第三课 激光原理与典型激光器II_2013320final

1、第三课第三课激光原理与典型激光器激光原理与典型激光器林承友林承友2013.3.202013.3.20本章主要内容本章主要内容 2.1 激光原理简述激光原理简述 2.2 典型激光器 2.3 激光的应用 2.4 激光控制技术 上节主要内容回顾上节主要内容回顾激光及其特性激光及其特性受激辐射：单色性好，方向性好，亮度高，相干性好受激辐射：单色性好，方向性好，亮度高，相干性好激光器的发展历史激光器的发展历史光辐射量子理论光辐射量子理论三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式激光产生的条件激光产生的条件必要条件：粒子数反转，减少振荡模式数必要条件：粒子数反转，减少振荡模式数充分条

2、件：起振条件，稳定振荡条件充分条件：起振条件，稳定振荡条件激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质，泵浦源，谐振腔激光工作物质，泵浦源，谐振腔本章主要内容本章主要内容 2.1 激光原理简述 2.2 典型激光器典型激光器 2.3 激光的应用 2.4 激光控制技术 2.2 典型激光器典型激光器2.2.1 激光器的种类2.2.2 固体激光器2.2.3 气体激光器2.2.4 染料激光器2.2.5 半导体激光器2.2.6 新型激光器简介根据泵浦源种类和泵浦方式分类根据泵浦源种类和泵浦方式分类注入式激光器注入式激光器 光泵激光器光泵激光器 电子束泵浦激光器电子束泵浦激光器半导体激光器半导体激光器 灯泵

3、激光器灯泵激光器 激光泵浦激光器激光泵浦激光器 LD泵浦激光器泵浦激光器 固体激固体激 光器光器放电泵浦激光器放电泵浦激光器 电子束泵浦激光器电子束泵浦激光器 微波泵浦激光器微波泵浦激光器 气体激光器气体激光器 根据工作物质分类根据工作物质分类 固体激光器固体激光器 ：红宝石，：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃，钕玻璃气体激光器气体激光器 ：HeNe，CO2，离子激光器，离子激光器液体激光器液体激光器 ：染料激光器：染料激光器半导体激光器半导体激光器 ：同质结，异质结，量子阱：同质结，异质结，量子阱2.2.1 激光器的种类激光器的种类 根据谐振腔类型分类：根据谐振腔类型分类：F-P腔，平凹腔，聚焦

4、腔，折叠腔，环形腔等。腔，平凹腔，聚焦腔，折叠腔，环形腔等。根据激光器的输出波长分类：根据激光器的输出波长分类：中红外激光器，近红外激光器，可见光激光器，中红外激光器，近红外激光器，可见光激光器，红光激光器，绿光激光器，蓝光激光器，红光激光器，绿光激光器，蓝光激光器，紫外激光器，深紫外激光器，紫外激光器，深紫外激光器，X射线激光器射线激光器根据激光器结构根据激光器结构（半导体激光器）（半导体激光器）分类：分类：同质结激光器，单异质结激光器，双异质结激光器，同质结激光器，单异质结激光器，双异质结激光器，量子阱激光器，量子线激光器，量子点激光器量子阱激光器，量子线激光器，量子点激光器固体激光器基本

5、上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷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。图是长脉冲固体激光器的基本结构示却、滤光系统构成的。图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图意图( (冷却、滤光系统未画出冷却、滤光系统未画出) )。 固体激光器的基本结构示意图固体激光器的基本结构示意图2.2.2 固体激光器固体激光器固体激光工作物质：固体激光工作物质：由由基质材料基质材料（晶体或玻璃）和少量（晶体或玻璃）和少量掺杂掺杂离子离子（激活粒子）两部分组成（激活粒子）两部分组成固体激光器分固体激光器分类类晶体激光器：晶体激光器：红宝石，钇铝石榴石（红宝石，钇铝石榴石（YAG）非

6、晶体激光器：非晶体激光器：玻璃、塑料玻璃、塑料目前最有实用价值的固体激光工作物质：目前最有实用价值的固体激光工作物质： 红宝石晶体，钕玻璃，掺钕钇铝石榴石晶体，掺钛蓝宝红宝石晶体，钕玻璃，掺钕钇铝石榴石晶体，掺钛蓝宝石晶体。石晶体。常用的激活粒子有：常用的激活粒子有：三价稀土金属离子：钕三价稀土金属离子：钕(Nd)、铒、铒(Er)、钬、钬(Ho)离子等离子等.过渡金属离子：铬（过渡金属离子：铬（Cr3+）离子、钛（）离子、钛（Ti3+）离子等。）离子等。特点：特点：输出能量大、峰值功率高、结构紧凑，可实现调输出能量大、峰值功率高、结构紧凑，可实现调Q Q或或锁模输出。锁模输出。一、固体激光器工

7、作物质一、固体激光器工作物质二、固体激光器的泵浦系统二、固体激光器的泵浦系统 固体激光工作物质一般都采用光泵浦。以前的泵浦光源固体激光工作物质一般都采用光泵浦。以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（氙灯或氪灯），多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯（氙灯或氪灯），现在大多采用半导体激光器（现在大多采用半导体激光器（LDLD）泵浦。）泵浦。1. 1. 灯泵浦灯泵浦 泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一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，为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工般都加工成圆柱棒形状，为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上

8、，必须采用聚光腔。作物质上，必须采用聚光腔。 椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面并镀膜，其横截面是一个椭圆。也它的内表面被抛光成镜面并镀膜，其横截面是一个椭圆。也有双灯一棒、四灯一棒。有双灯一棒、四灯一棒。 灯泵浦灯泵浦脉冲激光器：脉冲激光器：脉冲氙灯脉冲氙灯连续激光器：连续激光器：氪灯，碘钨灯氪灯，碘钨灯椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔聚光腔内表面镀反射或漫射膜聚光腔内表面镀反射或漫射膜 固体激光器的泵浦系统还要固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光冷却和滤光。常用的冷却方式。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却

9、等，其中以液冷最为普遍。有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。 灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱( (色心吸收色心吸收) )，或，或者冷却水中加重铬酸钾。者冷却水中加重铬酸钾。 半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有很多优点：有很多优点： 光谱匹配好，能量转换效率高；热效应小，光束空间质量光谱匹配好，能量转换效率高；热效应小，光束空间质量好；寿命长，可靠性高；体积小，结构紧凑。好；寿命长，可靠性高；体积小，结构紧凑。 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有半导体激光器泵浦固体激光器

10、的结构，有直接端面泵浦、直接端面泵浦、光纤耦合端面泵浦和侧泵浦方式。光纤耦合端面泵浦和侧泵浦方式。端泵适合中小功率激光器，端泵适合中小功率激光器，侧泵适合大功率激光器。侧泵适合大功率激光器。 2. 2. 半导体激光二极管泵浦半导体激光二极管泵浦直接端面泵浦直接端面泵浦光纤耦合端面泵浦光纤耦合端面泵浦侧泵浦方式侧泵浦方式1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台红宝石激光器发明第一台红宝石激光器三、典型固体激光器三、典型固体激光器第一台红宝石激光器的拆卸图第一台红宝石激光器的拆卸图红宝石（红宝石（Cr3+：Al2O3)激光器激光器 红宝石是在三氧化二铝红宝石是在三氧化二铝(A12O3)

11、中掺入少量的氧化铬中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体（重量比为生长成的晶体（重量比为0.03%0.07%)，铬离子浓度约为，铬离子浓度约为1019/cm3，吸收光谱特性主要取决于铬离子，吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，各向异性，各向异性晶体，具有双折射。晶体，具有双折射。红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的吸收光谱U带：带：360450nm （峰（峰410nm）Y带：带：510600nm （峰（峰550nm） 入射光偏振方向平行或垂直光轴，吸收谱略有差别。入射光偏振方向平行或垂直光轴，吸收谱略有差别。1. 发光机理发光机理 红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构

12、发射谱：发射谱：R1线：线：694.3nm（强）（强）R2线：线：692.9nm（弱）（弱） 上的粒子数占上的粒子数占47%， 上的粒子数占上的粒子数占53%，而，而且且 与与 之间存在快速弛之间存在快速弛豫，所以豫，所以R1线比线比R2线优先线优先振荡。振荡。R1线一旦振荡，线一旦振荡， 上的粒子及时补充到上的粒子及时补充到 上，上，因此不形成因此不形成R2线振荡输出。线振荡输出。A2A2EEA2E2. 输出特性输出特性（1）三能级系统，阈值泵浦能量高，以）三能级系统，阈值泵浦能量高，以脉冲方式脉冲方式运转运转 （6）调）调Q巨脉冲：峰值功率几十巨脉冲：峰值功率几十MW，脉宽几十，脉宽几十n

13、s。 （2）温度效应明显（温度升高，移向长波，线宽增加）。温）温度效应明显（温度升高，移向长波，线宽增加）。温度增加度增加10度，波长变化度，波长变化0.07nm。 （3）荧光线宽较大，有）荧光线宽较大，有100多个多个纵模纵模振荡，单色性差。振荡，单色性差。（4）激光上能级寿命长（）激光上能级寿命长（3ms），有利于储能，输出能量大。），有利于储能，输出能量大。（5）激光器输出红光，适合应用需要。）激光器输出红光，适合应用需要。1. 掺钕钇铝石榴石激光器（掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG） 将一定比例的将一定比例的A12O3、Y2O3，和，和 Nd2O3 在单晶炉中进行熔化在单晶炉中进行熔

14、化结晶而成。结晶而成。Nd2O3的重量比为的重量比为0.725%（掺入约（掺入约1%原子百分比原子百分比的钕离子），晶体呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子的钕离子），晶体呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3)，亚稳态寿命亚稳态寿命230微秒，有多个激发态，有多个激光下能级。微秒，有多个激发态，有多个激光下能级。吸收谱：吸收谱：5条吸收带，带宽约条吸收带，带宽约30nm。0.53m， 0.58m， 0.75m，0.81m， 0.87m；以；以0.75m， 0.81m为最强。为最强。钕激光器钕激光器（1）发光机理）发光机理基态：基态：49 2I（中心波长（中心波长810nm和和750nm，带宽，带宽

15、30nm）1E泵浦泵浦4E3E（亚稳态）（亚稳态）无辐射跃迁无辐射跃迁（很快）（很快）1064nm411 2I四能级四能级1350nm413 2I四能级四能级三能级三能级49 2I946nmE2E2 （2） 输出特性输出特性 四能级系统，阈值能量低，可连续运转；四能级系统，阈值能量低，可连续运转； 导热率高，易于散热；导热率高，易于散热； 尺寸长，均匀性好，易加工，价格低；尺寸长，均匀性好，易加工，价格低； 效率高：效率高：0.4%2.5%。 可连续运转、脉冲运转、调可连续运转、脉冲运转、调Q Q（纳秒脉冲）、锁模（皮秒（纳秒脉冲）、锁模（皮秒脉冲）。脉冲）。发射谱：发射谱：最强最强 1.06

16、4m ， 次强次强 0.946m ，最弱，最弱 1.35 m ，强度比为强度比为0.6：0.25：0.14，还有其它谱线。存在谱线竞争，还有其它谱线。存在谱线竞争，必须进行谱线选择。必须进行谱线选择。吸收谱：吸收谱：类似类似Nd:YAG，但吸收谱更宽。，但吸收谱更宽。发射谱：发射谱：0.92 m ，1.062 m ，1.37 m，荧光线宽大（，荧光线宽大（30nm），锁模超短脉冲：脉宽），锁模超短脉冲：脉宽1ps优点：大尺寸（直径优点：大尺寸（直径10cm，长度，长度1m），玻璃各项同性，均），玻璃各项同性，均匀性好，亚稳态寿命长（匀性好，亚稳态寿命长（600900s），储能大。可用于大能），

17、储能大。可用于大能量大功率激光器。量大功率激光器。基质：基质：硅酸盐或磷酸盐玻璃硅酸盐或磷酸盐玻璃掺杂：掺杂： ，浓度，浓度3%23Nd O缺点：导热率低，振荡阈值大于缺点：导热率低，振荡阈值大于Nd:YAG，不适于连续或高，不适于连续或高重复频率运转。重复频率运转。2. 钕玻璃激光器钕玻璃激光器3203cm/103 浓浓度度：Nd 吸收带吸收带400-600nm，可用蓝绿光泵浦。发射谱范围，可用蓝绿光泵浦。发射谱范围660-1180nm，最大增益在，最大增益在790nm。可做成。可做成可调谐激光器可调谐激光器或或超短脉超短脉冲激光器冲激光器。基质：基质： 晶体晶体23Al O掺杂：掺杂： （

18、原子百分比约为（原子百分比约为0.1）3Ti 自锁模超短光脉冲：脉宽自锁模超短光脉冲：脉宽11fs掺钛蓝宝石激光器掺钛蓝宝石激光器（TiTi：AlAl2 2O O3 3）其它工作物质其它工作物质（1）掺钕钒酸钇晶体）掺钕钒酸钇晶体（Nd：YVO4) 受激辐射截面大（受激辐射截面大（YAG的的5倍）、对倍）、对809nm有很强吸收（适合有很强吸收（适合LD抽抽运），有运），有1.064m 、1.342m 、0.942m三条主要谱线。三条主要谱线。（2）掺铒钇铝石榴石）掺铒钇铝石榴石（Er：YAG）：有）：有2.94m和和1.6m两条主要谱线两条主要谱线激光工作物质：激光工作物质：气体的原子、分子

19、、离子或准分子。气体的原子、分子、离子或准分子。泵浦方式：泵浦方式：气体放电泵浦气体放电泵浦激光工作方式：激光工作方式：多数以四能级方式工作多数以四能级方式工作激光器装置：激光器装置：激光管（放电管），电极，光谐振腔（平凹腔）激光管（放电管），电极，光谐振腔（平凹腔）2.2.3 气体激光器气体激光器放电管：放电管：有毛细管和储气管组成，放电只在毛细管进行，储气管与毛细有毛细管和储气管组成，放电只在毛细管进行，储气管与毛细管相通，不断更新气体。管相通，不断更新气体。电极：电极：阳极采用钨棒，阴极采用电子发射率高的铝及其合金，阴极做出阳极采用钨棒，阴极采用电子发射率高的铝及其合金，阴极做出圆筒状，

20、再用钨棒引导管外。圆筒状，再用钨棒引导管外。谐振腔：谐振腔：一般采用平凹腔，平面镜透过率一般采用平凹腔，平面镜透过率12%。有内腔式、外腔式、半。有内腔式、外腔式、半内腔式三种。内腔式三种。（1）谱线范围宽，有上百种气体可产生激光，谱线有上万条。）谱线范围宽，有上百种气体可产生激光，谱线有上万条。波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。（2）光束质量高，单色性、方向性、相关性均优于其它激光）光束质量高，单色性、方向性、相关性均优于其它激光器。器。（3）频率稳定，易获得连续的激光和脉冲输出。）频率稳定，易获得连续的激光和脉冲输出。（4）有些气体激光器输出功率很大，如二氧化碳激

21、光器达到）有些气体激光器输出功率很大，如二氧化碳激光器达到数十万瓦。数十万瓦。气体激光器突出优点：气体激光器突出优点：缺点：缺点：体积庞大。体积庞大。一、气体激光器的工作物质一、气体激光器的工作物质 工作物质工作物质：气体：气体 分类分类：原子气体、分子气体和电离化离子气体，分别：原子气体、分子气体和电离化离子气体，分别称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。光器。 产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体主要是几种惰性气体（如氦、氖、氩、氪、氙等），体主要是几种惰性气体（如氦、氖、

22、氩、氪、氙等），有时也可采用某些金属原子（如铜、锌、镉、铯、汞有时也可采用某些金属原子（如铜、锌、镉、铯、汞等）蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器等）蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器的典型代表是氦一氖气体激光器。的典型代表是氦一氖气体激光器。 原子气体激光器：原子气体激光器： 产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的主要分子气体工作物质有主要分子气体工作物质有CO2、CO、N2、H2、HF和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化碳（碳（CO2）激光器和氮分子（）激光器和氮分子（N2

23、）激光器。）激光器。 分子气体激光器：分子气体激光器： 是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的有是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表型器惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表型器件是氩离子（件是氩离子（Ar+）激光器、氪离子（）激光器、氪离子（Kr+）激光器）激光器以及氦一镉离子激光器等。以及氦一镉离子激光器等。离子气体激光器：离子气体激光器：EF段为正常段为正常辉光放电辉光放电，电流增加，管压几乎不变，氦氖激，电流增加，管压几乎不变，氦氖激光器工作于该区；光器工作于该区；GH段为段为弧光放电弧光放电, 氩离子激光器工作于氩离子激光器工作于

24、该段区。该段区。二、气体激光器的泵浦方式二、气体激光器的泵浦方式 一般采用一般采用气体泵浦方式气体泵浦方式，即在高电压作用下，气体分子，即在高电压作用下，气体分子（原子）电离而导电。高速电子对发光粒子（原子）电离而导电。高速电子对发光粒子直接碰撞激发直接碰撞激发，或与辅助气体原子碰撞激发，然后辅助气体原子与发光粒子或与辅助气体原子碰撞激发，然后辅助气体原子与发光粒子发生发生能量的共振转移能量的共振转移。He-Ne激光器激光器三、典型气体激光器三、典型气体激光器氦和氖原子的能级图氦和氖原子的能级图1.1.发光原理发光原理 在在HeNeHeNe激光器中，激光器中，实现粒子数反转实现粒子数反转的主的

25、主要激发过程有：要激发过程有： 共振转移；共振转移； 电子直接碰撞激发；电子直接碰撞激发； 串级跃迁。串级跃迁。 激活介质按激活介质按He:Ne=10:1He:Ne=10:17:17:1填充，填充，氖为发光气体氖为发光气体；氦为；氦为辅辅助气体助气体，用来改善放电特性，提高氖原子的反转粒子数密度。，用来改善放电特性，提高氖原子的反转粒子数密度。He-NeHe-Ne激光器是典型的激光器是典型的四能级系统四能级系统，其激光谱，其激光谱线主要有三条线主要有三条 : :3S22P4 0. .6328 m2S22P4 1. .15 m3S23P4 3. .39 m 根据能量跃迁选择定则，根据能量跃迁选择

26、定则，Ne原子可以产生很多条谱线，原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即其中最强的谱线有三条，即0.6328um、3.39um和和1.15um，对应跃迁能级分别为，对应跃迁能级分别为3S22P4,3S23P4和和2S22P4。2P和和3P态，不能直接向基态跃迁，而向态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。态跃迁很快。1S态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这就是为什么管壁，自己回到基态。这就是为什么HeNe激光器中要激光器中要有一

27、根内径较细的放电管的原因。有一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，从能级图可见，HeNe激光器是典型的激光器是典型的四能级系统四能级系统。2. He-Ne2. He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性 (1) (1) 输出功率特性输出功率特性 : : HeHe-Ne-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。激光器的放电电流对输出功率影响很大。输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。 存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。存在着最佳混合比和最佳充气总

28、压强，即存在最佳充气条件。 放电毛细管的直径为放电毛细管的直径为d d，充气压强为，充气压强为p p，则存在一个使输出功率最大的最，则存在一个使输出功率最大的最佳佳pdpd值。值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d d成反比。成反比。 输出功率与充气总气压的关系输出功率与充气总气压的关系1托托=133.2Pa(2) (2) 谱线竞争谱线竞争: : 0 0.6328.6328 m m，1.151.15 m m，3.393.39 m m哪一条谱线起振哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。有三种方法：完全取决于谐振腔介质

29、膜反射镜的波长选择。有三种方法：色散法色散法：在腔内插入棱镜；：在腔内插入棱镜；吸收法：吸收法：在腔内插入对在腔内插入对3.393.39 m m 光有强吸收，而对光有强吸收，而对0.63280.6328 m m光光 透明的甲烷。透明的甲烷。外加非均匀磁场：外加非均匀磁场：使谱线加宽，增益系数下降，使谱线加宽，增益系数下降， 3.393.39 m m 光光 的增益下降最多。的增益下降最多。3.3.激光器输出激光器输出放电管长放电管长 L10cm 输出功率输出功率P0.1mW L50cm P10mW L150cm P50mW 实用上的输出功率限度：实用上的输出功率限度：100mW100mW左右左右

30、放电管内径：几厘米放电管内径：几厘米 放电管长：几米放电管长：几米 基本结构基本结构工作物质为二氧化碳，加入工作物质为二氧化碳，加入氮气、氦气作为辅助气体氮气、氦气作为辅助气体，以提，以提高输出功率和效率。高输出功率和效率。有二个显著特点：输出功率和能量相当大，既能连续工作，有二个显著特点：输出功率和能量相当大，既能连续工作，又能脉冲工作，连续工作输出功率达到几十万瓦，脉冲工作脉又能脉冲工作，连续工作输出功率达到几十万瓦，脉冲工作脉宽大宽大ns量级，峰值功率达量级，峰值功率达TW，能量转换效率达，能量转换效率达2025%；输；输出波长分布在出波长分布在918 m，已观察到上百条谱线，其中，已观

31、察到上百条谱线，其中10.6 m最重要。最重要。构成构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 CO2激光器激光器1. 发光原理发光原理激发过程激发过程（1 1）上能级的激发：）上能级的激发：电子与电子与COCO2 2分子直分子直接碰撞激发；或高速电子与接碰撞激发；或高速电子与N N2 2分子碰撞，分子碰撞， N N2 2再与基态的再与基态的COCO2 2分子发生能量的共振转分子发生能量的共振转移。移。（2 2）发射激光）发射激光：上能级的

32、：上能级的COCO2 2分子向不分子向不同的下能级跃迁，产生同的下能级跃迁，产生10.610.6 m m和和9.69.6 m m的激光，存在谱线竞争，但的激光，存在谱线竞争，但10.610.6 m m的跃的跃迁几率大。迁几率大。（3 3）下能级的弛豫：）下能级的弛豫：从激光下能级到从激光下能级到基态的辐射跃迁是禁止的，只能分两步基态的辐射跃迁是禁止的，只能分两步辐射跃迁到基态，但辐射跃迁几率很小。辐射跃迁到基态，但辐射跃迁几率很小。下能级的弛豫主要是下能级的弛豫主要是靠碰撞跃迁靠碰撞跃迁，分两，分两步来实现。下能级的步来实现。下能级的COCO2 2分子与分子与基态基态COCO2 2分子分子碰撞

33、回到碰撞回到010010能级，然后再与能级，然后再与基态基态HeHe原子原子碰撞回到基态。碰撞回到基态。HeHe气还有很好的气还有很好的导热性质，可降低混合气体的温度。导热性质，可降低混合气体的温度。2. 2. 输出特性输出特性 (1) 放电特性放电特性 相应于相应于COCO2 2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。COCO2 2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。以及气体混合比有关。 (2) 温度效应温度效应 COCO2 2激光器将有激光器将有6060以上的能量转换

34、为气体的热能，使温以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发上能级的消激发和激光下能级的热激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子反转数减少。并且，这都会使粒子反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起别是，气体温度的升高，还将引起COCO2 2分子的分解，降低分子的分解，降低放电管内的放电管内的COCO2 2分子浓度。分子浓度。 1. 1. 基本结构基本结构 惰性气体的典型代表，大电流放电激励；激光谱线非常丰惰性气

35、体的典型代表，大电流放电激励；激光谱线非常丰富，在可见光区和紫外光区，富，在可见光区和紫外光区，488nm和和514.5nm最强；既可最强；既可以连续工作，也可以脉冲工作，连续工作功率达几十以连续工作，也可以脉冲工作，连续工作功率达几十W；能；能量转换效率较低，最高达量转换效率较低，最高达0.6%。氩离子激光器氩离子激光器 Ar Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。几部分组成。2. 2. 发光原理发光原理与产生激光有关的与产生激光有关的ArAr+ +的能级结构的能级结构从从3P44P到到3P44S发射可见光激光，由于这两个

36、能级都由若干子能发射可见光激光，由于这两个能级都由若干子能级组成，所以可发射级组成，所以可发射9条蓝绿谱线条蓝绿谱线，其中，其中488nm和和514.5nm最强。最强。 Ar+激光器的激活粒子是激光器的激活粒子是Ar+， Ar+激光器的激发过程分两步进行：通过激光器的激发过程分两步进行：通过气体放电，将氩原子气体放电，将氩原子Ar电离电离,再通过再通过放电激励将放电激励将Ar+激发到激光上能级。激发到激光上能级。 图为图为Ar+离子与激光产生过程有关的离子与激光产生过程有关的能级图。中性能级图。中性Ar原子在放电过程中，与原子在放电过程中，与快速电子碰撞后电离快速电子碰撞后电离,形成处在基态形

37、成处在基态P5上上的的Ar+离子。该基态离子。该基态Ar+离子再与高速电离子再与高速电子碰撞，被激发到高能态。当激光上下子碰撞，被激发到高能态。当激光上下能级间产生粒子数反转时，即可生产激能级间产生粒子数反转时，即可生产激光。光。3. Ar3. Ar激光器的工作特性激光器的工作特性 ArAr激光器可以产生多条激光谱线，其中激光器可以产生多条激光谱线，其中488nm488nm和和514.5nm514.5nm最最强。强。 (1)(1)多谱线工作多谱线工作 (2)(2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于由于ArAr激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变激光器特殊的激发机制

38、，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同。化规律与其它激光器有所不同。ArAr+ +激光器输出功率随放电电流变化激光器输出功率随放电电流变化液体溶液作为工作物质液体溶液作为工作物质有机溶液激光器：染料激光器有机溶液激光器：染料激光器无机溶液激光器无机溶液激光器激励方式：激励方式：光泵激励光泵激励染料激光器基本结构：染料激光器基本结构：染料池，谐振腔，泵浦光源，染料池，谐振腔，泵浦光源，染料溶液的循环及过滤系统染料溶液的循环及过滤系统1.1.染料激光器的泵浦方式与基本结构染料激光器的泵浦方式与基本结构 工作方式：工作方式： 连续运转或脉冲方式连续运转或脉冲方式特点：特点： （1 1）

39、可调谐）可调谐330nm1.85 m （2 2）可产生极窄光脉冲）可产生极窄光脉冲30fs压缩压缩6fs2.2.4 染料激光器染料激光器2.2.染料激光器的工作原理染料激光器的工作原理 染料分子的能级图染料分子的能级图 典型染料（若丹明典型染料（若丹明6G6G）的）的 吸收荧光光谱图吸收荧光光谱图 01SS（1 1）染料分子能级）染料分子能级 染料分子能级是染料分子能级是准连续态能级结构准连续态能级结构, ,包括电子运动、原子间相包括电子运动、原子间相对振动和分子转动。根据自旋状态分为对振动和分子转动。根据自旋状态分为单态和三重态单态和三重态，用，用S S和和T T表示。表示。S S0 0为基

40、态，其余为激发态。染料分子吸收能量从为基态，其余为激发态。染料分子吸收能量从S S0 0跃跃迁到迁到S S1 1的某一振动的某一振动- -转动能级，寿命很短（转动能级，寿命很短（psps量级），把能量量级），把能量传递给溶剂分子，回到传递给溶剂分子，回到S S1 1的最低能级，寿命的最低能级，寿命nsns量级。量级。（2 2）染料分子的光辐射过程）染料分子的光辐射过程 辐射跃迁主要发生在单态之间辐射跃迁主要发生在单态之间或或三重态之间，单态和三重态之三重态之间，单态和三重态之间的辐射跃迁是禁戒的。所以，分子间的辐射跃迁是禁戒的。所以，分子从从S S1 1最低能级跃迁到最低能级跃迁到S S0 0

41、态态的任意能级发光，的任意能级发光，然后通过无辐射跃迁回到然后通过无辐射跃迁回到S S0 0最低能级。最低能级。属于属于四能级结构。四能级结构。 （3 3）染料分子的三重态）染料分子的三重态“陷阱陷阱” ：S S1 1到到T T1 1的无辐射跃迁，的无辐射跃迁， 减少减少S S1 1上的粒子；缩短上的粒子；缩短T T1 1寿命，消除三重态寿命，消除三重态“陷阱陷阱”。常见有机染料激光器的激光调谐范围常见有机染料激光器的激光调谐范围3. 3. 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦（1 1）闪光灯脉冲泵浦）闪光灯脉冲泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和

42、同轴式。 （2 2）激光脉冲泵浦）激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器光器(0(0. .337337 m)m)，红宝石激光器，红宝石激光器(0.6943(0.6943 m)m)，钕玻璃激光器，钕玻璃激光器(1.06(1.06 m)m)，铜蒸气激光器，铜蒸气激光器(0.5106(0.5106 m m、0.57820.5782 m)m)，准分子激，准分子激光器光器( (主要在紫外区主要在紫外区) ) 以及这些激光的二次、三次谐波等。以及这些激光的二次、三次谐波等。 4.4.染料激光器的调谐染料激光器的调谐（1 1

43、）光栅调谐）光栅调谐 放在腔中的光栅放在腔中的光栅G G具有扩束和色散作用。具有扩束和色散作用。 （2 2）棱镜调谐）棱镜调谐 （3 3）双折射滤光片调谐）双折射滤光片调谐 利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的谐方法，国内外的ArAr激光、激光、YAGYAG倍频激光泵浦的染料激光器，倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。都使用这种方法调谐。典型染料激光器原理示意图典型染料激光器原理示意图2.2.5 半导体激光器半导体激光器 半导体激光器是用半导体激光器是用半导体材料半导体材料作为工作物质的一类激光器，作为工

44、作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。 常用材料常用材料有砷化镓（有砷化镓（GaAsGaAs）、硫化镉（）、硫化镉（CdSCdS）、磷化铟）、磷化铟(InP)(InP)、硫化锌、硫化锌(ZnS)(ZnS)等。等。 激励方式激励方式有有电注入电注入、电子束激励电子束激励和和光泵浦光泵浦三种形式。三种形式。 通常利用半导体晶体的通常利用半导体晶体的解理面解理面形成两个平行反射镜面作为形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成反射镜，组成谐振腔谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光

45、大，输出激光。 半导体激光器件，可分为半导体激光器件，可分为同质结同质结、单异质结单异质结、双异质结双异质结等等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 正向电压正向电压V V时形成的双简并能带结构时形成的双简并能带结构热平衡下热平衡下PNPN能带能带u产生受激辐射的条件：产生受激辐射的条件：在结区的导带底部和价带顶部形成在结区的导带底部和价带顶部形成粒子（电子）数反转分布。粒子（电子）数反转分布。 gFFE

46、EEEE 12 缺点缺点:激光性能受温度影响大激光性能受温度影响大，光束的发散角较大光束的发散角较大(一般在几度到一般在几度到20度之间度之间)，所以在方向性、单色，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差性和相干性等方面较差.优点：优点：输入能量最低输入能量最低，效率最高效率最高，体积最小体积最小，重重量最轻量最轻，可以直接调制可以直接调制，结构简单结构简单，与，与集成电路集成电路生产工艺兼容生产工艺兼容，价格低廉价格低廉，可靠性高可靠性高，寿命长寿命长等。等。目前销售总数量已占各种激光器的目前销售总数量已占各种激光器的99，成为世，成为世界激光器市场上的绝对主流。界激光器市场上的绝对主流。随

47、机激光器随机激光器 Random laser随机激光器：随机激光器：利用随机介质对光的多重散射而形成受激辐射的激利用随机介质对光的多重散射而形成受激辐射的激光器。光器。随机激光器可用于新型平面光显示器，紫外激光器等制备。随机激光器可用于新型平面光显示器，紫外激光器等制备。2.2.6 新型激光器简介新型激光器简介 自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为

48、大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器自由电子激光器(简称简称FEL)。自自 由由 电电 子子 激激 光光 器器Free Electron Laser自由电子激光器在自由电子激光器在短波长短波长、大功率大功率、高效率高效率和和波长可调节波长可调节这四大主攻方向上，这四大主攻方向上，为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、

49、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域，它应用的前景也很可观。同位素分离、遥感等领域，它应用的前景也很可观。常见激光器性能比较常见激光器性能比较各种类型激光器性能参数各种类型激光器性能参数 2.3 激光的应用激光的应用 激光的应用非常广泛，几乎遍及工业、农业、军事、激光的应用非常广泛，几乎遍及工业、农业、军事、医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激光器发射光的医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激光器发射光的功率密度，相干性、准直性、单色性的不同，应用范围也功率密度，相干性、准直性、单色性的不同，应

50、用范围也不同。例如，激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直不同。例如，激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析、激光受控热核反应等，主要是利用激光的分析、激光受控热核反应等，主要是利用激光的方向性方向性与与高功率密度高功率密度；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多谱勒效应则主要是利用激光的谱勒效应则主要是利用激光的单色性单色性和和相干性相干性。当然，激。当然，激光的几方面的特性往往不能截然分开，有的应用（如非线光的几方面的特性往往不能截然分开，有的应用

51、（如非线性光学）与激光的几方面的特性都有关。下面就一些方面性光学）与激光的几方面的特性都有关。下面就一些方面的应用举例介绍。的应用举例介绍。激光测距激光测距 利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。、角度等。 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大的高温）把大块硬质材料焊接在一起。块硬质材料焊接在一起。激光快速成型激光快速成型激光雕刻激光雕刻激光核聚变激光核聚变这是这是激光核聚变激光核聚变靶室，在靶室内

52、十束激光同时聚向一个产生靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。激光医疗激光医疗由于光波的频率比由于光波的频率比电波的频率高好几电波的频率高好几个数量级，一根极个数量级，一根极细的光纤能承载的细的光纤能承载的信息量，相当于图信息量，相当于图片中这么粗的电缆片中这么粗的电缆所能承载的所能承载的信息量。信息量。 激光通讯激光通讯激光武器激光武器激光展示激光展示2.4 激光脉冲技术激光脉冲技术 普通激光器输出的光脉冲不是普通激光器输出的光脉冲不是单一单一的光滑脉冲，的光滑脉冲，而是一群由宽度只有而是一群由宽度只有 s量级的强度

53、不同的小尖峰量级的强度不同的小尖峰脉冲组成的脉冲组成的序列序列，因此需，因此需压缩脉宽压缩脉宽，增大峰值功率增大峰值功率。为了适应激光的某些应用，进一步压缩脉宽和提高为了适应激光的某些应用，进一步压缩脉宽和提高功率成为迫切需要解决的问题，于是产生了激光短功率成为迫切需要解决的问题，于是产生了激光短脉冲技术，包括脉冲技术，包括激光调激光调Q技术技术和和激光锁模技术激光锁模技术。调。调Q技术可以产生脉宽技术可以产生脉宽10-710-9s量级、峰值功率量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁模技术可以产生量级的巨脉冲，锁模技术可以产生10-1210-15s量级的超短脉冲。量级的超短脉冲。激光调激光调Q技术

54、技术 激光调激光调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，从技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术。而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术。 激光调激光调Q技术的基础是一种特殊的光学元件技术的基础是一种特殊的光学元件-快速腔内光快速腔内光开关，一般称为激光调开关，一般称为激光调Q开关或简称为开关或简称为Q开关。激光调开关。激光调Q技术技术的目的是：的目的是：压缩脉冲宽度，提高峰值功率压缩脉冲宽度，提高峰值功率。Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标，一个品值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标，一个品质因数。质因数。Q值定义值定

55、义=2谐振腔内储存的能量谐振腔内储存的能量/每震荡周期损每震荡周期损耗的能量。耗的能量。Q值愈高，所需要的泵浦阈值就越低，亦即激光愈容易起值愈高，所需要的泵浦阈值就越低，亦即激光愈容易起振。振。在一般的脉冲固体激光器中，若不采用特殊的措施，脉在一般的脉冲固体激光器中，若不采用特殊的措施，脉冲激光在腔内的振荡持续时间与光泵脉冲时间冲激光在腔内的振荡持续时间与光泵脉冲时间(毫秒量级左右毫秒量级左右)大致相同，因此输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的。大致相同，因此输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的。 如果采用一种特殊的技术，使光泵脉冲开始后相当长一段如果采用一种特殊的技术，使光泵脉冲开始后相当长一段时间，有意降低共振腔的时间，有意降低共振腔的Q值而不产生激光振荡，则工作物值而