激光原理与应用讲第五章课件

激光原理与应用本章主要内容：

1.固体激光器2.气体激光器3.染料激光器4.半导体机光器5.其他激光器5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质1.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5-1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)。

图5-1固体激光器的基本结构示意图固体激光器的特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达几十太瓦），结构紧凑牢固。

红宝石激光器属于典型的三能级系统，如图5-3所示。红宝石激光器荧光谱线为R1线（694.3nm）和R2（692.9nm）线，由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以红宝石激光器的激光输出为694.3nm。图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)工作物质：将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色；它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，吸收光谱如图(5-4)所示。图(5-4)Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示，属于四能级系统。

YAG激光器的两条荧光谱线中心波长分别为1.35μm和1.06μm

，后者强度约为前者的4倍，因此激光输出为1.064μm

。

图(5-5)Nd3＋:YAG的能级结构调谐波长：700-900nm5.1.4新型固体激光器2.可调谐固体激光器

实现激光器调谐基本要素：工作物质能够提供较宽的连续或准连续荧光光谱带，在谐振腔内插入适当的调谐器件。

可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。

5.1.4新型固体激光器3.高功率固体激光器

高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。

从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。

图(5-8)板条形固体激光器结构示意图小结：固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固。红宝石激光器输出的典型波长：694.3nm。YAG激光器输出的典型波长：1064nm。图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图2.He-Ne激光器的激发机理

其激光谱线主要有三条

:3S2P632.8nm2S2P1.15m3S3P3.39m

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器图(5-10)

是与产生激光有关的He原子核Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。

其他谱线还包括黄光和橙光。

3.He-Ne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(0.6328m，1.15m，3.39m)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。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器图(5-x)多层介质膜反射镜(2)输出功率特性:

He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图(5-11)是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线：图(5-11)输出功率与放电电流的关系曲线在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流；存在最佳混合比和最佳充气总压强

，即存在最佳充气条件；若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，

则存在一个使输出功率最大的最佳pd值；在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。

图(5-13)与产生激光有关的CO2分子能级图2.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。

CO2激光器的转换效率是很高，最高接近40％。其激光谱线主要有两条

:000102009.6m0001100010.6m5.2.2二氧化碳激光器5.2.3Ar+离子激光器1.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(5-14)所示为石墨放电管的分段结构。

图(5-14)分段石墨结构Ar+激光器示意图5.2.3Ar+离子激光器2.Ar＋激光器的激发机理

Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示

图(5-15)与产生激光有关的Ar+的能级结构Ar＋激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流：

波长 阈值电流488.0nm4.5A514.5nm7A476.5nm8A496.5nm9A501.7nm12A472.7nm14AAr＋激光器中通常需要加入选频元件来实现单一频率输出5.3.1染料激光器的激发机理染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。

需要避免三重态“陷阱”效应图(5-17)染料分子能级图图(5-18)染料的吸收-荧光光谱图染料激光器的特点是：波长调谐范围宽，输出功率较大，光束质量较好。

5.3.2染料激光器的泵浦1.闪光灯脉冲泵浦2.激光脉冲泵浦能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器，红宝石激光器，钕玻璃激光器，铜蒸气激光器，准分子激光器，以及这些激光的二次、三次谐波等。图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。图(5-19)三镜腔式染料激光器5.3.3染料激光器的调谐1.光栅调谐图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，光栅G具有扩束和色散作用。图(5-20)光栅-反射镜调谐腔5.3.3染料激光器的调谐3.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谐方法，国内外的Ar＋激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(5－22)给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。图(5-22)典型染料激光器原理示意图小结：染料激光器的特点是：波长调谐范围宽，输出功率较大，光束质量较好。

5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件1.纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。

图(5-24)本征半导体的能带半导体激光器的特点是：结构简单、体积小、效率高、价格便宜。

5.4.2PN结和粒子数反转未加电场时，电子和空穴的扩散与漂移作用使得的费米能级达到同一水平，如图(5-26)。

图(5-26)PN能带在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级和，称为准费米能级，如图(5-27)。

图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构图(5-28)GaAs激光器的结构5.4.3半导体激光器的基本结构和光束特点图(5-28)显示了GaAs激光器的结构。

图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。图(5-30)激光束的空间