2022-2023学年高二物理竞赛课件：激光器的发展历史

激光器的发展历史

内腔式：谐振腔的两端镜焊接在玻璃外壳上，主要用于小功率短腔结构。特点：使用方便，适合小功率，输出激光为非偏振。外腔式：玻璃管两端用布儒斯特窗玻璃封装，谐振腔的两端镜外加，可以独立调节。特点：输出线偏振光，适合大功率，但需要经常维护。半内腔式：谐振腔的一个端镜与玻璃壳焊接在一起，而另一个端镜可自由调节。特点：输出线偏振较好，适合中等功率，维护较容易。工作物质：氩气激活粒子：Ar+能级结构：四能级激光发射：4p

4s发射

9条谱线，其中514.5nm(绿色)和488nm(蓝色)两条谱线增益最大,优先起振.

2

离子气体激光器：氩离子激光器（1）工作原理3p5Ar+3p44s3p43d3p44p3p44d3p45s3p6Ar泵浦:

低压大电流弧光放电使氩原子电离，离子-离子,离子-电子碰撞而激发.直接或分步激发.（2）激光管结构Ar+激光器在低气压和大电流(约为0.4托和15A)的弧光放电条件下工作，所以在结构上有特殊的要求.放电管:要求耐高温、传热性能好。大功率激光器放电管使用氧化铍陶瓷(粉末有毒，加工困难，价格贵)。中小功率激光器放电管使用分段石墨.石墨片回气管：使放电管气压平衡，有助于激光输出。石墨片冷却装置：电源所提供的能量绝大部分是以热的形式耗散在放电管壁上(功率约为5kW)，必须冷却.线圈:提供轴向磁场，其作用是磁约束Ar+在放电管轴心，提高激发效率。（3）氩离子激光器特点与应用：是可见光谱中连续输出功率最大的激光器(几瓦

150W).蓝绿色激光有特殊应用:1)大量作为染料激光器的泵浦源。

2)用于信息处理及医学(眼科上用得最多,是焊接视网膜的理想光源。手术时,眼底视网膜能吸收绿光，能迅速形成局部加热,将视网膜上蛋白质变成凝胶状态）。

3)大功率蓝绿激光还能深入海水层,而不被海水吸收,因而可广泛用于水下勘测作业。（1）工作原理工作物质：CO2，N2，He

的混合气体，总压强10托。激活粒子：CO2分子能级结构：

CO2的四能级3分子气体激光器：二氧化碳激光器

——大功率高效率中红外激光器.18cm-100000110100000010200CO2N2=0=110.61

9.5

碰撞(He)输出波长：常输出10.61

m泵浦：主要是N2辉光放电辅助泵浦.（N2作能量的共振转移，He通过碰撞冷却激发态的CO2，及时抽空激光下能级）,也有电子与CO2碰撞激发,但以共振转移为主.（2）CO2激光器的种类:纵向流动CO2激光器，横向流动CO2激光器，封离式CO2激光器，波导CO2激光器。

（3）CO2激光器特点:

效率高（20~25

）,功率强（连续功率可达104W，比固体激光器强，但脉冲功率不如固体激光器）,工作稳定,单色性好,波长适用于空间光通信(10.6

m正处“大气窗口”中)。(1)工作原理工作物质:有机染料(如:若丹明)溶液泵浦方式：光泵浦能级结构：染料分子的等效四能级结构三、液体激光器:染料激光器激光通常为激光激发，把染料分子激发到S1能级,再往S0跃迁.单重态S1与三重态T1态间存在串跃，但不能产生辐射跃迁.(2)激光的猝灭S1

S0(激光)的发射能量与T1

T2的吸收能量接近，激光可被T1态吸收，这种现象称为激光猝灭。消除激光猝灭方法：用短脉冲激光快速激发、振荡、输出；或者加入三重态猝灭剂(如氧气)，迅速释放T1态能量返回基态S0。(3)染料激光器的特点输出波长可调(范围可达100nm,但不如钛宝石激光器)；

脉宽窄(可达fs级,与钛宝石激光器相当);

输出功率大(可与固体激光器比拟);

价格便宜；染料均匀性好。但有污染.激光(四)半导体激光器——以半导体材料为工作物质。

泵浦方式：电流注入图1-26，原子相互影响，使能级表现为能带——导带和价带，热平衡状态下，电子基本处于价带中，导带是空着的，导带和价带之间无能级，称为禁带，图中EF称为费米能级，是全满能级和全空能级的分界面，表征电子在能级中填充的情况。

由于电子基本处于价带中，导带是空着的，外来光作用下，受激吸收优于受激辐射，故无法产生激光。图1-27，非热平衡状态下，部分电子处于价带中，部分电子处于导带，这时，如果有外来光作用，诱导高能态电子往下跃迁，可能使得受激辐射优于受激吸收，产生激光。但是，这对于常温下的均匀的半导体材料是不可能的，这时必须引入两个费米能级EFc

和EFv，必须采用重掺杂的PN结结构,并加上足够的正向电压。

重渗杂的p-n结形成过程中,电子从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，直至将