《激光基本原理和与技术》第三章典型激光器

1、激光基本原理和与技术第三章 典型激光器（第三章）3.1 概述3.1.2 激光器基本结构3.1.2 激光器分类按激光工作物质分气体激光器固体激光器液体激光器（代表染料激光器）半导体激光器（LD）光纤激光器化学激光器自由电子激光器X射线激光器激光原理与技术物理与电子工程学院4按化学组成分原子激光器分子激光器离子激光器自由电子激光器准分子激光器 (p102)激光原理与技术物理与电子工程学院5按激光运转方式分连续脉冲单脉冲重复频率准连续激光原理与技术物理与电子工程学院6按激光调制方式分自由运转调Q锁模稳频可调谐激光原理与技术物理与电子工程学院7按谐振腔类型分平面腔球面腔激光原理与技术物理与电子工程学院

2、8 3.2 气体激光器工作物质：气体；特点：工作物质数目最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广分类：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光器。 激光原理与技术物理与电子工程学院3.2.1 气体放电激励基础9 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），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。原子气体激光器的典型代表是氦一氖气体激光器。 激光原理与技术物理与电子工程学院原子气体激光器：10 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

3、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碳（CO2）激光器的氮分子（N2）激光器。 激光原理与技术物理与电子工程学院分子气体激光器：11 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，这方面的代表型器件是氩离子（Ar+）激光器、氪离子（Kr+）激光器以及氦一镉离子激光器等。离子气体激光器：激光原理与技术物理与电子工程学院12气体激光器的激励方式气体放电：在高电压作用下，气体分子（或原子）发生电离而导电。直流连续放电（辉光放电：高电压小电流，如He-Ne,CO2； 弧光放电：小电压大电流，如Ar+）高频放电(射频气体放电)脉冲放电

4、（如准分子激光器，脉冲辉光放电和脉冲弧光放电；直流脉冲放电和脉冲交流放电；短脉冲放电和长脉冲放电）激光原理与技术物理与电子工程学院13工作物质被激发的过程和类型第一类非弹性碰撞：快速电子于气体粒子碰撞： Ae(快速) Ae(慢) Ae(快速) Ae(慢)第二类非弹性碰撞：共振能量转移、电荷转移和潘宁效应共振能量转移： A B A BE 电荷转移： A B A B E 潘宁效应： A B A B E激光原理与技术物理与电子工程学院14气体原子激光器输出谱线：，等，以为最常见。功率在mW级，最大1W光束质量好，发散角可小于1mrad单色性好，带宽20Hz稳定性高应用很广泛：测量，激光照排，激光治疗

5、 激光原理与技术物理与电子工程学院3.2.2 He-Ne激光器15He-Ne激光器三个部分组成 能实现粒子数反转的工作物质(He-Ne气体)：激励能源：高压放电后，电子撞击工作物质而实现粒子数反转光学谐振腔：（凹）反射率接近100，即完全反射，另一个（平）反射率约为98 激光原理与技术物理与电子工程学院16一、HeNe激光器的结构由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。放电管是心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入He:Ne=5:110:1，当电极加上高电压后， 气体放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室HeNe激光管的阳极一般用钨棒制成，

6、阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。激光原理与技术物理与电子工程学院17按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。HeNe激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%2，凹面镜为全反射镜。激光原理与技术物理与电子工程学院18内腔式:优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。稳定性,阴极溅射物质污染窗片,寿命低外腔式:优点:谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。线偏振的激光.缺点：反射镜与放电管相

7、分离，相对位置易改变，需要调整，使用不方便. 体积大，安装不方便，易破碎。激光原理与技术物理与电子工程学院19 二、氦和氖原子的能级图He原子有两个电子，基态:1S0,He受激时，一个电子从1S激发到2S，成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。Ne原子有10个电子，基态:1S0；电子分布1S22S22P6,激发态:1S、2S、3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。激光原理与技术物理与电子工程学院20 三、HeNe激光器的激发过程在HeNe激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转

8、移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。激光原理与技术物理与电子工程学院21电子碰撞激发管壁效应自发辐射632.8nm共振转移s2s1Nes3s12s32Hep2p3激光原理与技术物理与电子工程学院22 根据能量跃迁选择定则，Ne原子

9、可以产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即、和，对应跃迁能级分别为3S22P4,3S23P4和2S22P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。lS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，可把能量交给管壁，自己回到基态。这就是为什么HeNe激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，HeNe激光器是典型的四能级系统。激光原理与技术物理与电子工程学院23 四、HeNe激光器的输出特性(1)谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线： 3Sm ， 2Sm ， 3Sm 中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。和两条激光

10、谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系数比较高,如果不进行抑制,则的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子。抑制辐射(2) 输出功率特性 P114图激光原理与技术物理与电子工程学院24激光原理与技术物理与电子工程学院25激光原理与技术物理与电子工程学院263.2.3 CO2激光器C02激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长() ，激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。 以C02、N2、CO、He等的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。混合气体的作用是提高激光器的输出功率和效率。气体激光器，分子激光器,波长 911um，最常见

11、10.6um,效率高,光束质量好,功率范围大（几瓦几万瓦）,运行方式多样,结构多样：封闭型，流动型，大气压型，气动型，波导型激光原理与技术物理与电子工程学院27一、 CO2激光器的结构典型的结构示意图。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架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 激光原理与技术物理与电子工程学院28CO2激光器工作原理对称振动形变振动反对称振动激光原理与技术物理与电子工程学院29二、 CO2激光器的激发过程C02激光器中,通过以下三个过程将C02分子激发到0001能级 1.直接电子碰撞 电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过

12、程可表示为 C02(0000)+e C02(0001)+e 2.级联跃迁 电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级,基态C02分子与高能级C02分子碰撞后跃迁到激光上能级,此过程可表示为 C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1) 3.共振转移 由于N2分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿命较长的亚稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程可表示为 C02(0000)+N2(v=1)C02(0001)+N2(v=0)激光原理与技术物理与电子工程学院30C02

13、分子0001能级与N2分子v=1能级十分接近,能量转移十分迅速。此外,N2分子的v=24能级与C02分子00020004也十分接近,相互间也能发生共振转移,处于00020004的C02分子与基态C02分子碰撞可将它激励至0001能级。在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大,作用也最为显著。C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。 一旦实现了(0001)与 (1000)、 (0200) 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生: 00011000跃迁产生波长的激光光00010200跃迁产生波长的激光。 由于以上跃迁具有同一上能级,而且00011000跃迁的几率大得多,所以C02

14、激光器通常只输出激光。若要得到的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制激光振荡。激光原理与技术物理与电子工程学院31上能级的激发下能级的激发弛豫过程辅助气体N2 CO He Xe H2 H2O各作用见P125激光原理与技术物理与电子工程学院32三、 CO2激光器的输出特性 相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2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。 实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。 例如：管径为 2030mm 时，最佳放电电流为3050mA 管径为5090mm 时，最佳放电电流为120150mA(1) 放电特性 CO2激光

15、器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有60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，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。 (2) 温度效应 激光原理与技术物理与电子工程学院33CO2激光器类型(P127-131)封离型纵向激励CO2激光器(P122)高功率轴快流CO2激光器高功率横流CO2激光器横向激励高气压CO2激光器（TEA）波导CO2激光器激光原理与技术物理与电子工程学院34CO2激光

16、器运行方式激光原理与技术物理与电子工程学院353.2.4 Ar离子激光器气体离子激光器主要波长488 nm，514.5 nm常见功率几十瓦，最高500 W能量转换效率低激光原理与技术物理与电子工程学院36一、 Ar激光器的结构 Ar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。如图所示为石墨放电管的分段结构 。 激光原理与技术物理与电子工程学院 1-石墨阳极，2-石墨片，3-石英环，4-水冷套，5-放电管，6-阴极，7-保热瓶，8-加热灯丝，9-布氏窗，10-磁场，11-储气瓶，12-电磁真空充气瓶阀，13-镇气瓶，14-波纹管，15-气压检测器。 37二、 Ar激光器的激发机理

17、Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图所示 Ar+激光器的激活粒子是Ar+， Ar+激光器的激发过程分两步进行：通过气体放电，将氩原子Ar电离,再通过放电激励将Ar+激发到激光上能级 图为Ar+离子与激光产生过程有关的能级图。中性Ar原子在放电过程中，与快速电子碰撞后电离,形成处在基态P5上的Ar+离子。该基态Ar+离子再与高速电子碰撞，被激发到高能态。当激光上下能级间产生粒子数反转时，即可生产激光。激光原理与技术物理与电子工程学院38 激光跃迁上能级(3P44P )粒子的积聚主要通过三种途径实现: (1)基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到3P44P 能级;(2)基态Ar+与电子碰撞后跃迁至高于

18、3P44P 的其他能级,再通过级联辐射跃迁至3P44P 能级;(3)基态Ar+和电子碰撞跃迁至低于3P44P 的亚稳态能级后再次与电子碰撞并跃迁至3P44P 能级。 由于Ar原子的电离能量(15eV)和激光跃迁上能级的激发能量(20eV)较高,正常运转所要求的平均电子动能(电子温度)很高。为了提高电子温度,氩离子激光器中的充气压强一般在150Pa以下。但低压强意味着Ar原子密度小,为了提高电离和激发速率,必须增加放电管内的电子密度。激光原理与技术物理与电子工程学院39三、 Ar激光器的工作持性 (1)多谱线工作 激光跃迁发生在Ar+的电子组态3P44P和3P44S之间。前者的寿命约为10-8s

19、,后者通过自发辐射迅速消激发,其寿命约为10-9s。由于3p44P和3P44s电子组态均对应若干子能级,所以连续工作的氩离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线,对应每条谱线都有一个阈值电流 。其中以488nm和谱线最强。在谐振腔内插入棱镜等色散元件,可以获得单谱线激光。(2)输出功率与放电电流的关系 由于Ar激光器特殊的激发机制，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。 放电电流较小时输出功率与放电电流成四次方的关系，随着放电电流的增大，输出功率与放电电流成平方的关系。这是因为，随着电流密度的增大，使气体温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长的速度变慢。激光原理与技术物理与电子工程

20、学院403.2.5 准分子激光器准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子高重复率可调谐量子效率高波长短，紫外到可见区主要的准分子激光器激光原理与技术物理与电子工程学院41准分子激光器工作原理跃迁过程泵浦要求电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理激光原理与技术物理与电子工程学院423.3 固体激光器一、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意图(冷却、滤光系统未画出)。 固体激光器的基本结构示意图激光原理与技术物理与电子工程学院43固体激光器特点运行方式多样：CW，PW，QCW，调Q，锁模，高平均功率，高重复率，高单脉冲能量及高峰值功率

21、。工作物质谱线多，达数千条，分布于可见到近红外区，通过频率变换技术可到紫外区系统简单，制造容易，传输灵活，可接光纤结构紧凑，牢固耐用，价格适宜激光原理与技术物理与电子工程学院441960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器激光原理与技术物理与电子工程学院45第一台红宝石激光器的拆卸图激光原理与技术物理与电子工程学院46二、红宝石激光器 （1）红宝石晶体 Cr3+: Al203, 激活是Cr3+,基质是刚玉晶体。红宝石属六方晶系,无色透明的负单轴晶体。 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,

22、相应的Cr3+密度为ntot19cm-3。 红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3 变成Cr3+, 最外层电子组态为3d3。光谱特性是Cr3+的3d壳层上三个电子跃迁。Cr3+在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。4A2是基态又是激光下能级,其简并度g1=4,2E是亚稳态,它是由能量差为29cm的2A和E二能级组成,其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收能带。图 红宝石中铬离子的能级结构激光原理与技术物理与电子工程学院47红宝石的吸收光谱如图所示。由4A2

23、向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在附近,称为紫带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在附近,称为绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约左右。图 红宝石中铬离子的吸收光谱图 红宝石中铬离子的能级结构 红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为和。通常红宝石激光器中只有 R1线才能形成激光输出。激光原理与技术物理与电子工程学院48 红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。 但具有很多优点,如:机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光

24、谱线较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。图 红宝石中铬离子的能级结构激光原理与技术物理与电子工程学院49 Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度为1.381020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2

25、O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图所示图 Nd3:YAG 晶体的吸收光谱图 Nd3:YAG 的能级结构YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如右图 所示。它属于四能级系统。 50比的荧光约强四倍的谱线先起振,进而抑制谱线起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只产生激光。只有采取选频措施，才能实现波长的激光振荡。 四、钕玻璃激光器 继1960年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最

26、佳掺入Nd2O3量为1%5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为31020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径30100mm,可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。 钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。51E4:含三个吸收带(抽运能带) *(吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带) (中心波长5900A)(. 7500

27、A)(. 8000A)E3:三条激光谱线公共的激光上能级 E2: 含二条激光谱线的二个激光下能级(四能级系统), 即( ,对应1.37m 谱线)( ,对应1.062m谱线) 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱 52E1:基态, 一条激光谱线的激光下能级(三能级系统): ( 对应0.92m谱线) 跃迁谱线: 1.062m:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; 1.37m: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观 察到;0.92m:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不 出现.533.3.2 固体激光器的泵浦系统 一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。惰性气体放电灯(灯内充入氙

28、山、氪等惰性气体)、金属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器、日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝石钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与Nd:YAG泵浦吸收带相匹配,故在连续和小能量脉冲Nd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨灯用220V电压即可,使用简单、方便,在功率小于1OW的连续Nd:YAG器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压蒸气灯,它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹

29、配,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。 在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。 二、泵浦光源应当满足两个基本条件。有很高的发光效率辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.54 1 惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。见图 (a)。 电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电极要设计成水冷结构,见图(b),灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙(Xe)、氪(kr)气体。 2 氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时,辐射的特征谱线的峰值波伏在、和1um附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的特征谱线的峰值波长在、和um附近。55三、固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和