆瓦, 脉宽小于10nS,重复频率数十Hz数千Hz,主要用作染 料激光器的泵浦源,也可用于光谱分析、检测、医学及 光化学方面。常见波长
7、:337.1nm、357.7nm (3)氮分子激光器 3. 半导体激光器 特点:体积最小、重量最轻,使用寿命长,有 效使用时间超过10万小时。 输出波长范围:紫外、可见、红外 输出功率:mW、W、kW。 由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。 DFB半导体激光器示意图 DBR半导体激光器示意图 垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL) 量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs) 基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。 光纤耦合(尾纤型-pigtail package)半导体激 光器件 ProLi
8、te型光纤耦合单发射激光器 2、 常见激光器工作特性 1、固体激光器 A、固体激光器基本结构及特性 1.激光工作物质 2.泵浦源 3.聚光腔 4.谐振腔 5.冷却系统 固体激光器的能量转换 固体激光器阈值 阈值条件: 即 受激辐射截面 红宝石2.5E-20 cm2 Nd3+:YAG2788E-20 cm2 Nd3+:Glass3E-20 cm2 阈值反转粒子数: 光谱特性 多纵模工作 空间烧孔效应 高增益 多模利用充分利用了反转粒子数,有利于锁模 高注入,高输出伴随激光线宽增加 激光束的方向性 激光的偏振特性 u偏振性主要取决于工作物质 u各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力 双折射,激光
9、输出具有部分偏振特性。 u在谐振腔中有偏振元件,激光输出也会具有偏 振性 B、固体工作物质 基质 氧化物:Al2O3,YAG,YAP 磷酸盐,硅酸盐: CaWO4 钨酸盐,钼酸盐,钒酸盐和铍酸盐: YVO4 氟化物: YLF 玻璃:磷酸盐、硅酸盐 1. 稀土离子 钕(Nd3) 实现了100多种基质中获得受激发射 以0.9um,1.06um,1.35um为中心,可实现若干频率 的受激发射 铒(Er3) 实现了YAG,YLF,YAP,LaF3,CaWO4,CaF2, 玻璃基质中的受激发射。 1.531.66um内实现激光发射,属人眼安全波长。 常用的Er3:YAG经敏化,最易其振,输出波长为 2.
10、9um。 钬(Ho3) 掺Er:Tm:Ho的YAG和YLF,输出波长1.9-2.1um 掺Cr代替Er敏化,Cr:Tm:YAG激光器可有效吸收 闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。 激活离子 铥(Tm3) 与Cr或Ho一起实现YAG,YLF的高效闪光灯及二 极管泵浦激光输出。 二极管泵浦Tm:YAG实现2.01um输出 二极管泵浦Tm:Ho:YAG实现2.09um输出 高效闪光灯泵浦Cr:Tm:YAG实现1.945um和 1.965um的可调输出 镨Pr3,钆Gd3,铕Eu3,镱Yb3,铈Ce3 二极管泵浦的Yb:YAG激光器 二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器 钐Sm2,镝Dy2,铥Tm2 液氮
11、冷却的作用下,CaF2中产生过激光作用。 2. 锕系离子 掺0.05%铀(U)的CaF2成功用于激光器,输出2.6um 。 3. 过渡金属 铬(Cr3+) 红宝石(Cr3+:AL2O3),紫翠宝石(绿宝石,金 绿宝石,翠绿宝石,Cr3:BeAl2O4) 钛蓝宝石(钛宝石,Ti3:AL2O3) Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。 敏化剂 在晶体中除了发光中心的激活离子外,再掺入一种或多种 施主离子,主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量, 并将吸收到的能量转移给激活离子。 双掺或多掺杂晶体生长困难,工艺复杂。 1、红宝石的基本特性 Cr3+:Al2O3六方晶系,负单轴晶体 吸收光谱 能
12、级结构 掺杂浓度1.58E19(cm-3) 受激辐射截面2.5E-20(cm2) 波长694.3nm 荧光寿命3.0ms 量子效率0.7 谱线线宽11(cm-1),5.3(埃) Nd:YAG的基本特性 Nd3:Y3Al5O12立方晶系,光学各向同性 掺杂浓度1.38E20(cm-3) 受激辐射截面88E-20(cm2) 波长1064nm 荧光寿命230us 量子效率1 谱线线宽4.5(埃) 吸收光谱 发射光谱 Emission Pumping Ti:Sapphire 钛蓝宝石 可调谐(660-1180nm) Er:YAG 其它固体工作物质 C、固体激光器的光泵浦系统 1、惰性气体灯 结构 管壁
13、 电极 接头 气体 脉冲灯的发射光谱 2、激光二极管 光谱特性 1、端面泵浦 2、侧面泵浦 3、基于内反射的泵浦构型 A、泵浦方式 3、泵浦耦合技术 B、耦合光学系统 聚光腔聚光腔 3、泵浦耦合技术 聚光腔材料选择 金属:铝轻型系统 铜热膨胀系数小,导热率高 不锈钢不生锈,光洁度高,热导率低 玻璃:易碎,导热性差,不生锈,耐腐蚀 陶瓷:易碎,导热性差,不生锈,耐腐蚀 金属材料的反射率 B、耦合光学系统 3、泵浦耦合技术 C、LD泵浦全固态激光器(DPSSL)的的技术发展 平均功率:110W 重复频率:130kHz; 脉宽:230ns 不稳定性: 1 atm 一定压力的CO2, N2, He混合
14、的气体分子激光器 v 波长 9-11um,最常见10.6um v 效率高,功率范围大(几瓦几万瓦) v 光束质量好 v 运行方式多样,结构多样 CO2激光器中,加入其中的氦有利于激光下能级 抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用 ,为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的 激光输出起到强有力的作用。 44 CO2激光器结构图 1、激光管,包括:放电管、水冷套管和储气管; 2、光学谐振腔,常用平凹腔,反射镜镀金膜,反射率达98.8 且化学性质稳定。反射镜需要应用透红外光的材料. 3、电源及泵浦:封闭式CO2激光器的放电电流较小,采用冷电 极,阴极用钼片或镍片做成圆筒状。3040m
15、A的工作电流,阴 极圆筒的面积500cm2,不致镜片污染。 45 激励 或 或 受激辐射 下能级排空(碰撞排空) 工作过程 放电,气体电离产生电子 46 激光器类型 v封离型纵向激励CO2激光器 v高功率轴快流CO2激光器 v高功率横流CO2激光器 v横向激励高气压CO2激光器(TEA) v波导CO2激光器 运行方式运行方式 47 48 He-Ne激光器 v 气体原子激光器 v 输出谱线:632.8nm,1.15um,3.39um,以632.8nm为最 常见。 v 功率在mW级,最大1W v 光束质量好,发散角可小于1mrad v 单色性好,带宽可小于20Hz v 稳定性高 工作物质:He Ne混合气体,体积比8:2,少量N2 49 工作过程 形成粒子数反转(能级寿命上10-7s :下10-8s) 2、He与电子碰撞 1、放电:He电离产生电子 3、能量共振转移 50 4、受激辐射 5、紫外辐射 6、下能级排空 通过Ne与管壁的碰撞,管 壁发热放电管很细(2-3mm), 加大碰撞几率,利于碰撞发生。 51 Ar离子激光器 v 气体离子激光器 v 连续工作的氩离子激光器可以有9条蓝绿光谱线。 主要波长488nm,514.5nm v 常见功率几十瓦,最高500W v 直流放电泵浦,能量转换效率低 激光跃迁上能级粒子数集聚主要有三种 途径: a,基态氩离子与电子碰