激光原理 第六版 周炳琨编著9章

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1、典型激光器激光器种类2004年12月1日1福建师范大学物光学院 陈建新典型激光器2004年12月1日2福建师范大学物光学院 陈建新典型激光器2004年12月1日3福建师范大学物光学院 陈建新典型激光器2004年12月1日4福建师范大学物光学院 陈建新典型激光器2004年12月1日5福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器一、光泵激励1. 气体放电灯激励脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯气体放电灯能量转换环节多，辐射光谱宽，激光效率低。2004年12月1日6福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器一、光泵激励2. 半导体激光二极管激励激光二极管泵浦可采用端面与侧面泵浦两种形式。半导体

2、激光二极管波长与激光工作物质波长相匹配，能量 利用率高。2004年12月1日7福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器二、红宝石激光器2004年12月1日8福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器二、红宝石激光器2004年12月1日9福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器二、红宝石激光器2004年12月1日10福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器三、Nd激光器2004年12月1日11福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器三、Nd激光器工作物质：Nd3+Y3Al5O12 (Nd:YAG) Nd3+硅酸盐或磷酸盐(Nd玻璃激光器)2004年12月1日12福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器三、Nd

3、激光器2004年12月1日13福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器四、钛宝石激光器1.工作物质：少量Ti3+ 取代Al2O3晶体中Al3+。 2.晶格场作用，2D分裂 为2T2g（基态）和2Eg（ 激发态） 。 3.振动能级构成准连续 能带。 4.可调谐，产生660- 1180nm光谱 2004年12月1日14福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器四、钛宝石激光器2004年12月1日15福建师范大学物光学院 陈建新固体激光器四、钛宝石激光器2004年12月1日16福建师范大学物光学院 陈建新电压表电流表2004年12月1日17福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器一、He-Ne激光器可产生多

4、条激光谱线：如 632.8nm，1.15um, 3.39um1. 激励机制阴极与阳极放电产生； 激光跃迁发生于Ne原子能级间； 辅助气体He提高泵浦效率；共振能量转移2004年12月1日18福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器一、He-Ne激光器2. 谱线竞争3.39um谱线增益系数大（增益 系数与波长三次方成正比）为获得较强632.8nm激光： a.借助腔内棱镜使3.39um激光不能 起振； b.腔内插入对3.39um光吸收元件； c.借助轴向非均匀磁场，使3.39um 谱线线宽增加，降低增益；2004年12月1日19福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器一、He-Ne激光器3. 放电参数

5、对输出功率的影响对于He的亚稳态存在： 电子碰撞激发过程； 与管壁及共振能量转移消激发过程 ； 电子与He亚稳态碰撞消激发过程 当放电电流较小时， 正比于 ； 随着电流增大， 趋于饱和。 2004年12月1日20福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器一、He-Ne激光器3. 放电参数对输出功率的影响激光跃迁下能级粒子数 正比于 ； 反转集居数达到最大后，随电流增 大而减少； 适宜Pd值：降低P，电子温度上升 ，有利于激发；同时原子数过少， 功率减小。 He:Ne比例适宜：Ne比列过小降低 功率；过大，电离电位过低，电子 温度低，输出功率下降。 管壁减小有利于碰撞，释放1S能量 。2004年12

6、月1日21福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器二、氩离子激光器 放电使Ar与电子碰撞电离，形成基 态氩离子，电子组态3P5； 激光跃迁发生在3P44P和3P44S， 寿命分别为10-8s和10-9s； 488nm，514.5nm等9条激光线， 插入棱镜等色散原件得单谱线。激光跃迁上能级主要途径： 1.基态Ar+与电子碰撞直接跃迁到4P； 2. 基态Ar+与电子碰撞至高于4P其它能级 ，辐射跃迁至4P； 3.基态Ar+和电子碰撞跃迁低于4P能级后 再次碰撞跃迁至4P。2004年12月1日22福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器二、氩离子激光器4P能级积聚数增长数率为：Ar原子电离能15eV，

7、激光跃迁 上能级20eV； 降低压力（150Pa）和大电流 弧光放电激发，提高电流和激发 数率； 要求管壁材料耐高温、导热好、 抗溅射等。2004年12月1日23福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器三、CO2激光器工作物质：CO2、N2和He激光跃迁发生在CO2分子的两个 振动-转动能级之间。N2的作用 是提高激光上能级的激励效率， He有助于下能级抽空。分子总能量包括： 1、电子绕核运动的能量； 2、分子中原子振动能量； 3、分子转动能量； 4、分子平动能量。 电子能级、振动能级及转动能级 差104:102:1。2004年12月1日24福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器三、CO2激光器

8、N2一种振动方式； CO2 有三种振动方式：对称振 动、弯曲振动、反对称振动。2004年12月1日25福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器 三、CO2激光器 CO2通过以下三个过程激发到0001 1.直接电子碰撞2.级联跃迁3.共振转移2004年12月1日26福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器 三、CO2激光器激光下能级的抽空过程：阻塞在0110能级上的CO2分子 与He原子碰撞，缩短了能级 寿命。高气压下碰撞加宽占主导地位：2004年12月1日27福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器 三、CO2激光器 CO2 激光器种类：1.纵向慢流CO2激光器 2.封闭型CO2激光器 3.纵向快流

9、CO2激光器 4.横向流动CO2激光器 5.横向激励大气压CO2激光器 6.气动CO2激光器 7.波导CO2激光器2004年12月1日28福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器 四、N2分子激光器1.输出紫外光，波长 337.1nm最强，357.7nm次 之，315.9nm最弱。 2.输出功率可达107W，脉宽 小于10ns，频率数十到数千 赫。 3.作为染料激光器泵浦源。 4.激光跃迁发生在不同电子态和 的振动能级之间。2004年12月1日29福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器 四、N2分子激光器 1.激发过程：2.上下能级寿命分别为40ns 和10us。 3.上能级寿命比下能级寿命大

10、的多，在激励起始很短时间内 形成积聚数反转，超过这段时 间自行终止。 4.只能以脉冲方式运转，泵浦 放电脉冲小于40ns。 5.以火花脉冲放电方式激励。2004年12月1日30福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器 五、准分子激光器 1.准分子是一种在激发态结合 为分子，在基态解离为原子的 不稳定缔合物。 2.在某一核间距势能最小。 3.基态势能随核间距增加而单 调下降。 4.准分子跃迁到基态后即解离 ，下能级总是空的。 5.准分子含有稀有气体元素。2004年12月1日31福建师范大学物光学院 陈建新气体激光器 五、准分子激光器 6.放电方式激励。 7.以KrF*为例说明激励过程 ：KrF*准

11、分子激光器中加入He 、Ne、Ar，降低电子温度， 产生更多激发态粒子。 8.单脉冲能量可达百焦耳，峰 值功率109W，平均功率大于 200W。2004年12月1日32福建师范大学物光学院 陈建新染料激光器1.采用溶于有机溶剂的有机染 料作为激光工作物质； 2.染料是包含共轭双键的有机 化合物； 3.染料大分子电子结构：处于 基态时，2n个电子填满n个最 低能级，自旋相反，总自旋量 子数为0；处于激发状态时， 若总自旋量子数仍为0，形成 S1，S2等单重激发态；若自 旋反转，形成T1、T2等三重 态。单重态和三重态跃迁禁戒 。 2004年12月1日33福建师范大学物光学院 陈建新染料激光器4.

12、每一个电子态都有一组振动- 转动能级。电子态之间的能量间 隔为106m-1量级，振动能级间 隔为105m-1，转动能级间隔 103m-1，染料分子与溶剂分子 碰撞和静电扰动加宽，使得振动 转动能级几乎相连，形成准连续 能带。 5.跃迁过程：染料分子吸收泵浦 光由S0跃迁到S1的某一振动能 级，碰撞跃迁至S1最低振转能级 。在S1最低振转能级和S0较高 振转能级之间形成集居数反转。 具有很宽的调谐范围。2004年12月1日34福建师范大学物光学院 陈建新染料激光器 6.通常采用闪光灯、N2分子激光器 、准分子激光器、倍频Nd:YAG激光 器作为脉冲染料激光器泵浦源；连 续激光器使用氩或氙离子激光

13、器。 7.泵浦光波长必须小于激光输出波 长。 8.采用光栅、棱镜、标准具、双折 射虑光片等波长选择元件进行波长 调谐。 9.在紫外（330nm）到近红外（ 1.85um）连续可调谐输出。2004年12月1日35福建师范大学物光学院 陈建新掺杂光纤放大器掺杂光纤：在石英光纤或氟化物光纤中 掺入稀土元素，如铒（Er），钬(Ho)， 钕(Nd)，镨（Pr），铱（Yb）等，可 实现波长从可见光到红外范围放大。一、掺铒光纤放大器（EDFA） 1.最有效的泵浦波长980nm和 1480nm。 2.980nm泵浦对应三能级系统； 1480nm对应准三能级系统。2004年12月1日36福建师范大学物光学院 陈

14、建新掺杂光纤放大器3.信号光与泵浦光通过光纤耦合器注入 光纤，光隔离器避免自激振荡。 4.增益和饱和输出功率决定于泵浦功率 、信号波长、光纤长度、掺铒浓度等。 5.受激铒离子寿命10ms，长于脉冲间 隔25-400ps，增益决定于信号平均功 率。2004年12月1日37福建师范大学物光学院 陈建新二、掺镨光纤放大器（EDFA） 1.掺镨氟化物玻璃； 2.在1300nm为中心很宽范围光放大 。 3.存在受激态吸收，泵浦效率和小信 号增益低。 4.信号增益与信号波长域光纤长度有 关。掺杂光纤放大器2004年12月1日38福建师范大学物光学院 陈建新Empower Series Pulsed Gre

15、en Laser 2004年12月1日39福建师范大学物光学院 陈建新HIPPO Diode-Pumped Solid State Q-Switched Laser 2004年12月1日40福建师范大学物光学院 陈建新Quanta-Ray Lab Series Pulsed Nd:YAG Lasers 2004年12月1日41福建师范大学物光学院 陈建新3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser 2004年12月1日42福建师范大学物光学院 陈建新Spitfire Pro Ultrafast Ti:Sapphire Amplifier 2004年12月1日43福建师范大学物光学院 陈建新红宝石激光器2004年12月1日44福建师范大学物光学院 陈建新Solano Series Air-Cooled Ion Lasers 2004年12月1日45福建师范大学物光学院 陈建新HeNe Lasers - Green 543 nm 2004年12月1日46福建师范大学物光学院 陈建新HeNe Lasers - Red 633 nm 2004年12月1日47福建师范大学物光学院 陈建新Spectra-Physics VSL-337ND-S Nitrogen Laser2004年12月1日48福建师范大学物光学院 陈建新Sira