激光技术与激光器

1、激光技术与激光器激光技术与激光器 1 2 激光激光 lLaser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation l通过受激辐射而产生，放大的光，即受激辐射的光放大。 l特点：单色性极好，发散度极小，亮度（功率）可以达到很高。 l爱因斯坦在1916年提出受激辐射的概念。 l1958年，美国科学家汤斯和肖洛发现了一种神奇的现象：当他们将氖光 灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始 终会聚在一起的强光。 l激光原理激光原理：物质在受到与其分子固有振 荡频率相同的能量激发时，都会产生这 种不发散的强光-激光。 l

2、他们分别获得1964年和1981年的诺贝尔 物理学奖。 3 激光器激光器 l激光器：能发射激光的装置，利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中 放大或振荡发射的器件 1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束 1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围 1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器：利用一个高强闪光灯 管，来刺激红宝石 1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器 1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。 4 激光器的基本结构激光器的基本结构 激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔工作物质、泵浦源和光学谐振腔

3、三部分构成。 工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用源泉之所 在。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作物质类型 不同,采用的泵浦方式不同。 光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈,同时,谐振腔的参数影响输出 激光束的质量。 5 激光器分类激光器分类 按照激光工作物质按照激光工作物质 l气体激光器气体激光器 气体和金属蒸气作为工作物质。 根据气体工作物质为气体原子气体原子、气体分子气体分子或气体离子气体离子,又可将气体激光 器分为原子激光器原子激光器、分子激光器分子激光器和离子激光器离子激光器。 6 原子激光器原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子,

4、激光跃迁发生在气 体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰 性气体和镉、铜、锰、锌、铅等金属原子蒸气。原子激光器的典型代表 是He-Ne激光器激光器。 分子激光器中分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发生在气 体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、 N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2 激光器激光器。 准分子激光器准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激发态暂时 结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁产生于其束缚态和自由 态之间。采用的准分子气体主要有XeF* 、KrF* 、

5、ArF* 、XeCl* 、 XeBr* 等。其典型代表为XeF*准分子激光器准分子激光器。 离子激光器离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子,激光跃迁发生在气 体离子的不同激发态之间。采用的离子气体主要有惰性气体离子、分子 气体离子和金属蒸气离子三类。其典型代表为Ar+ 激光器激光器。 7 l激励方式激励方式 气体激光器一般采用气体放电激励,还可以采用电子束激励、热激励 、化学反应激励等方式。 l波长范围：波长范围： 气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外远红外波段 l特点：特点： 激光谱线上万条,具有输出光束质量高(方向性及单色性好)、连续输出 功率大(如CO2 激光器)等输出特性,其

6、器件结构简单,造价低廉。 l应用应用 气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领域,如计 量、材料加工、激光医疗、激光通信、能源等方面。 1961年,第一台气体激光器He-Ne激光器问世。 8 固体激光器固体激光器 l固体激光器以固体激光介质作为工作物质。 l固体工作物质通常是在基质材料,如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子 (称为激活离子),激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间。 l用作激活离子的元素可分为四类: 三价稀土金属离子三价稀土金属离子、二价稀土金属离子二价稀土金属离子、过渡金属离子过渡金属离子和锕系金属离锕系金属离 子子。 l固体激光器的典型代表是红宝石(Cr3+:Al

7、2O3 )激光器、掺钕钇铝石榴石 (Nd3+:YAG)激光器、钕玻璃激光器和掺钛蓝宝石(Ti 3+:Al2 O3 )激光器。 9 固体激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有闪光灯和半导体激光二极管 两类。 固体激光器的波长覆盖范围主要位于可见光近红外波段,激光谱线数 千条,具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲激光器,单脉冲输出能量可达数 万焦)、运转方式多样等特点。器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光 纤耦合进行光纤传输。 固体激光器主要应用于工业、国防、科研、医学等领域,如激光测距、 材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。 10 液体激光器液体激光器 l液体激光器的工作物质分为二类:有机化合物

8、液体有机化合物液体(染料), 无机化合物无机化合物 液体液体。其中,染料激光器是液体激光器的典型代表。常用的有机染料有四 类:吐吨类染料、香豆素类激光染料、恶嗪激光染料和花青类染料吐吨类染料、香豆素类激光染料、恶嗪激光染料和花青类染料。 l染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和闪光灯泵浦 l染料激光器的波长覆盖范围为紫外到近红外波段(300nm1.3m),通 过混频等技术还可将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段。激光波长 连续可调谐是染料激光器最重要的输出特性。器件特点是结构简单、价 格低廉。染料溶液的稳定性比较差是这类器件的不足。 l染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光谱学、

9、光化 学、同位素分离、光生物学等方面。 l1966年,世界上第一台染料激光器由红宝石激光器泵浦的氯铝 钛花青染料激光器问世。 11 半导体激光器半导体激光器 l半导体激光器也称为半导体激光二极管, 简称激光二极管(Laser Diode,缩 写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子 运动规律的特殊性,使半导体激光器的工作特性有其特殊性。 l半导体激光器以半导体材料为工作物质。常用的半导体材料主要有三类 A A 族化合物半导体族化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等 B A族化合物半导体族化合物半导体,如硫化镉(CdS)等 AA族化合物半导体族化合物半导体

10、,如碲锡铅(PbSnTe)等 l根据生成pn结所用材料和结构的不同,半导体激光器有同质结、异质结( 单、双)、量子阱等多种类型。 l半导体激光器采用注入电流方式泵浦。 12 l 半导体激光器波长覆盖范围一般在近红外波段(920nm1.65m),其中 1.3m与1.55m为光纤传输的两个窗口。 l半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型 化、结构简单、使用寿命长(一般可达数十万乃至百万小时以上)等突 出特点。 l半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医 疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直及激光医疗等方面。 l1962年,世

11、界上第一台半导体激光器GaAs激光器问世。 13 化学激光器化学激光器 l化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光辐射的。工 作物质可以是气体或液体,但目前主要是气体,如氟化氢(HF)、氟化氚(DF) 、氧碘(COIL)等。 l化学激光器采用化学能激励。为促成工作物质的化学反应,一般需采用一 些引发措施,如光引发、电引发、化学引发等。 l化学激光器的波长覆盖范围为紫外到红外波段,直至微米波段,功率高、能 量输出高,无需外界提供泵浦源,可将化学能直接转换成激光能量是其突出 特点,特别适合于野外等无电源处工作。 l化学激光器主要应用于国防、科学研究等领域,如激光武器、同位素分离 等。

12、l1964年,第一台光解离碘原子化学激光器问世。 14 自由电子激光器自由电子激光器 l自由电子激光器是一种新型激光器。 l自由电子激光器的工作物质是相对论电子束。所谓相对论电子束是 指通过电子加速器加速的高能电子。自由电子激光器将相对论电子 束的动能转变为激光辐射能。 l自由电子激光器的泵浦源为空间周期磁场或电磁场。 l具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐是自由电子 激光器两个最显著的特点。 l自由电子激光器在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的应用 前景 15 X X射线激光器射线激光器 X射线激光器输出激光波长位于X射线波段(110nm)。 X射线激光器工作物质为高度电离的

13、等离子体,采用光泵浦,但需要 特殊的X射线泵浦源。 16 光纤激光器光纤激光器 l工作物质工作物质:以掺入某些激活离子的光纤,或者利用光纤自身的非线性光学效 应制成的激光器。 l分类：分类： 晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非 线性光学效应光纤激光器线性光学效应光纤激光器。 l泵浦方式泵浦方式主要采用半导体激光二极管泵浦。 l特点：特点： 光纤激光器是一种新型的激光器件,具有总增益高、阈值低、能量 转换效率高、很宽的波长调谐范围及器件结构紧凑等突出特点,在远距离 光纤通信等领域显示出了广阔的应用前景。 l1963年,

14、第一台光纤激光器Nd2O3 光纤激光器问世 17 按照激光器工作方式划分按照激光器工作方式划分 激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式 连续激光器 脉冲激光器 按照激光技术的应用分为 调Q激光器 锁模激光器 稳频激光器 可调谐激光器等 按照谐振腔腔型的不同分为 非稳腔激光器 平面腔激光器 球面腔激光器等类型 气体激光器气体激光器 18 19 气体激光器气体激光器 气体放电激励基础气体放电激励基础 所谓气体放电,是指在高电压作用下,气体分子(或原子)发生电离而导电。 常用气体激光器的气体放电属于弱电离气体放电,其气体电离度一般不超 过0.1%。 分类分类 直流连续放电直流连续放电 指在气体激光器

15、放电管两电极间加上可调的直流电压。调节放电管两端 的电压或电阻，测出相应的放电电流，即可得到放电管直流连续放电的 伏安特性曲线。 20 点所对应的管压降称为着火电压着火电压，也称起辉电压起辉电压，或击穿电压击穿电压。 AD段为非自持放电阶段。放电电流虽然随端电压升高而增加,但其值 很小。此时若去掉外界电离源,放电电流则很快减小直至放电终止。 此阶段的放电电流范围一般在10 -20-10 -11 A之间。 21 D点以后,则为自持放电阶段,原因阴极产生二次电子发射 DE段叫作自持暗放电,放电不稳定 平坦的EF段。该区域的特点是电流增加,但管压降几乎保持不变,放 电管内出现明暗相间的辉光,称之为正

16、常辉光放电正常辉光放电。辉光放电阶段, 由于二次发射的电子随电场的增加而迅速增加,故当放电管端电压略 有增加时,放电电流就增大很多。辉光放电的电流范围一般在10-4 10-1 A之间 FG段则为反常辉光放电阶段。此阶段管压降随着电流增加而增加。 反常辉光放电阶段,阴极溅射很强烈,放电管一般应避免在此状态下 工作。 22 G点所对应的电压叫做弧光着火电压弧光着火电压。 过G点后,放电管管压降再次迅速下降,放电电流快速增大,放电管 中发出耀眼的弧光,称之为弧光放电。 弧光放电的GH段呈现出负阻特性,放电不稳定。 HK段为稳定弧光放电阶段,放电电流一般大于10-1A。 辉光放电辉光放电 高电压、小电

17、流高电压、小电流(几毫安至几十毫安几毫安至几十毫安)放电放电,是一种稳定的是一种稳定的 自持放电。自持放电。 He-Ne激光器与激光器与CO2 激光器都是工作在辉光放电区域。激光器都是工作在辉光放电区域。 23 弧光放电弧光放电 低电压大电流(几十安至几千安)的自持放电。 弧光放电的着火电压一般比辉光放电的着火电压高,但对阴极表 面积和电子逸出功都很小的放电管而言,其弧光着火电压也可低 于辉光着火电压。 弧光放电弧光放电分类 热阴极弧光放电热阴极弧光放电、 冷阴极弧光放电冷阴极弧光放电 人工阴极弧光放电人工阴极弧光放电 Ar+ 激光器工作于弧光放电区域。 24 高频放电高频放电 l高频放电也叫

18、做射频气体放电射频气体放电。所谓射频射频,通常指频率在几兆到几百兆通常指频率在几兆到几百兆 范围内的电磁波。范围内的电磁波。 l当两电极间施加高频交变电场后,由于带电粒子在两电极之间的渡越时 间远大于电场的变化周期,使得电子不能再做长距离的运动,而只能在某 个固定位置附近振荡,并在振荡过程中与气体粒子碰撞,产生电离和激发, 以维持放电。射频放电时,由于电子不断来回运动使电子飞越的路程增 大,从而使电子与气体粒子碰撞的次数增加,电离能力极大提高,也使得作 为电子来源的阴极的重要性大为减弱。因此,射频放电可以用内电极,也 可以用外电极,甚至可以不用电极。 l20世纪70年代,射频气体放电技术成功地

19、应用于大功率输出CO2 激光器, 并已展示出其广阔的应用前景。 25 脉冲放电脉冲放电 l放电管两电极间施加脉冲电压时,即产生脉冲放电。按放电电流密度的 大小,放电管内可产生脉冲辉光放电和脉冲弧光放电。 l按所加电压的交变状态,可分为直流脉冲放电和交流脉冲放电。按脉冲 持续时间,又可分为短脉冲放电和长脉冲放电。 l准分子激光器采用脉冲放电方式。 l大功率高气压气体激光器多采用短脉冲放电方式。 l气体放电除上述三种放电方式外,还有火花放电火花放电和电晕放电电晕放电等方式。 26 气体放电中的粒子碰撞与激发、电离过程气体放电中的粒子碰撞与激发、电离过程 l在气体放电中,带电粒子(电子和离子)与中性

20、气体粒子(原子或分子 )之间的碰撞决定着放电进行的情况。其中,有两种基本的碰撞过 程影响着器件粒子数反转分布的建立和维持。第一种过程是电离第一种过程是电离 ,它对于维持放电是不可或缺的它对于维持放电是不可或缺的;第二种过程是激光上、下能级粒第二种过程是激光上、下能级粒 子的激发与消激发。子的激发与消激发。 l粒子的碰撞一般可分为两类:弹性碰撞弹性碰撞和非弹性碰撞。非弹性碰撞。 l在气体激光器工作物质的激发与电离过程中,粒子的碰撞都属于非非 弹性碰撞弹性碰撞。 l非弹性碰撞又可分为第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞和第二类非弹性碰撞。第二类非弹性碰撞。 27 第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞 l第

21、一类非弹性碰撞指一个粒子的动能转变为另一粒子内能的碰撞第一类非弹性碰撞指一个粒子的动能转变为另一粒子内能的碰撞。其最 常见的形式之一就是快速电子与气体粒子发生碰撞激发和电离 l在碰撞过程中,快速电子失去能量,速度变慢,气体粒子得到能量被激发 到高能态或被电离。 电子的能量大于或等于气体粒子的激发态能量时,碰撞激发过程则有可 电子能量等于或大于气体粒子的电离能时,碰撞电离过程便可以发生其 电离过程可表示为 l电子和气体粒子的碰撞,还可以使粒子从一个激发态跃迁到另一个更高 的激发态,或者使激发态粒子发生电离,分别叫做逐级激发和逐级电离逐级激发和逐级电离。 ()A*()Aee快慢 + ()A()Ae

22、e快慢 28 第二类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞 l 第二类非弹性碰撞指一个粒子的内能转变为另一粒子内能或动能的碰第二类非弹性碰撞指一个粒子的内能转变为另一粒子内能或动能的碰 撞。撞。其形式主要有共振转移、电荷转移和潘宁效应共振转移、电荷转移和潘宁效应等。 共振转移共振转移是指激发态的粒子A * (通常指亚稳态)与基态粒子B碰撞,使B 激发到高能态B* ,而A* 返回基态。其过程可表示为 A* +BA+B* +E 其中,E为A* 和B* 两者激发态之差。E越小,共振转移截面越大。当 E 趋于零时,共振转移截面大于10-14cm2 ,转移最易发生。 共振转移是选择性激发过程中最重要的形式之一。 2

23、9 电荷转移电荷转移是指离子与中性气体粒子碰撞引起的激发与电离过程。 其激发过程 A+ +BA+B+ E 其中,A为A+ 从中性粒子B处获得一个电子而成为中性粒子;B 为中性粒子 失去一个电子而成为正离子B +;E为A 和B 两者电离能之差。 电荷转移过程中出现的电离激发,可表示为 A+ +BA+B* +E 其中,B*为离子激发态;E为离子激发态B*与粒子A+的电离能之间的位 能差。 正离子与中性气体粒子之间的电荷转移过程。负离子与中性气体 粒子碰撞亦可失去电子而成为速度较快的中性粒子,同时使原中性气体粒 子成为速度较慢的负离子。 30 潘宁电离潘宁电离 指处于激发态的气体粒子A* 与处于基态

24、的粒子B碰撞,A*失去能量返回基 态,而B被电离,或电离后又被激发。其过程可表示为 A*+BA+B*+ +e A* +BA+B+ +e 由上述反应过程可见,只要A 的激发能大于基态粒子B的电离能,潘宁电离 便可以进行,电离中产生的多余能量可转化为电子的动能电离中产生的多余能量可转化为电子的动能。 气体放电过程中,除上述介绍的由于粒子碰撞所产生的激发和电离过程外, 还存在着复合、吸附与转荷等过程. 31 He-Ne激光器激光器 l工作介质：工作介质：He-Ne激光器是典型的惰性气体原子激光器,Ne为工作物质 ,He为辅助气体。 l特点：特点： l He-Ne激光器输出连续光,主要工作波段在可见光

25、到近红外区域,其中, 最常用的工作波长为632.8nm(红光),其次是1.15m和3.39m以及 1.52m、543.5nm等。 lHe-Ne激光器输出光束质量很高,表现为单色性好(20Hz)和方向性 好(QCO2(0001)+e 2 2）级联跃迁）级联跃迁 电子与基态CO2碰撞，将其激发到激发态000n能级，其与基态CO2碰撞将其 激发到激光上能级 CO2(0000)+ CO2(000n) -CO2(0001)+ CO2(000n-1) 51 3 3）共振转移）共振转移 基态N2和电子碰撞跃迁到基态V=1的振动能级，该能级寿命长，属于亚稳 态，其与基态C02发生非弹性碰撞并跃迁激光上能级 C

26、O2分子0001能级与N2的v=1的能级接近， N2的v=24能级与CO2的0002- 0004也接近易发生共振转移， 0002-0004的CO2与基态CO2分子碰撞，也可 激励到0001 以上三种激发途径，共振转移几率最大，作用最显著 01 2222 CO (00 0)(1)CO (00 0)(0)N vN v e(快)+N2(v=0)-e(慢)+N2(v=1) 52 COCO2 2 分子的振分子的振- -转跃迁转跃迁 CO2 分子的红外光谱并不是一条单一的振动谱线,而是一条有一定宽度的谱带 。这是由于CO2 分子除振动运动外,同时存在转动运动。在其影响下,CO2分 子的振动能级将分裂为一系

27、列转动子能级。转动子能级。根据分子光谱理论,分子振动能 级之间的跃迁必然伴随着转动子能级之间的跃迁,产生带状光谱。 振振-转跃迁的选择定则为转跃迁的选择定则为: 对于振动能级:v=0,1 对于转动子能级:J=0,1 对转动子能级间的跃迁,选择定则规定: J=+1,称为R支,记为R(J) J=-1,称为P支,记为P(J) J=0,称为Q支。因为CO2分子的对称性 质,谱带中心没有该支谱线,即不存在 Q支跃迁。 53 由图可以看出,在CO2 分子0001与1000振动能级上,不是对应地存在着全部的 转动子能级。在000 1振动能级上,只存在J为奇数的转动子能级,而在100 0振 动能级上,则只存在

28、J为偶数的转动子能级。这种情况称之为转动子能级的转动子能级的 缺位缺位,它来源于分子态波函数对称性的要求。它来源于分子态波函数对称性的要求。 对于000 1100 0的振-转跃迁,已观察到的P支谱线支谱线27条条,R支谱线支谱线26条条,光谱 带范围1011m。其中最强的P支谱线有4条,即P(18)、P(20)、P(22)和 P(24),对应波长分别为10.57m、10.59m、10.61m和10.63m。最强的R支 谱线也有4条,即R(18)、R(20)、R(22)和R(24),对应波长分别为10.26m、 10.25m、10.23m和10.22m。 对于对于000 1020 0的振的振-转

29、跃迁转跃迁,观察到观察到P支谱线支谱线29条条,R支谱线支谱线25条条,光谱带范 围910m。其中最强的P支谱线为P(18)、P(20)、P(22)、P(24)与P(26),对 应波长分别为9.54m、9.55m、9.57m、9.59m和9.60m。最强的R线为 R(18)、R(20)、R(22)与R(24),对应波长分别为9.28m、9.27m、9.26m和 9.25m。 54 CO2 分子00 0 1020 0的振-转跃迁中能形成一百多条荧光谱线,但在CO2 激光器中却只有13条谱线能同时形成激光振荡。这源于CO2 分子转动子 能级之间的竞争效应。 处于同一振动能级的各转动子能级之间靠得很

30、近,粒子在各子能级间转移很 快。一旦处于某一转动子能级上的粒子跃迁后,服从玻尔兹曼分布规律的其 他能级上的粒子会立即转移到该能级,而使其他能级上的粒子减少。在CO2 激光器中,当某条谱线获得较大增益而优先起振时,亦同时抑制了其他谱线 的振荡。例如,9.6m谱线与10.6m谱线共用一个激光上能级,而粒子从 000 1100 0能级的跃迁几率要大得多,故CO2 激光器中若无波长选择装置, 则9.6m谱线将在与10.6m谱线的竞争中失败而无法起振。正是由于转动 子能级间激烈的竞争效应,当CO2 激光器谐振腔长度发生变化时,振荡谱线 的频率易跳动到其他频率上。 CO2激光器的谐振腔大多采用平凹腔，由于

31、其增益高，也可采用非稳腔以增 加其模体积。高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜。输出端 可采用小孔耦合方式或由可透过红外光的Ge、GaAs等材料制成输出窗. 55 D D气体成分气体成分 l 实验发现,当CO2 激光器中充有适量的N2 、CO、Xe、Ne、H2 、H2O等气 体时,输出功率显著提高。而当充有Ar、N2 O等气体时,输出功率则显著 下降。为提高输出功率,CO2 激光器都充有不同组分的辅助气体,主要分 为含N2 组分与含CO组分两种。 含N2 组分为CO2 +N2 +He+Xe+H2 , 含CO组分为CO2 +CO+He+Xe, 含N2 组分的输出功率要高于含CO组分。 上

32、述各种气体成分在CO2激光器中的主要作用: l氮氮:N:N2 2 是CO2 激光器中最主要的辅助气体,其作用主要是提高CO2 分子 0001能级的激发速率,同时加快011 0能级的弛豫速率。加入适量的N2 后,能明显提高输出功率。但其含量不能太高,因总气压一定时,N2含量 高,则CO2含量就相应降低,且放电时CO2 离解出的O会与N2 发生化学反应 ,生成N2 O和 NO,它们对CO2 分子的000 1能级有消激发作用。 56 一氧化碳一氧化碳:CO作用与N2 类似,不仅能增大CO2 分子000 1能级的激发速率,还 能加快01 10能级的弛豫速率。但其含量过高时会造成对000 1能级的消激发

33、 。 氦氦:在CO2 +N2 混合气体中,加入适量的He(He的含量可以是CO2 的45倍) 可以大幅度提高输出功率。其原因是:He原子质量轻,导热率高(其导热率比 CO2和N2高约一个数量级),可有效降低工作气体温度,提高输出功率。另外 He对CO2分子激光下能级100 0、020 0和011 0的弛豫作用远大于其对激光上 能级000 1能级的弛豫作用,有利于实现粒子数反转。在高气压CO2激光器中 ,He的主要作用是改善气体放电的均匀性。 氙氙:在CO2 +N2 +He混合气体中,加入少量的Xe,可使输出功率进一步提高约 30%40%,能量转换效率提高10%15%。原因是:Xe的电离电位低,

34、加入 后可增加放电气体中的电离度,使E/N值降低(充有Xe的放电管管压降可以 下降20%),从而提高激光器的效率。混合气体中Xe的含量有一最佳值,一般 其分压强在107160Pa之间。Xe的含量不可过高,过高虽使电子密度增加, 但电子碰撞机会也随之增加,导致电子温度下降。 57 水蒸气和氢水蒸气和氢: 在CO2 +N2 +He混合气体中再加入少量的水蒸气或H2 ,能提高器件的输出能提高器件的输出 功率和使用寿命功率和使用寿命。原因是H2O 分子对CO2 分子激光下能级100 0以及011 0 能级的弛豫速率很大,且H2O分子振动能级寿命很短,可以很快返回基态。 H2 的作用与H2O 相同,因C

35、O2 分子在放电时会离解出O,H2 与O合成H2O 。 因H2 在常态下是气体,其充入量比水蒸气更易于控制,故常用H2 代替水蒸 气。混合气体中,H2O和H2的含量一般在13.340Pa之间,不能过高,因为它 们除对激光下能级10 0 0和011 0有很强的抽空作用外,对激光上能级00 0 1 能级也有显著的消激发作用。由于由于H2O和和H2能对能对CO与与O的复合起催化作的复合起催化作 用用,故能延长故能延长CO2 激光器的使用寿命。激光器的使用寿命。 58 COCO2 2激光器可分为以下七类激光器可分为以下七类: : 纵向慢流纵向慢流COCO2 2激光器激光器 气体从放电管一端流人，由另一

36、端抽走，气流、电流均和光轴方向一致 。气体流动的目的是排除CO2与电子碰撞时分解出来的CO气，并补充新 鲜气体 。 在这类激光器中，放电电流密度和气体压强均有一位输出功率最大的最 佳值。电流度增加时激光上能级激发速率增加，但由此造成的气体温度 的升高又会增加下能级集居数，因而存在一最佳电流值。同样，气体压 强增高时一方面由于气体分子密度增加使反转集居数随之增加，另一方 面，气体分子间更加频繁的碰撞又阻碍了热量向管壁的扩散，从而导致 气体温度升高。实验表明，电流密度与压强的最佳值大致与放电管径成 反比。在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为(50一60)wm。 59 封离型封离型COCO2 2

37、激光器激光器 所谓封离型是指工作气体与He-Ne激光器一样被封离在放电管内。这种结 构的器件单位放电长度可输出的功率比流动型或气动型器件要低得多,一 般输出功率都低于200W。 冷却 回气 放电 谐振腔 60 纵向快流纵向快流COCO2 2激光器激光器 在纵向慢流激光器中放电产生的热量主要靠气体的扩散运动传给管 壁，再由沿管壁外表而流动的冷却液带走。由于这种散热方式效率较 低，电流密度和压强不能太大，因此限制了输出功率。 如果提高气体流动速度(约50ms)，使放电管内的热气流流出管外， 在管外冷却后再返回放电管，则不再存在放电电流密度的最佳值，输 出功率随放电电流密度线性增加。单位长度输出功率

38、可达1kWm以上 。目前，(13)kw的纵向快流CO2 激光器已广泛用于激光加工。 与大功率的横向流动激光器相 比，纵向快流CO2 激光器中放 电电流密度分布的圆对称性较 好，因此具有更好的光束质量。 61 横向流动横向流动COCO2 2激光器激光器 纵向快流CO2激光器需要很高的气体流速才能及时将热气体导出。若使气 体流动方向与光轴垂直，由于气体通道截面大，气体流动路径短，因此 较低的流速就能达到纵向快流同样的冷却效果。 和纵向快流CO2激光器一样，在横向流动CO2激光器中，输出功率的电流饱 和效应不明显。最佳气体压强高达1.3X104Pa。高压强运转有利于提高输 出功率，但频繁的碰撞使电子

39、温度降低，必须在强电场中才能维持足够 高的电子温度。因此，在横向流动CO2激光器中，纵向放电不切实际，通 常采用电场与光轴垂直的横向放电方式。采用横向放电方式的激光器称 作TE激光器激光器。此类激光器中单位长度输出功率可达每米数千瓦，总输出 功率已高达(120)kw。 62 横向激励大气压横向激励大气压COCO2 2激光器激光器 高气压横向激励激光器中，压强过高会 导致放电不稳定。为此，常常采用脉冲 放电激励方式。由于快速脉冲放电时放 电不稳定过程来不及充分发展，因此气 体压强可增高至大气压或高于大气压。 由于压强高，横向激励大气压激光器(简 称TEA激光器)单位体积输出能量可高达 (1050

40、)J/L，总能量和峰值功率可分别 高达10KJ和20TW。 在数个大气压的高气压情况下，由于压 力加宽效应引起转动能级的重叠，出现 准连续宽带增益谱，可导致波长在 (9.210.7)um范围内的连续可调激光输 出。 63 气动气动COCO2 2激光器激光器 气动气动CO2激光器采用热泵浦方式激光器采用热泵浦方式。含有CO2的混合气体在容器内 燃烧以形成高温高压状态，由于温度很高，CO2的激光上、下能 级均具有较高的集居数密度。混合气体通过喷管绝热膨胀时气体 温度急剧下降，但由于上能级的寿命较下能级长，集居数密度减 少的速度较下能级慢，于是在膨胀区的相当大的范围内可形成集 居数反转状态。气动CO

41、2激光器的输出功率可达80kw。 64 波导波导COCO2 2激光器激光器 所谓波导，在微波技术中是指用来引导电磁波的器件。 波导激光器由于采用孔径很小、内表面反射率很高的空心导管对激光光束进 行传输形成空心波导效果而得名。波导激光器由于自身结构的这一特点，使 其激光振荡模式与普通激光器不同。普通激光器的光学谐振腔理论以电磁波 在自由空间的传播为基础，而在波导激光器谐振腔中，电磁波在其传播途中 的某一部分或全部上被波导所引导而不服从自由空间的传播规律。波导激光 器本征模的特征已不主要取决于模尺寸、腔镜的曲率半径及其间距这些描述 普通激光器本征模的特征参量。 固体激光器固体激光器 65 66 固

42、体激光器在激光器家族中具有最长的历史。在其发展进程中,我国的科 学工作者曾做出过重要的贡献。 我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝石激光小球照明红宝石激光器”,1961年8月诞 生于中国科学院长春光机所。激光器的设计师是王之江教授。王之江教授。 王之江教授王之江教授因此被中国光学界尊称为“中国激光之父中国激光之父”。 “小球照明红宝石激光器”在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步, 主要表现在泵浦氙灯采用直管式泵浦氙灯采用直管式,而非螺旋形而非螺旋形;红宝石棒与氙灯并排放在红宝石棒与氙灯并排放在 球形聚光器的球心附近。球形聚光器的球心附近。这种结构可以获得更高的泵浦效率得更高的泵浦效率。

43、直至今天,闪光灯泵浦的固体激光器还大都采用这种方式。 固体激光器固体激光器 67 固体工作物质固体工作物质 固体工作物质固体工作物质由固体基质材料和少量掺杂离子(金属离子)两部分构成。 其中固体工作物质的物理性能由基质材料体现,而其光谱特性则由掺杂离子决 定。 基质材料有晶体和玻璃两大类。晶体又分为氧化物晶体氧化物晶体和氟化物晶体氟化物晶体。 氧化物晶体有单一氧化物和混合氧化物。单一氧化物晶体如Al2 O3 ,混合氧 化物晶体如石榴石型晶体YAG、YAP。氟化物晶体也有单一氟化物,如CaF2晶体 和混合氟化物,如LiYF4 晶体。玻璃则有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻玻璃则有硅酸盐玻璃、硼酸

44、盐玻璃、磷酸盐玻 璃等。璃等。 掺杂离子有四类掺杂离子有四类: : 三价稀土金属离子:如钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、 镝(Dy3+) 、钬(Ho3+)、铒(Er3+)、镱(Yb3+)等。 二价稀土金属离子,如钐(Sm2+)、铒(Er2+ )、铥(Tm2+ )、镝(Dy2+)等。 过渡金属离子,如钛(Ti3+)、铬(Cr)、镍(Ni3+ ) 、钴(Co3+)等。 锕系金属离子,多具有放射性,不易制备,其中,只有铀(U3+)曾有所应用。 68 固体工作物质十分丰富固体工作物质十分丰富,达数百种达数百种,从中已获得激光谱线数千条。从中已获得激光谱线数千条。 在一般

45、固体工作物质中,参与受激辐射作用的离子浓度约为1025 1026 m -3 ,比气体工作物质高34个数量级以上,且固体工作物质激光上能级的寿命 也比较长,因此固体激光器比较容易获得大能量输出,适合于调Q。 固体工作物质通常加工成圆棒状(也有盘片状的),棒侧面磨毛。对棒两端 面的加工要求很高:两端面为垂直于棒轴向的平行平面两端面为垂直于棒轴向的平行平面,平行误差在平行误差在5 10之间之间;端面与棒轴向的垂直度端面与棒轴向的垂直度1;端面的平整度小于半个光圈。为避端面的平整度小于半个光圈。为避 免端面反射和内部寄生振荡免端面反射和内部寄生振荡,端面镀有增透膜。端面镀有增透膜。 固体工作物质的谱线

46、加宽固体工作物质的谱线加宽有均匀加宽和非均匀加宽,其中,均匀加宽由晶格热 振动引起,而非均匀加宽则由晶格缺陷引起。因机构复杂,很难从理论上求 得固体工作物质谱线加宽线型函数的具体表达形式,一般是通过实验求出 它的谱线宽度。 69 l 红宝石晶体在低温时,谱线加宽主要是由晶格缺陷引起的非均匀加宽,室 温时,以晶格热振动引起的均匀加宽为主。 lNd3+ :YAG:因晶体质量比红宝石好,故由晶格缺陷引起的非均匀加宽可忽 略,在整个温度范围内都以均匀加宽为主。 l钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起,均匀加宽则由玻璃网络体 的热振动引起。二者所占比例因材料而异。在室温下,1.06m谱线非均 匀加宽

47、为1203600GHz,均匀加宽为60225GHz。虽然非均匀加宽大于均 匀加宽,但由于交叉弛豫过程,钕玻璃的增益饱和特性与均匀加宽工作物 质相似。 70 红宝石晶体是各向异性晶体红宝石晶体是各向异性晶体。当入射光波长为700nm时,n0 =1.763,ne =1.755 红宝石晶体有三种生长方向: 生长轴平行于光轴,为0红宝石晶体,无偏振特性; 生长轴垂直于光轴,为90红宝石晶体,产生线偏振光; 生长轴与光轴成60,为60红宝石晶体,产生线偏振光。实际使用中,多 用60红宝石晶体。 化学表达式:Cr3+ :Al2 O3 红宝石晶体红宝石晶体 晶体的物理性质晶体的物理性质 红宝石晶体是在Al2

48、 O3 (刚玉)中掺入少量的 Cr2O3 ,由Cr 3+部分取代Al 3+而成,其激活离子为 Cr3+。掺入Cr2O3的重量比为0.03%0.07%,一般一般 为为0.05%。晶体颜色为淡红色。 71 晶体的激光性质晶体的激光性质 晶体的激光性质主要指其能级结构 、吸收光谱和荧光光谱。 能级结构能级结构: : 晶体的激光性质主要取决于Cr3+ 。Cr的外层电子组态为3d5 4s1 ,掺 入Al2 O3 后失去3个电子,剩下3d壳 层上3个外层电子(3d3 )。红宝石晶 体的光谱特性即是由这3个电子跃 迁形成的,晶体与激光跃迁有关的 部分能级结构如图所示。 图中, 2 E能级为激光上能级,也是亚

49、稳能级(Cr3+在该能级的寿命约为3ms)。由于晶格 场的作用,该能级分裂为2A和E2个子能级(能级差29 cm-1 )。粒子由这两个能级向基态 跃迁时产生692.9nm和694.3nm两条谱线。4A2 能级为激光下能级,也是基态能级, F1 与 4 F2 为两个吸收能级。粒子在其上的寿命约为纳秒量级,故很快通过辐射跃迁弛豫 到激光上能级。Cr 3+的能级结构属三能级系统,因而其器件阈值比较高,只能以脉冲方 式运转。 72 吸收光谱吸收光谱: : 由于红宝石是各向异性晶体,故其吸收特性与光的偏振状态有关。当入射光 的振动方向平行或垂直于晶体光轴C时,晶体的吸收曲线略有不同,如图所示 。红宝石晶

50、体在可见光区有两个强吸收带。一个称为紫带个称为紫带( (或或U U带带),),中心波中心波 长位于长位于410nm410nm附近附近,带宽为360450nm,对应于 4A2向 4F1能级的跃迁吸收。 另一个称为绿带另一个称为绿带( (或或Y Y带带),),中心波长位于550nm附近,带宽为510600nm,对应 于 4A2向4 F2能级的跃迁吸收。基于红宝石晶体的吸收光谱,适于采用脉冲 氙灯这类强可见光光源进行泵浦。 73 荧光光谱荧光光谱: 红宝石晶体有两条强荧光谱线,分别称为R1线和R2线。 R1 线中心波长为694.3nm,对应于E4 A2 能级的自发辐射跃迁。 R2 线中心波长为692

51、.9nm,对应于2A 4A2 能级的自发辐射跃迁。 红宝石激光器通常只产生694.3nm激光,692.9nm不能形成振荡的主原因有两条, 其一,跃迁到激光上能级E和2A上的粒子数服从玻尔兹曼分布,能级上约占53%,2A 能级上占47%; 其二,R1 线的荧光强度高于R2 线,使R线的受激辐射几率高于R2线。 因此,R1线先达到阈值形成激光振荡。由于2A与E两能级之间能级差很小,粒子交 换频繁,E上的粒子跃迁后,2A能级上的子迅速转移到该能级,从而进一步抑制了R2 线的振荡。当激光脉冲持续时间大于10-9 s时,激光上能级的粒子都会通过R1 线的 受激辐射而返回基态。 74 温度对红宝石晶体的影

52、响温度对红宝石晶体的影响 红宝石晶体的性能易受温度的影响,主要表现在以下几方面: 其一,温度上升导致红宝石激光中心波长向长波方向移动,如图(a)所示。 这是由于温度上升使晶格场变化加剧,能级发生位移,造成激光上、下能级 差缩小所致。 其二,温度上升导致荧光线宽加宽,量子效率下降。红宝石R1 、R2 线荧光 线宽与温度的关系如图(b)所示。 红宝石晶体低温下性能优良。温度升高将使其荧光谱线展宽,量子效率下 降,从而导致器件阈值上升,效率下降,严重时会引起“温度猝灭”。因此, 红宝石激光器在室温条件下以脉冲方式运转 75 红宝石晶体的主要特点红宝石晶体的主要特点 主要优点为主要优点为: : 机械强

53、度和化学稳定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成较大尺 寸; 亚稳态寿命长,储能大,可获得大能量输出; 荧光谱线较宽,易获得大能量单模输出; 低温性能优良;输出可见光。 从应用观点看,红宝石激光器输出可见光极具吸引力,一是因为光电探测 器件的响应波长大多位于可见光区,而大多数稀土元素四能级系统固体激 光器工作波长则位于近红外区域,二是对于全息照相等应用,需要使用可 见光作为光源。 缺点缺点: :能级结构属三能级系统,器件阈值高;晶体性能随温度变化明显,室温 下不适于做连续和高重频器件。 76 光泵浦系统光泵浦系统 固体激光器一般采用光泵浦。 主要的泵浦光源有 惰性气体放电灯(脉冲氙灯、连续氪

54、灯等)、 半导体激光二极管 金属蒸气灯(汞灯、钠灯等) 卤化物灯(碘钨灯、溴钨灯等)四类。 惰性气体放电灯具有辐射强度高、既能脉冲工作又能连续工作、工艺 简单、使用方便等优点,应用最为广泛。惰性气体放电灯与聚光腔共 同构成固体激光器的灯泵浦系统。 半导体激光二极管泵浦固体激光器较之其他的泵浦方式具有最高的泵 浦效率,代表了固体激光器的一个发展方向。 77 灯泵浦系统灯泵浦系统 惰性气体放电灯惰性气体放电灯 惰性气体放电灯的结构及性能参数惰性气体放电灯的结构及性能参数 惰性气体放电灯的结构由工作气体 、电极和灯管三部分组成。 工作气体一般采用氙或氪。电极采 用高熔点、高电子发射率、低溅 射的金属

55、材料,常用钨、钍钨等材 料。灯管则通常采用耐高温、透 光性好、机械强度高的石英玻璃 。结构形式有直管(比较常用)和 螺旋之分,如图所示。 78 惰性气体放电灯在工作方式上分为脉冲和连续两种,如脉冲氙灯,连续 氪灯。惰性气体放电灯工作于弧光放电状态,着火电压和触发电压 是灯启动的重要参数。对脉冲灯而言,其使用寿命与最大输入能量 密切相关。脉冲氙灯的常用规格及其性能参数见表3.9。 惰性气体放电灯的光谱特性惰性气体放电灯的光谱特性 惰性气体放电灯的辐射光谱中有连续光谱和线状光谱两种成分。 产生连续光谱的主要原因是灯内浓度很高的电子和正离子复合发 光。因带电粒子的动能连续可变,故其辐射光谱为连续谱;

56、此外电子 减速发光,其光谱也为连续谱。 产生线状光谱的主要原因是放电时被激发的原子和离子自发地返 回基态时辐射发光,其光谱中具有气体原子和离子的特征光谱线。 79 在连续弧光灯的辐射光谱中,线状光谱的贡献很显著。而在脉冲灯的辐 射光谱中,则以连续光谱的贡献为主。二者在放电灯的辐射光谱中所占 据的比例取决于灯内的放电电流密度、充气压和充气种类。在此重点 分析放电电流密度的影响。脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱如 图所示。 80 放电电流密度较小时,线状光谱所占比例上升。对脉冲氙灯,其特征谱线 的峰值波长位于0.84m、0.9m和1m附近。对连续氪灯,其特征谱线 的峰值波长位于0.76m、0.8

57、2m和0.9m附近,与Nd3+ :YAG的吸收谱 带相匹配。 放电电流密度较大时,连续谱成分增加。当放电电流密度增大到一定值时 ,线状光谱被连续谱掩盖,且随着放电电流密度的增大,连续谱中心波长向 短波方向移动。 在高放电电流密度下,脉冲氙灯的辐射光谱显然有利于红宝石晶体的吸收 (吸收峰在400550nm)。对连续和小能量输出(10J)的脉冲Nd3+:YAG器件 ,采用氪灯泵浦效率比较高。对大型钕玻璃和脉冲Nd 3+ :YAG器件,宜采用 辐射能量较大、效率较高的脉冲氙灯泵浦。 对于要求输出能量比较大的激光系统,常常需要采用多灯泵浦。多灯泵浦 时对灯的选择和放电回路的设计应注意遵循以下原则:尽量

58、选择电阻系数 K0相同的灯;如用同一电源供电,则灯需串联或并联运行。此时,灯的等效 电阻会发生变化,设计中要加以考虑。 81 惰性气体放电灯的有效辐射效率惰性气体放电灯的有效辐射效率LL 惰性气体放电灯的有效辐射效率 L 定义为灯在工作物质吸收带内的 辐射 CV2/ 2 之比。在灯泵浦的固体激光器几个重要的能量转换光能与 电容储能环节当中,灯的有效辐射是第一个转换环节,其效率的高低对器 件的总体效率产生重要的影响。 82 影响 的主要因素有充气种类、充气压、灯尺寸(L 与d)及使用情况等。 充气种类的影响是显而易见的。对脉冲灯,当充气压一定时,氙的转换效率 比氪、氩高。 充气压的影响充气压的影响:在相同放电条件下,充气压增高则L提高。但充气压过高,放 电过程中形成的冲击波会影响灯的寿命。因此,对辐射能量较大的脉冲氙灯 ,充气压不可过高,而对辐射能量小的脉冲灯和连续灯,充气压则可适当提高 。 灯尺寸的影响灯尺寸的影响:灯细长