[物理]激光器简介

1、激光器简介第一节 概述第二节 气体激光器 第三节 固体激光器第四节 半导体激光器主要内容：第一节 概述一、 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三部分构成。激光器的基本结构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,。(a) 自发辐射h=E2-E1初态E2E1终态E2E1光子的特点：非相干光h初态E2E1终态E2E1(b) 受激辐射光子的特点：相干光 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为

2、相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 产生激光的必要条件一：提供受激辐射的物质h初态E2E1终态E2E1 受激辐射弛豫，能量差以产生热的方式消耗大部分激光器都需要较好的散热系统，特别是固体和气体激光器，由于转换效率比较低，大型的固体和气体激光器一般都需要循环水进行冷却 高能态 低能态 高能态 低能态正常分布反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生粒子数反转的方法使用激励源（泵浦原）进行激励激励源固体激光器光泵浦气体激光器光泵浦或电泵浦半导体激光器电泵浦或光泵浦光增益ECEV产生激光的必要条件

3、三：有光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔工作物质反射镜部分反射镜输出部分激光稳定工作的条件1：合适的谐振腔产生稳定振荡的条件（相位条件）频率间隔为具有波长选择功能法布里-珀罗腔法布里-珀罗标准具或简称标准具或F-P标准具为什么激光器一般只发射一个或少数几个波长出射波长一般由工作物质和波长选择共同决定连续激光与脉冲激光连续激光：激光连续出射，典型的激光笔，氦氖激光脉冲激光：激光以脉冲方式出射，根据单个脉冲宽度的大小分为了纳秒激光器，飞秒激光器等实现脉冲的方式：一、控制谐振腔的损耗（多用于固体激光器）二、控制激励方式（多用于半导体激光器）调Q原理调Q原理控制激励脉冲电流或电压第二节 气体激光器 气体激

4、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、气体分子或气体离子,又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。 原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子,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。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。准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在

5、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* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表为XeF* 准分子激光器。 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。 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。 第二节 气体激光器一、 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

6、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%。1. 分类 1).直流连续放电直流连续放电是指在气体激光器放电管两电极间加上可调的直流电压。第二节 气体激光器第二节 气体激光器 2).高频放电高频放电也叫做射频气体放电。所谓射频,通常指频率在几兆到几百兆范围内的电磁波。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。第二节 气体激光器 3).脉冲放电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

7、产生脉冲辉光放电和脉冲弧光放电。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。准分子激光器采用脉冲放电方式。大功率高气压气体激光器多采用短脉冲放电方式。第二节 气体激光器二、He-Ne激光器 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。特点： He-Ne激光器输出连续光,主要工作波段在可见光到近红外区域,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。由于增益低,输出功率一般为毫瓦量级(0.5100mW)。器件结构简单,造价低廉。应用

8、：He-Ne激光器广泛应用于准直、精密计量、信息处理、医疗、照排印刷等领域。第二节 气体激光器 1、He-Ne激光器的基本结构 He-Ne激光器的基本结构由激光管和电源两部分组成,其中,激光管主要包括放电管、电极和谐振腔三部分,放电管是He-Ne激光器的核心。放电管通常由毛细管和储气室构成。当在电极上施加高压后,毛细管中的气体开始放电,使氖原子产生粒子数反转。气体放电仅在毛细管中进行, 储气室的作用是维持毛细管内He、Ne气体的比例及总气压,以延长器件的寿命。第二节 气体激光器第二节 气体激光器布儒斯特定律光从折射率为 n1 的介质射向折射率为 n2 的介质时，当入射角满足反射光就变为振动方向

9、垂直于入射面的完全偏振光。而折射光仍为部分偏振光。ib称为布儒斯特角此时反射角和折射角之和为90度: 第三节 固体激光器一、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。晶体如Al2 O3 , 石榴石型晶体YAG、YAP，CaF2晶体等。玻璃则有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。 掺杂离子: 如钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、 镝(Dy3+) 、钬(Ho3+)、铒(Er3+)、镱(Yb3+)等。 Nd:YAG激光器固体激光器多

10、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。第三节 固体激光器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。红宝石激光器端面泵浦侧面泵浦半导体激光器半导体激光器

11、也称为半导体激光二极管,或简称激光二极管(LaserDiode,缩写LD)。 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:(1)A A 族化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。(2) B A族化合物半导体,如硫化镉(CdS)等。(3)AA族化合物半导体,如碲锡铅(PbSnTe)等。 半导体激光器采用注入电流方式泵浦。 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。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。

12、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。 半导体激光器 最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、P型和N型限制层构成，如下图所示。解理面金属接触电流有源层P型N型300m100m200m大面积半导体激光器1）、同质结（PN结）半导体激光器 2）、异质结半导体激光器 同质结、异质结结构示意图半导体激光器基本结构注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L 法布里珀罗腔 半导体激光器LD与LED的区别LD：laser diodeLED：light emitting diode解理面金属接触电流有源层P型N型300m100m200m半导体激光器的典型应用主要应用领域 （1） 通信与光储存（2） 材料加工（4）泵浦光源（5） 激光医疗及美容光信息存储红光半导体激光器，目前最大的应用是光信息的存取。如用于CD、VCD、DVD读写光头、