第十一次课 激光原理课件

1、第五章第五章 典型的激光器件典型的激光器件问题问题1：激光器能发：激光器能发出多少种波长？有出多少种波长？有哪些分类方式？哪些分类方式？ 按激光工作物质：按激光工作物质： 固体激光器固体激光器 气体激光器气体激光器 半导体激光器半导体激光器 染料激光器染料激光器 自由电子激光器自由电子激光器 按化学组成：按化学组成： 原子激光器原子激光器 分子激光器分子激光器 离子激光器离子激光器 自由电子激光器自由电子激光器 准分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。已记录到的激光振荡波长有一万种以上。 激光运转方式激光运转方式: 连续连续 脉冲脉冲 单脉冲单脉冲 重复频率重复频率 准连续

2、准连续 激光调制方式激光调制方式 自由运转自由运转 调调Q 锁模锁模激光器的分类：四种分类方式激光器的分类：四种分类方式激光器按工激光器按工作物质分类作物质分类气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器半导体激光器：半导体激光器：GaAs 激光器激光器原子激光器原子激光器：He-Ne 激光器激光器分子激光器：分子激光器：CO2 激光器激光器离子激光器：离子激光器：Ar+ 激光器激光器玻璃基质：玻璃基质：Nd:glass晶体基质：晶体基质： Nd:YAG 、 ruby液体激光器液体激光器化学激光器化学激光器自由电子激光器自由电子激光器问题问题2 2：固体激光器有哪些特点？：固体激光器有哪些特点？1

3、 1、工作方式：、工作方式：连续，脉冲连续，脉冲2 2、发射波长：、发射波长：0.2750.2753.33.3m m（从紫外到红外）（从紫外到红外）3 3、特点：、特点：输出能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用输出能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用4 4、基本结构、基本结构：激光工作物质激光工作物质泵浦源泵浦源聚光腔聚光腔谐振腔谐振腔冷却系统冷却系统5 5、阈值、阈值21nG工作物质工作物质 受激辐射截面受激辐射截面2211gnnngn其中，为激光工作介质中的折射率红宝石红宝石2.5E-20 cm2Nd3+:YAG2788E-20 cm2Nd3+:Glass3E-20 cm26 6、偏振

4、特性、偏振特性u偏振性主要取决于工作物质偏振性主要取决于工作物质 各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。激光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在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏振性7 7、光谱特性、光谱特性 多纵模工作多纵模工作 空间烧孔效应空间烧孔效应 高增益高增益 多模充分利用了反转粒子数，有利于锁模多模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高注入，高输出伴随激光线宽增加8 8、光束质量、光束质量,2021MM 实实际际光光束束的的束束腰腰和

5、和远远场场发发散散角角乘乘积积理理想想光光束束的的束束腰腰和和远远场场发发散散角角乘乘积积越越小小光光束束质质量量越越好好9、工作物质、工作物质基质基质+激活离子激活离子基质基质 氧化物：氧化物：Al2O3，YAG，YAP 磷酸盐，硅酸盐：磷酸盐，硅酸盐： CaWO4 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐：钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐： YVO4 氟化物氟化物: YLF 玻璃：磷酸盐、硅酸盐玻璃：磷酸盐、硅酸盐 稀土离子稀土离子钕（钕（Nd3） 实现了实现了100多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射 以以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率为中心，可实现若干频率的受

6、激发射的受激发射铒（铒（Er3） 实现了实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基质中的受激发射。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。内实现激光发射，属人眼安全波长。 常用的常用的Er3:YAG经敏化，最易起振，输出波长为经敏化，最易起振，输出波长为2.9um。钬（钬（Ho3） 掺掺Er：Tm：Ho的的YAG和和YLF，输出波长，输出波长1.9-2.1um 掺掺Cr代替代替Er敏化，敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量。输出波长闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。激活离子激活离子铥（铥（Tm3）

7、 与与Cr或或Ho一起实现一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出。极管泵浦激光输出。 二极管泵浦二极管泵浦Tm：YAG实现实现2.01um输出输出 二极管泵浦二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现实现2.09um输出输出 高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现实现1.945um和和1.965um的可调输出的可调输出镨镨Pr3，钆，钆Gd3，铕，铕Eu3，镱，镱Yb3，铈，铈Ce3 二极管泵浦的二极管泵浦的Yb:YAG激光器激光器 二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器的光纤激光器钐钐Sm2，镝，镝Dy2，铥，铥Tm2 液氮冷却的作用下，液氮冷却的作用

8、下，CaF2中产生过激光作用。中产生过激光作用。 锕系离子锕系离子 掺掺0.05%铀（铀（U）的）的CaF2成功用于激光器，输出成功用于激光器，输出2.6um。 过渡金属过渡金属铬（铬（Cr3+) 红宝石（红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠绿宝石，绿宝石，翠绿宝石，Cr3：BeAl2O4） 钛蓝宝石（钛宝石，钛蓝宝石（钛宝石，Ti3：AL2O3） Nd:YAG泵浦的泵浦的Co2+:MgF2激光器。激光器。敏化剂敏化剂 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，主要作用是施主离

9、子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量，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。双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。 目前已实现激光振荡的不同基质目前已实现激光振荡的不同基质掺杂体系的掺杂体系的工作物质工作物质有有200多种。多种。基于内反射的泵浦构型基于内反射的泵浦构型 A、泵浦方式、泵浦方式10、泵浦耦合技术、泵浦耦合技术M1M2M2M1B、耦合光学系统耦合光学系统10、泵浦耦合技术泵浦耦合技术聚光腔材料选择聚光腔材料选择 金属：铝金属：铝轻型系统轻型系统 铜铜热膨胀系数小，导热率高热膨胀系数小，

10、导热率高 不锈钢不锈钢不生锈，光洁度高，热导率低不生锈，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，耐腐蚀陶瓷：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀金属材料的反射率金属材料的反射率 LD泵浦泵浦全固态激光器（全固态激光器（DPSSL）的技术发展）的技术发展光束参数积光束参数积激光束激光束腰半径与其腰半径与其半发散角的半发散角的乘积，即乘积，即W0 灯泵浦固体激光器Lamp Pumped Solid - State LaserLPSSL或LPL二极管泵浦固体激光器（Diode Pumped Solid State Lase

11、rDPSSL或DPL 15基于全固态激光器的激光电视基于全固态激光器的激光电视问题问题3：掺钕钇铝石榴石（：掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）激光器是怎样工作的呢？）激光器是怎样工作的呢？工作方式工作方式：连续、高重复率脉冲连续、高重复率脉冲 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高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源的器件体积更小器件体积更小。工作物质为工作物质为 的四能级系统的四能级系统3NdYAG基质晶体基质晶体激活离子激活离子Nd3:Y3Al5O12

12、立方晶系，光学各向同性立方晶系，光学各向同性掺杂浓度掺杂浓度1.38E20(cm-3)受激辐射截面受激辐射截面88E-20(cm2)波长波长1064nm荧光寿命荧光寿命230us量子效率量子效率1谱线线宽谱线线宽4.5(埃埃)Nd：YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器（掺钕钇铝石榴石）激光器 能级结构能级结构图图1 掺钕钇铝石榴石激光器能级图掺钕钇铝石榴石激光器能级图123047/2F43/2S49/2H45/2F43/2F413/2I415/2I411/2I49/2I1.883 m1.319 m1.06 m0.946 m12111cm525nm584nm750nm805nm870nm上能级寿上能级

13、寿命命0.23ms几率最大几率最大几率小几率小几率次大几率次大图图2 2 Nd3+ Nd3+：YAGYAG晶体在晶体在300K300K时的吸收谱时的吸收谱图图3 3 氙灯辐射光谱氙灯辐射光谱可输出波长可输出波长： = 1064nm、946nm、1319nm工作物质工作物质激光谐振腔激光谐振腔泵浦系统泵浦系统Nd：YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器结构（掺钕钇铝石榴石）激光器结构 问题问题4 4：气体激光器有哪些特点？：气体激光器有哪些特点？1 1、工作物质、工作物质: :各种混合气体，光学均匀性好。各种混合气体，光学均匀性好。2 2、发射谱线、发射谱线：已达数千种：已达数千种 (160nm4mm)

14、(160nm4mm)3 3、工作方式：、工作方式：连续运转（大多数）连续运转（大多数）4 4、泵浦方式：、泵浦方式：气体放电或电子碰撞气体放电或电子碰撞5 5、特点：、特点：单色性单色性、光束稳定性光束稳定性方面比固体、半导体、液体激方面比固体、半导体、液体激光器优越。多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。光器优越。多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。原因：原因：通常气体气压低，单位体积内粒子数较少。通常气体气压低，单位体积内粒子数较少。问题问题5 5：氦氖激光器是怎么工作的？：氦氖激光器是怎么工作的？工作物质：工作物质：He Ne混合气体，体积比混合气体，体积比8:2，属于四能级系统，属于四能

15、级系统基本结构基本结构问题：问题：布儒斯特窗的作用？布儒斯特窗的作用？内腔式与外腔式的优缺点？内腔式与外腔式的优缺点？内腔式内腔式半外腔式半外腔式工作过程工作过程形成粒子数反转形成粒子数反转(能级寿命上能级寿命上10-7s :下下10-8s)2、He与电子碰撞与电子碰撞1、放电：、放电：He电离产生电子电离产生电子3、能量共振转移、能量共振转移辅助气体辅助气体 工作气体工作气体224、受激辐射、受激辐射5、紫外辐射、紫外辐射6、下能级排空、下能级排空 通过通过Ne与管壁的碰撞，管壁发热放电管很细（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。加大碰撞几率，利于碰撞发生。v 输出谱线输出谱线：根据选择的工作条件，可输出根据选择的工作条件，可输出近红外、红光、近红外、红光、黄光、绿光。黄光、绿光。常见的有常见的有632.8nm632.8nm，1.15um1.15um，3.39um3.39um，最常，最常见的为见的为632.8nm632.8nm。v 功率功率在在mWmW级，最大级，最大1W1Wv 光束质量光束质量好，好，发散角发散角可小于可小于1mrad1mradv 单色性单色性好，带宽可小于好，带宽可小于20Hz20Hz，发射线宽由多普勒加宽决定发射线宽由多普勒加宽决定v