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1、常用激光器与激光损伤阈值简介 一 氦 氖 He Ne 激光器二 YAG激光器三 激光损伤阈值 1 所有的光都是原子 分子能级变化所造成的 这些特定能级差别的吸收和释放都表现成为特定波长的光 光子射出的能量 焦耳 等于h 其中h是普朗克常数 v是辐射的频率 这适用于激光和传统的发光系统 光辐射能量是在原子从高能态掉到低能态的时候放出 然而 一个原子想发光 首先必须吸收能量 使得低能态原子被打到高能态 这在激光领域叫做 泵浦 pump 所有光包括自发和激光需要一定量的能量吸收 综述 一些基本概念 原子是由位于原子中心的原子核和一些微小的电子组成的 电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动 离核愈远
2、能量愈高 当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量 只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量 而且发射或吸收的辐射是单频的 辐射的频率和能量之间关系由E h 给出 为了描述原子中电子的运动规律 所以提出了能记得概念 原子各个定态对应的能量是不连续的 这些能量值叫做能级 2 综述 激光器发光原理 激光又名镭射 Laser 它的全名是 辐射的受激发射光放大 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 1 粒子数反转 激光产生的基本条件 在通常情况下 处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数 这种情况得不到
3、激光 为了得到激光 就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目 因为E2上的原子多 发生受激辐射 使光增强 3 粒子自发地从高能级跃迁到低能级 同时发出一个光子 这一过程叫做自发辐射 综述 激光器发光原理 若处在高能级的粒子 在一个能量等于两能级之差 E2 E1 的光子作用下 从高能级跃迁到低能级并发射一个光子 这一过程称为受激辐射 与自发辐射不同 辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子 2 自发辐射与受激辐射 为了维持翻转的粒子数够多 必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上 这就需要脉冲激光 例如接下来要讲到的YAG激光器 中的脉冲氙灯 气体放电激光
4、 例如氦氖激光器 二氧化碳激光器 中的放电等能量源来提供能量了 4 显然 没有哪个自发辐射光源能达到激光光源的光谱质量 这是因为传统光源是系统处在各种能级都有的杂乱辐射状态 传统光源的基本特征是宽光谱分布 随机极化 圆形和不规则的波阵面和较低的色温 激光的发射原理不同于常规光 不是各种能级加在一起的自发辐射产生的 而是受激发射 各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上 由于维持的时间总体正态分布 大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能态上 这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平 也就是我们平常所说的激光单色性 综述 激光器发光原理 5 光谱能被吸收后 会导致原子由低能级向高能级跃迁
5、 部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出相同频率单色光谱 但所释放的光谱并无固定方向与相位 所以尚无法形成激光 谐振腔的作用是选择频率一定 方向一致的光作最优先的放大 而把其他频率和方向的光加以抑制 如图 凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外 与工作介质不再接触 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进 并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡 运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射 沿轴线运行的光子将不断增殖 在腔内形成传播方向一致 频率和相位相同的强光束 这就是激光 为把激光引出腔外 可把一面反射镜做成部分透射的 透射部分成为可利用的激光 反射部分留在腔内继续增殖光子 综述 激光器发光原
6、理 6 一 氦 氖 He Ne 激光器 1 He Ne激光器的结构和激发机理 He Ne激光器的基本结构形式 He Ne激光器可以分为内腔式 外腔式和半内腔式三种 如图所示 7 1 He Ne激光器的四能级系统 He Ne激光器是典型的四能级系统 其激光谱线主要有三条 3S 2P0 6328 2S 2P1 15 3S 3P3 39 氦 氖 He Ne 激光器 如图是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图 Ne原子的激光上能级是3S和2S能级 激光下能级是3P和2P能级 下能级E1是基态能级 上能级E3是亚稳态能级 下能级E2不是基态能级 而是一个激发态能级 在常温下基本上是空的 其激励能量要比三
7、能级系统小得多 产生激光要比三能级系统容易得多 pump 8 一 固体激光器的基本结构与工作物质 固体激光器基本上都是由工作物质 泵浦系统 谐振腔和冷却 滤光系统构成的 图5 1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图 冷却 滤光系统未画出 固体激光器的基本结构示意图 YAG激光器具有能量大 峰值功率高 结构较紧凑 牢固耐用等优点 广泛应用于工业 国防 医疗 科研等领域 用调QNd YAG的谐波泵浦的可调谐染料激光器 具有高功率 窄线宽的特点 可用于光谱学 激光医疗与生物工程等科 9 工作物质 掺钕钇铝石榴石 Nd3 YAG 工作物质 将一定比例的A12O3 Y2O3 和Nd2O3在单晶炉中进行熔化
8、结晶而成的 呈淡紫色 它的激活粒子是钕离子 Nd3 Nd3 YAG的能级结构 YAG中Nd3 与激光产生有关的能级结构如图所示 它属于四能级系统 10 掺钕钇铝石榴石 晶体是综合性能最优良的固体激光材料 Nd YAG激光棒具有高增益 激光阈值低 功率高 1064光波吸收少 热传导性和热冲击性好 适用于多种工作方式 连续 脉冲 Q开关 锁模 常用于近远红外固体激光及其倍频 三倍频应用中 并广泛应用与科研 医疗 工业 军事等领域 激光器各系统的一些基本概念 1 阈值激光器的阈值与工作物质的种类 谐振腔的损耗系数 泵灯与YAG棒之间的匹配等因素有关 激光器的阈值受工作物质的种类影响很大 YAG激光器
9、的工作物质Nd3 YAG是四能级系统 阈值较低 横模与纵摸横摸描述的是激光光斑上的能量分布情况 横模可以从激光束横截面上的光强分布看出来 如图 高斯光束的截面光强分布曲线 中心高 辐向减小 满足高斯分布 纵模是与激光腔长度相关的 所以叫做 纵模 是描述激光频率的 理论上激光腔内可以产生无数个等间距频率的光 但由于增益介质只对特定频率 谐振频率 的光产生最大增益 其他频率的光被抑制掉 即在谐振时会筛选出符合谐振频率的谐振激光 这种现象叫做模式竞争 所以 激光器一般仅输出一个特定频率的激光 左图说明在一个频率区间内 分布了5个纵模 即五个频率的激光 q 5 且强度不等 12 1 闪光灯要产生激光的
10、先决条件是有一束富含紫外和绿光的强光束照射到激光棒内 使得离子翻转密度达到阀值 一种被广泛使用的方法就是用脉冲氙灯做强光源 结构很简单 只要把氙灯的光投射到棒子上就可以了 现在绝大部分工业激光器和业余激光器都采用这种直线式氙灯结构 泵浦效率高 水冷方便 制造工艺简单 触发容易 是大部分激光采用这种结构的原因 结构 13 2 反射镜组件激光物质必须有特定的粒子结构使得粒子翻转群可以被激发到一定的密度 一般是一些晶体或者气体 液体 这些激光物质一般被放在两个镜子之间 使得能量能够经过多次来回反射而放大达到能够使用的级别 一面镜子是全反镜 反射几乎所有的光 也叫HR 一面镜子是半反镜 也叫输出镜 O
11、C 一般反射20 到80 的光 激光在两个镜子之间多次往返放大后 从这里打出来一部分做输出 反射镜组件用于选纵摸选择特定波长的窄带介质膜反射镜进行选择振荡以选纵模 窄带介质膜反射镜的反射率曲线如图5所示 实验室的YAG激光器的两面腔镜选择的是中心频率为1064nm的窄带介质膜反射镜 14 3 光学谐振腔光在腔内传播相当于不断经过光阑 因此会引起衍射 使振幅和相位的空间分布发生畸变 最后当振幅和相位的空间分布达到稳定状态时 才从输出镜输出激光 谐振腔的作用是选横模 横模是指在谐振腔的横截面内的激光光场的分布 横模阶数最低的是基模 基模有最小的光束半径 最小的光束发散角 是最理想的激光束 固体激光
12、器如果不采取特殊限模措施 通常都是多横模振荡 因此欲获得理想的激光束 必须精心设计谐振腔 使其为单横模输出 横模选择目前常用的技术是孔径选模和非稳腔选模 孔径选模的方法如凹凸谐振腔小孔选模等 15 4 固体激光器的泵浦系统 1 固体激光工作物质是绝缘晶体 一般都采用光泵浦激励 目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯 泵浦光源应满足两个条件 有很高的发光效率 辐射光的光谱特性与工作物质的吸收光谱相匹配 2 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的 因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状 所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上 必须采用聚光腔 3 如图所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激
13、光器中最常采用的聚光腔 它的内表面被抛光成镜面 其横截面是一个椭圆 椭圆柱聚光腔 4 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光 常用的冷却方式有液体冷却 气体冷却和传导冷却等 其中以液冷最为普遍 5 泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱 16 5 调Q开关最简单的q开关就是一个马达连着一个镜子 没对准的时候没有来回往复的光 可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多 在对准的瞬间释放 达到很窄而功率很大的脉冲 工业上用的比较多的有电光调Q 声光调Q等方式做的q开关 用在进一步压缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激光 方便打标 切割 实验室的YAG激光器采
14、用内调制技术锁纵模 调制器采用调Q晶体 利用调Q晶体可以实现晶体电光调Q 晶体电光调Q是一种利用晶体的电光效应来实现Q突变的方法 即利用电光晶体在外电场作用下 使入射偏振光的振动方向发生变化的效应 而人为地加入可控的等效反射损耗的方法 17 YAG激光器的工作原理 一级震荡 一级放大 一级震荡 二级放大 1 全反镜 6 半反镜 5 YAG棒产生震荡激光以后 在经过一个或者两个YAG棒放大 可得到1064nn的激光光源 2 调Q组件4 偏振器3 光阑9 倍频晶体 变频器 可以改变激光的频率 输出1064nm 532nm 355nm的激光 18 固体激光器的输出特性 1 固体激光器的激光脉冲特性
15、2 转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比 对于连续激光器 用功率描述 和脉冲激光器 用能量描述 分别表示为 一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲 或称尖峰 组成的 各个短脉冲的持续时间约为 0 1 1 m 各短脉冲之间的间隔约为 5 10 s 泵浦光愈强 短脉冲数目愈多 其包络峰值并不增加 YAG激光器工作一段时间后 输出功率 或能量 会下降 这主要是由于YAG棒劣化 泵灯老化 聚光器及YAG棒等光学元件表面污染 谐振腔二反射镜失调等原因造成的 19 3 激光器输出光束的稳定性 YAG激光器的总体效率只有百分之几 其余绝大部分输入能量都转换为泵灯 YA
16、G棒和聚光器温度升高的热能 为了维持激光器件正常工作 必须采取强迫冷却措施 冷却方法常用的有液体冷却 气体冷却和传导冷却等 其中液体冷却最常用 泵灯所辐射的光只有一小部分被激活离子吸收 其余部分或者逃逸掉或者成为有害辐射 主要危害是使YAG棒发热造成不良的热效应 各支架和反射镜调整机构应的牢靠性 机械振动对输出功率的稳定性也有影响 20 4偏振特性 输出激光的偏振特性主要取决于工作物质是各向异性 还是各向同性 另外 若谐振腔中含有偏振元件 激光输出也具有偏振性 YAG晶体是各向异性晶体 本不具有偏振性 但当谐振腔中含有偏振元件 激光输出也具有偏振性 实验室的YAG激光器谐振腔中含有调Q晶体和 4波片两个偏振元件 激光输出具有偏振性 5 方向性 激光束的方向性系指激光束在空间上的发散度 激光的发散度越小 光强越集中 传播的距离越远 激光输出的方向性主要取决于谐振腔的本征模式 为得到单横模振荡 必须对横模采取选模措施 另外 谐振腔的调整等因素也会影响激光束的方向性 谐振腔调整得不好 会使发散角增大方向性变差 6 光谱特性 固体激光器通常是多纵模工作 当要求高能量 单纵模输出时 需要采取锁纵
