高等激光技术

1、 第七章第七章 典型激光器典型激光器 (按工作物质分类按工作物质分类) 第一节第一节 气体激光器气体激光器 第二节第二节 固体激光器固体激光器 第三节第三节 其它激光器其它激光器(液体激光器、半导体激光器、光纤激光器、化学激光器、自由电子激光器等） 第一节第一节 气体激光器气体激光器 由单一气体或混合气体、或蒸汽等气态物质作为工作物质的激光器。 原子、分子、准分子、离子气体激光器。 销售量约占全世界激光器销售量的60%。 1960年12月12日伊朗的Javan,(亚凡或贾万）研制出第一台气体激光器-氦-氖气体激光器（输出激光波长1150nm). 特点： 1、工作物质均匀，输出光束质量优良，能够

2、保证大部分器件产生接近高斯分布的光束模式； 2、谱线范围宽。有数百种气体，近万条激光谱线， 可覆盖波长：亚毫米可见真空紫外波段； 3、输出功率大，效率高，既有连续工作器件，又有脉冲工作器件。 CO2激光器连续波CW运转是目前输出功率（连续功率）最高的激光器（-100KW); Ar+,可见光连续波输出功率最大的激光器。 、直流放电a 泵浦：气体放电激励；热激励，化学激励，核能激励、光泵激励、电子束激励等。气体放电激励（泵浦）是气体激光器主要采用的激励方式。 一、气体放电激励 气体物质在外加电场作用 下，产生电离而形成电流的现象-气体放电。 气体激光器中的放电气体属于弱电离气体 （电离度直流或射频

3、放电的击穿电压，大大提高气体激光器输出脉冲的峰值功率。 通常加上预电离，使电场的横向分布均匀，形成均匀的辉光放电，而消除伴有辉光向弧光转变的不稳定性。快速放电使放电时间短于弧光形成的时间：金属蒸汽激光器；氮分子激光器；准分子激光器。加限流电阻阻止弧光形成： TEA-二氧化碳激光器。脉冲辉光放电和脉冲弧光放电；直流脉冲放电和交流脉冲放电；短脉冲放电和长脉冲放电。 3、气体放电中的选择激发过程A、共振激发能量转移激发态粒子与基态粒子相碰撞，使基态粒子被激发到高能态（亚稳态），而原激发态粒子则跃迁到较低能态或基态。属于第二类非弹性碰撞。 （1）、原子-原子： （2）、分子-分子激光器之间的能级能量差

4、；与为NeHeBAEEBABA*,*10220222218) 100()0()000() 1(NcmCONCONCO分子为辅助气体激光器中，大的能量转移截面。旋选择定则，才具有较碰撞前后量子态遵守自越大；，粒子之间相对速度越大越大；越小，与碰撞截面有关，E B、电荷转移属于第二类非弹性碰撞正离子A+与中性粒子B相碰撞交换内能，A+获得一个电子而成为中性粒子，B被电离或电离激发。C、潘宁效应属于第二类非弹性碰撞一个中性激发态粒子A*与中性基态粒子B相碰撞交换内能，使中性基态粒子B被电离或电离激发。中性激发态粒子A*的激发能中性基态粒子B的电离能或电离激发能。金属蒸汽离子激光器,EBABA同时电离

5、和激发,*)(EBABA,*eBABA,*)(*eBABA D、电子碰撞属于第一类非弹性碰撞.快电子与气体粒子碰撞,使气体粒子被激发、电离、电离激发的过程。不同电压不同能量电子束- 不同速度电子选择激发不同能级。也有消激发过程-能量很小的电子与高能级粒子碰撞 其他：热激励，化学激励，核能激励、光泵激励、电子束激励等,2eAeA,2*)(eAeA,* eAeA 二、原子气体激光器 受激辐射跃迁发生在中性原子的不同激发态之间。 典型代表：氦-氖原子气体激光器和铜蒸汽原子激光器 1、He-Ne氦-氖原子气体激光器1960.12.12,Javan,=1.15m;1962, =632.8nm.可以连续或

6、脉冲运转； 工作物质-氦气和氖气组成的混合气体；Ne激光粒子；四能级结构。 激光 上能级为3S2,2S2,激光下能级为2p4,3p4 均为激发态. He-辅助粒子。泵浦能级为He的亚稳态 放电管由放电毛细管和贮气管构成。毛细管处于增益介质工作区。由氖的能级结构所决定必须用毛细管。 已观察到激光谱线有100多条。最强的三条是：,15. 1,2422mpS,39. 3,3432nmpS,8 .632,3422nmpS,36.543,31022nmpS光）：波长最短的跃迁：（绿13012 ,2SS nm8 .632 激光上能级激发：(1)电子碰撞激发（2）、共振能量转移激发激光下能级的消激发： ,)

7、3 ,2(*)()(01essNeeSNe。激发速率高，积累较多,)2 ,2(*)1 (130101eSSHeeSHe,048. 0)1 ()3(*)()2(*0120101eVSHesNeSNeSHe,039. 0)1 ()2(*)()2(*0120113eVSHesNeSNeSHe堆积能级上氖原子数将出现消激发向低能级跃迁过程s 1,)3 ,2(*)()(324401ppeppNeeSNe 谐振能级。亚稳态个能级42531 ,;1S,1S,1S4 ,1SsSNe121S31S41S51S011 SNe近两个数量级。使谐振能级的寿命增长又回到态氖原子捕获但这些光子很容易被基驰豫到基态谐振能级

8、虽可辐射光子1S, 若不排空1S能级,这些原子就会被小能量电子碰撞或捕获光子而重新回到激光下能级2p和3p，降低粒子反转数分布的绝对值，使增益减少-低能级粒子数出现阻塞-瓶颈效应。 要提高 ，关键要排空1S能级的粒子。 使 粒子与其他各类粒子（电子、氦原子、氖原子）或管壁发生非弹性碰撞，将 粒子的内能转变为其他粒子的动能或管壁的热能，而回到基态1S0。n)1 (* SNe)1 (* SNe 对于非弹性碰撞，质量相当的粒子交换的能量较少； 有效的方法：选择低气压、细 放电管结构。 依靠 粒子扩散 到管壁处释放能量后跃迁到基态1S0 。-管壁驰豫。 放电毛细管尺寸选择： 对于TEM00模632.8

9、nm 最佳放电条件下，单位长度放电毛细管的输出功率： 若抑制了3.39m,则 )1 (* SNemmWPo/20mmWPo/50mmLLLPPo20,谐振腔长度放电管长度 放电毛细管直径： cmdcmLLLd12. 0,30,321031184.,)(103G:8 .632 13mmGdmmdnm增益对于 其他特性（略） ;22,152.142psm;22,523.122psm全内腔绿光氦氖激光器公司首次研制成年美国激光器；绿光tmellesGrioNeHepsnm1985;23 ,3.543102腔内加色散元件条谱线）波长可调谐氦氖激光器9(594,731nmnmm3.3922m;.3.39

10、120.631.152,mm双波长氦氖激光器几百毫瓦。增大模体积。平放电管，利用矩形放电截面的扁氦氖激光器高功率-, （线偏振光）。的增透膜。和晶体表面镀晶体，长度聚焦研制出：年北京大学李新章小组腔内倍频紫外氦氖激光器腔内mWnmPnmnmmmWPmWPTnmmnmnmoutoutout53)4 .316( 4 .316632.8;11LiIO-3;45%,46. 1,8 .63211997316.4,632.83 内腔式外腔式半内腔式单毛细管式旁轴式 谱线抑制 2、金属蒸气原子激光器 已有三十多种金属蒸气原子实现受激辐射 (1)、自终止跃迁金属蒸气原子激光器 铜、金、铅、锰、锶等，高压脉冲放

11、电激励，可重复率运转。 （2）、金属离气原子激光器 脉冲或连续放电激励， （3）、光泵浦金属蒸气原子激光器 碱金属蒸气，采用光激励CuHgPbAsSrCd, pW20S21S12W21W21A 自终止激光器的能级结构三能级结构 实现粒子数反转的条件： 1、激光上能级是共振能级，与基态有强的电偶极辐射跃迁，快放电可以使其得到强激发； 2、激光下能级应是亚稳态，与基态没有电偶极辐射跃迁（禁戒）； 3、激光上能级仅与激光下能级和基态有光学联系； 4、 5、 自终止激光器只能脉冲运转！)(10)(1017212014pWsASs%1.0/N;12NEh足够大 *铜蒸气原子气体激光器 1966年Walt

12、er发明。 高重复频率；可见光波段：510.6nm, 578.2nm 原子激发态被填充的机制是电子与基态原子的碰撞：ePCueSCu)*()(23,212212绿光；nmDP6.510,252232黄光；nmDP78.25 ,232212黄光；nmDP705 ,232232 亚稳态 寿命为几毫秒，说明了510.6nm,578.2nm激光辐射的自终止特性。 受激辐射使亚稳态很快被填充，当填充到与激光上能级粒子数近似相等时，增益小于阈值增益，激光振荡停止。 当亚稳态粒子由于碰撞而衰减时，又可出现第二个激光脉冲。 L=80cm,P平均200W,Pm300kW;1%, 重复频率120KHz，t几几十n

13、s.25,232D 纯铜蒸气原子气体激光器 纵向放电方式， 1500度以上加热；加热炉条用白金和铑的合金。 放电脉宽约为400ns; 卤化铜蒸气激光器 CuCl,CuBr,CuI;400度，加热10分钟（时间短）； 辅助气体 Ne带走不可逆生产物卤素气体； CUCl: 快速双脉冲放电激励方式； 第一个脉冲放电使CuCl分子分解； 第二个脉冲放电使基态Cu原子激发；形成粒子数反转。 eVeClSCueCuCl5.2;)(1212快电子能量、eVePCueSCu8.3;)*()(223,212212快电子能量、内自终止激光跃迁在、nsnmnmhDCuPCu5010),2.578,6.510()*(

14、)*(325,23223,212sDCuCu10010),SCu)*()D*(421225,23225,232用时约为（的管壁驰豫、msCuClClCuCuCl1.0,;5用时约分子的复合、才能开始必须在以上过程结束后第二个激光脉冲的形成 三、分子气体激光器三、分子气体激光器 1964年 由帕特尔（Patel)发明的波长10.6m的 CO2分子激光器， 1、CO2分子气体激光器 911m波段的带状荧光谱， 由CO2分子基电子态振动-转动能级间的跃迁所产生。W10P:Pulse100kW;PCW12m：XeCl*,ArF*,KrF*,XeF*,HOH,NO,OCO,N22222分子；， ,.2

15、, 1 , 01对称振动.2103，反对称振动二度简并形变振动,.2 , 1 , 02 1,.,2, ),(222321LL奇数0,.,2, 222L偶数m1110m10.6010100 CO002附近，的谱带：际价值（最强）分子振动能级间最具实m109m9.600210000附近，生激光一百多条谱线都可以产.,2率小气体产生的激光输出功单靠纯的下能级寿命短激光上能级寿命比激光CO 上下能级粒子数分布过程中起主要作用的是分子间的碰撞激发和驰豫过程; 上下能级粒子寿命不完全依赖于纯自发辐射寿命,而是取决于各辅助气体分子共振能量转移激发对他们的贡献(N2,H2O,H2等）。 气体放电激励普通型工作

16、在辉光放电正柱区。 激光上能级的激发：（1）、电子碰撞激发：eCOeCO) 100()000(0202 （2）、串级激发：（3）、共振转移激发 1,)00()000(330202eCOeCO) 100() 100()000()00(0230202302COCOCOCO.100,03能级为止直到全部能量转移到多次降低130202150)00(*)0()000() 1(*cmCOCOCOCOeNeN,.)4 , 3 , 2 , 1(*)0(22102202218) 100(*)0()000() 1(cmCONCON)159. 0(002),0(0.17210:00eVeV和激光下能级 气动CO2分

17、子激光器 下振动能级上振动能级喷管喉部cm/下游距离比值05. 020. 015. 010. 0103020104025. 00 燃料和氧化剂生成高温、高压的CO2、N2、H2O混合燃气，通过喷管快速膨胀后热能迅速转化为动能，分子热运动平均动能急剧下降，低能级CO2分子驰豫较快，粒子数密度迅速下降，而高能级驰豫慢，这种称为差分驰豫的驰豫速率差别造成了CO2分子高能级粒子数密度超过低能级，形成粒子数反转分布。 2、准分子气体激光器 1927年,了。如L.Ragleigh发现Hg2*准分子状态;1966年,哈特曼特称其为准分子,excime.准分子基态极不稳定,在振动驰豫时间(10-13秒)内便离

18、解为原子.它的激发态具有束缚态结合的形式,而基态是离解的. nmKrOnmArOnmXeOnmXeFnmXeClnmKrFnmArFnmArClnmXenmKrnmAr558:;558:;550:351:;.308:;248:;.193:;175:;172:;146:,.126:222的跃迁到排斥基态低的激发态准分子的特征谱是由最。自由基态跃迁产生增益以分子的束缚态B h排斥基态:最低的激发态:B更高的激发态:C 放电必须在弧光出现之前结束.只能以脉冲运转,一般在几十纳秒内完成 . 保证均匀辉光放电 最大输出能量几焦耳. 3、N2分子气体激光器 1963年,Heard首次实现纵向放电激励紫外脉冲N2分子气体激光器.1965年, Leonard采用横向激励技术使Pm达到千瓦量级.1967年, Shipman采用快放电激励技术使Pm达到兆瓦量级.作为可调谐染料激光器的泵浦源.不同电子态的振动能级之间的跃迁.常用谱线位于紫外光谱区.315.9nm357.7nm;.337.1nm;.)()(33之间；第二正带guBC条