第五讲典型的激光器

第五讲典型的激光器1第一页，共三十九页，2022年，8月28日2第二页，共三十九页，2022年，8月28日3第三页，共三十九页，2022年，8月28日1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。4第四页，共三十九页，2022年，8月28日工作物质：基质材料+发光粒子光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定基质材料：玻璃：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等晶体：白宝石（Al2O3）、钇铝石榴石（YAG）、铝酸盐、氟化钙等发光粒子（激活离子）：铬（Cr3+）、钕（Nd3+）、铒（Er2+）等一、固体激光器5第五页，共三十九页，2022年，8月28日特点：可获得大的激光能量输出，脉冲峰值功率很高，而且结构紧凑、牢固耐用。6第六页，共三十九页，2022年，8月28日（一）基本结构与工作物质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。以下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)。7第七页，共三十九页，2022年，8月28日红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)。它属于三能级系统，相应于右图的简化能级模型。（二）举例——红宝石激光器8第八页，共三十九页，2022年，8月28日工作物质：红宝石晶体（Cr2O3-Al2O3）发光的激活粒子：Cr3+（三能级系统）激光波长：694.3nm光谱线宽：0.01~0.1nm偏振特性：既可输出无偏振光，也可输出线偏振光（红宝石为单轴晶体，存在双折射现象）发散角：一般情况下远大于衍射角；由直径很细的红宝石棒发出的单模激光束的发散角可接近于衍射极限。9第九页，共三十九页，2022年，8月28日其他固体激光器：YAG激光器工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd2O3-YAG）发光的激活粒子：Nd3+（四能级系统）激光波长：1.06微米光谱线宽：0.73nm（室温下）偏振特性：输出无偏振光（YAG为立方晶体，无双折射现象）特点：振荡阈值低，容易实现连续运转，但在连续工作时，热效应将引起热光畸变（热透镜效应及热应力双折射）。在YAG基质上，还可以掺入Er3+、Tm3+等其他杂质。10第十页，共三十九页，2022年，8月28日钕玻璃激光器工作物质：钕玻璃（Nd2O3掺入到硅酸盐玻璃中形成）发光的激活粒子：Nd3+（四能级系统）激光波长：1.059微米光谱线宽：5~10nm（单色性较差）偏振特性：输出无偏振光（玻璃为各向同性物质，无双折射现象）11第十一页，共三十九页，2022年，8月28日1、固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目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。2、常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。（三）固体激光器的泵浦系统3、右图所示的椭圆柱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，其横截面是一个椭圆，泵浦灯和激光棒分别位于椭圆的两焦线上。12第十二页，共三十九页，2022年，8月28日4、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、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。5、泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。13第十三页，共三十九页，2022年，8月28日1、半导体激光器泵浦的固体激光器半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图所示的端泵浦方式和侧泵浦方式。（四）新型固体激光器2、可调谐固体激光器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。14第十四页，共三十九页，2022年，8月28日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，是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列固有矛盾（如折射率分布、应力双折射等）而提出的一种结构方案，其结构如图所示。15第十五页，共三十九页，2022年，8月28日

固体激光器红宝石激光器YAG激光器工作物质Al2O3＋Cr2O3；Cr3＋决定光谱性能Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3＋决定光谱性能物理过程三能级系统四能级系统激光谱线0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占优势1.35μm+1.06μm；一般只产生1.06μm泵浦源脉冲氙灯氪灯由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励泵浦特点*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上*泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。优缺点阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作阈值低、有优良的热学性质、适于连续和高重复率工作；是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质输出特性大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比)总体效率大概为0.5%-1%1%-3%特点输出能量大；峰值功率高；16第十六页，共三十九页，2022年，8月28日种类：原子气体激光器产生激光作用的是没有电离的气体原子，典型代表是氦氖激光器。分子激光器产生激光作用的是没有电离的气体分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和准分子激光器。离子激光器典型代表是氩离子激光器和氦镉离子激光器。二、气体激光器17第十七页，共三十九页，2022年，8月28日特点：发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，几乎遍布了从紫外到远红外的整个光谱区(已经观测到的谱线有万余条)；工作物质均匀性较好，使得输出光束的质量较高；容易实现大功率连续输出，如二氧化碳激光器可达万瓦级的功率输出；转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。18第十八页，共三十九页，2022年，8月28日工作物质：氦-氖气体（He-Ne）激光波长：0.6328微米（1.15微米、3.39微米）光谱线宽：小于20Hz（单色性好）发散角：10-3rad以下（方向性好）（一）氦-氖激光器输出功率：与放电毛细管的长度有关。10cm的管子，输出约0.5mW；200cm的管子，输出约50mW。19第十九页，共三十九页，2022年，8月28日结构：激光管+电源激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成20第二十页，共三十九页，2022年，8月28日与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条:3S→2P0.6328μ2S→2P1.15μ3S→3P3.39μ21第二十一页，共三十九页，2022年，8月28日谱线竞争:

He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328μm，1.15μm，3.39μm)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。为了保证一定波长的输出，可以采取合适的措施抑制其他波长的振荡，如：使用布儒斯特窗进行选择性的吸收；在腔镜上镀反射膜，进行选择性的反射；在腔内放置吸收元件，进行选择性的吸收。22第二十二页，共三十九页，2022年，8月28日2、氩离子激光器工作物质：氩气（Ar+）激光波长：0.4880微米、0.5145微米（蓝绿光）输出功率：是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器（几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦）由于气体放电过程中电离度不高，而且量子效率比较低，氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在10-4~10-5范围。23第二十三页，共三十九页，2022年，8月28日一般结构放电管（核心部件）、电极、回气管（减小放电管内气压差）、谐振腔、轴向磁场（提高激光器的输出功率及寿命）24第二十四页，共三十九页，2022年，8月28日激发机理Ar+的粒子数反转主要靠电子碰撞激发，激发过程包括三种形式：（1）电子与Ar原子碰撞，使其电离成Ar+，Ar+再与电子碰撞而被激发到高能态；（2）电子与Ar原子碰撞后直接将其电离并激发到激发态；（3）电子碰撞先把Ar+激发到更高的能态上，然后Ar+通过辐射跃迁到激光上能级上。25第二十五页，共三十九页，2022年，8月28日3、二氧化碳激光器工作物质：CO2、N2和He的混合物激光波长：10.6微米、9.6微米（远红外光）（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小）特点：激光器效率高、输出能量大、功率高。26第二十六页，共三十九页，2022年，8月28日结构构成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。27第二十七页，共三十九页，2022年，8月28日激发机理28第二十八页，共三十九页，2022年，8月28日

气体激光器He－Ne激光器CO2激光器Ar＋离子激光器工作物质He＋Ne；Ne决定光谱性能CO2＋He＋N2；CO2决定光谱性能Ar；Ar＋决定光谱性能物理过程四能级系统四能级系统四能级系统激光谱线0.6328μm+1.15μm+3.39μm；3.39μm占优势10.6μm+9.6μm；10.6μm占优势0.4880μm+0.5145μm蓝光和绿光泵浦源气体放电激励气体放电激励气体放电激励输出特性*谱线竞争*输出功率特性：与放电电流关系很大，存在最佳气体混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件和毛细管直径*放电特性：电流有最佳值*温度效应：转换效率高，约有60％以上的能量转换为气体的热能，温度升高，粒子数反转减小，谱线加宽增益系数下降*多谱线工作：每条谱线都有一个阈值电流，*输出功率随放电电流的关系与其他激光器不一样；特点*气态物质的光学均匀性一般比较好，使其在单色性和光束稳定性方面有较大优势；*谱线极为丰富；目前已达数千种，从紫外到远红外波段；*大多数能连续运转*都有瞬时功率不高的特点：工作气体的气压较低，单位体积中粒子数较少，只有固体激光器中激活粒子数密度的千分之一或更少，因而储存的能量少结构简单，使用方便，光束质量好，工作可靠，容易制造连续工作脉冲工作均可；输出功率大，效率高；正好处于大气窗口，且对人的眼睛的危害比可见光和红外线小得多谱线丰富，主要分布在蓝绿光区；连续脉冲工作均可，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器29第二十九页，共三十九页，2022年，8月28日三、半导体激光器半导体激光器，又称激光二极管（即LD）工作物质：半导体材料特点：波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且体积小、重量轻、寿命长。主要应用领域：信息存储、光纤通信等30第三十页，共三十九页，2022年，8月28日半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术：激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面；光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备等方面。31第三十一页，共三十九页，2022年，8月28日1、半导体的能带结构理想半导体的能谱是由电子的一系列能带组成的，下能带称为价带，上能带称为导带，它们之间不存在电子状态的区域称为禁带。禁带宽度

Eg=Ec-Ev其中，Ec——导带底的能量Ev——价带顶的能量32第三十二页，共三十九页，2022年，8月28日每个能带实际上由大量极其密集的能级所组成。电子在能级上的分布遵从费米-狄拉克分布。当温度T=0时，价带是完全填满的，导带是完全空的；当T>0时，价带中填充的电子数多，导带中填充的电子数少。由于某种原因（如温度升高），电子从价带提升至导带，价带中就因失去电子而存在带正电的空穴。电子和空穴都称为载流子。掺杂半导体N型半导体

——依靠电子导电P型半导体——依靠空穴导电33第三十三页，共三十九页，2022年，8月28日2、半导体受激发射的条件如果频率为v的光在半导体内传播，在光场的作用下，导带中的电子向价带跃迁，与空穴复合，造成一个导带电子和一个价带空穴同时湮灭，发射出一个能量为hv的光子。产生受激发射并得到放大的条件是：导带能级上被电子占据的几率大于与辐射相关的价带能级上被电子占据的几率。即实现粒子数反转。

粒子数反转分布的区域称为“有源区”或者“激活区”实现半导体中粒子数反转分布的一个简单方法是利用PN结的特征。令一块N型半导体