各種典型激光器原理.ppt

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激光器原理與技應(yīng)用,第三章典型激光器,,,第一節(jié)概述,主要內(nèi)容：,第一節(jié)概述,一、激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)由工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分構(gòu)成。,,激光器的基本結(jié)構(gòu),工作物質(zhì)是激光器的核心,是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。泵浦源為在工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。工作物質(zhì)類型不同,采用的泵浦方式不同。光學(xué)諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋,同時(shí),諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。,第一節(jié)概述,二、分類及輸出特性激光器種類繁多,習(xí)慣上主要按照以下兩種方式劃分:一種是工作物質(zhì),另一種是按照激光器工作方式。1按照激光工作物質(zhì)1）氣體激光器氣體和金屬蒸氣作為工作物質(zhì)。根據(jù)氣體工作物質(zhì)為氣體原子、氣體分子或氣體離子,又可將氣體激光器分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。原子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體原子,激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體和鎘、銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸氣。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。,第一節(jié)概述,分子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體分子,激光躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振-轉(zhuǎn)能級(jí)之間。采用的氣體主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子氣體。分子激光器的典型代表是CO2激光器。準(zhǔn)分子激光器。所謂準(zhǔn)分子,是一種在基態(tài)離解為原子而在激發(fā)態(tài)暫時(shí)結(jié)合成分子(壽命很短)的不穩(wěn)定締合物,激光躍遷產(chǎn)生于其束縛態(tài)和自由態(tài)之間。采用的準(zhǔn)分子氣體主要有XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*等。其典型代表為XeF*準(zhǔn)分子激光器。離子激光器中產(chǎn)生激光作用的是已電離的氣體離子,激光躍遷發(fā)生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的離子氣體主要有惰性氣體離子、分子氣體離子和金屬蒸氣離子三類。其典型代表為Ar+激光器。,第一節(jié)概述,激勵(lì)方式氣體激光器一般采用氣體放電激勵(lì),還可以采用電子束激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等方式。波長(zhǎng)范圍：氣體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于真空紫外—遠(yuǎn)紅外波段特點(diǎn)：激光譜線上萬(wàn)條,具有輸出光束質(zhì)量高(方向性及單色性好)、連續(xù)輸出功率大(如CO2激光器)等輸出特性,其器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。,第一節(jié)概述,應(yīng)用氣體激光器廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如計(jì)量、材料加工、激光醫(yī)療、激光通信、能源等方面。1961年,第一臺(tái)氣體激光器—He-Ne激光器問(wèn)世。2)．固體激光器固體激光器以固體激光介質(zhì)作為工作物質(zhì)。固體工作物質(zhì)通常是在基質(zhì)材料,如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子(稱為激活離子),激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級(jí)之間。用作激活離子的元素可分為四類:三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土金屬離子、過(guò)渡金屬離子和錒系金屬離子。固體激光器的典型代表是紅寶石(Cr3+:Al2O3)激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光器、釹玻璃激光器和摻鈦藍(lán)寶石(Ti3+:Al2O3)激光器。,第一節(jié)概述,固體激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有閃光燈和半導(dǎo)體激光二極管兩類。固體激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于可見(jiàn)光—近紅外波段,激光譜線數(shù)千條,具有輸出能量大(多級(jí)釹玻璃脈沖激光器,單脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣等特點(diǎn)。器件結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、易于與光纖耦合進(jìn)行光纖傳輸。固體激光器主要應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光測(cè)距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學(xué)、激光核聚變等方面。,第一節(jié)概述,3)．液體激光器液體激光器的工作物質(zhì)分為二類:一類為有機(jī)化合物液體(染料),另一類為無(wú)機(jī)化合物液體。其中,染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的有機(jī)染料有四類:吐噸類染料、香豆素類激光染料、惡嗪激光染料和花青類染料。染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和閃光燈泵浦染料激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到近紅外波段(300nm～1.3μm),通過(guò)混頻等技術(shù)還可將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至真空紫外到中紅外波段。激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。器件特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的不足。染料激光器主要應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、光生物學(xué)等方面。1966年,世界上第一臺(tái)染料激光器———由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器問(wèn)世。,第一節(jié)概述,4)．半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管,或簡(jiǎn)稱激光二極管(LaserDiode,縮寫(xiě)LD)。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性,使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料主要有三類:(1)ⅢA—ⅤA族化合物半導(dǎo)體,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。(2)ⅡB—ⅥA族化合物半導(dǎo)體,如硫化鎘(CdS)等。(3)ⅣA—ⅥA族化合物半導(dǎo)體,如碲錫鉛(PbSnTe)等。根據(jù)生成pn結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙)、量子阱等多種類型。半導(dǎo)體激光器采用注入電流方式泵浦。,第一節(jié)概述,半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍一般在近紅外波段(920nm～1.65μm),其中1.3μm與1.55μm為光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進(jìn)行高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)(一般可達(dá)數(shù)十萬(wàn)乃至百萬(wàn)小時(shí)以上)等突出特點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光纖通信、光存儲(chǔ)、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域,如激光光盤(pán)、激光高速印刷、全息照相、辦公自動(dòng)化、激光準(zhǔn)直及激光醫(yī)療等方面。1962年,世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器———GaAs激光器問(wèn)世。,第一節(jié)概述,5)．化學(xué)激光器化學(xué)激光器是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光輻射的。工作物質(zhì)可以是氣體或液體,但目前主要是氣體,如氟化氫(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等?；瘜W(xué)激光器采用化學(xué)能激勵(lì)。為促成工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng),一般需采用一些引發(fā)措施,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。化學(xué)激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到紅外波段,直至微米波段,功率高、能量輸出高,無(wú)需外界提供泵浦源,可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點(diǎn),特別適合于野外等無(wú)電源處工作。化學(xué)激光器主要應(yīng)用于國(guó)防、科學(xué)研究等領(lǐng)域,如激光武器、同位素分離等。1964年,第一臺(tái)光解離碘原子化學(xué)激光器問(wèn)世。,第一節(jié)概述,6)．自由電子激光器自由電子激光器是一種新型激光器。自由電子激光器的工作物質(zhì)是相對(duì)論電子束。所謂相對(duì)論電子束是指通過(guò)電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠?。自由電子激光器的泵浦源為空間周期磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)。具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是自由電子激光器兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)。自由電子激光器在未來(lái)的生物、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景,第一節(jié)概述,7）．X射線激光器X射線激光器輸出激光波長(zhǎng)位于X射線波段(1～10nm)。X射線激光器工作物質(zhì)為高度電離的等離子體,采用光泵浦,但需要特殊的X射線泵浦源。,第一節(jié)概述,8)．光纖激光器工作物質(zhì):以摻入某些激活離子的光纖,或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。分類：晶體光纖激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。泵浦方式主要采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦。特點(diǎn)：光纖激光器是一種新型的激光器件,具有總增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍及器件結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點(diǎn),在遠(yuǎn)距離光纖通信等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。1963年,第一臺(tái)光纖激光器—Nd2O3光纖激光器問(wèn)世,第一節(jié)概述,二、按照激光器工作方式劃分激光器可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式,連續(xù)激光器脈沖激光器。按照激光技術(shù)的應(yīng)用分為調(diào)Q激光器鎖模激光器穩(wěn)頻激光器可調(diào)諧激光器等,按照諧振腔腔型的不同分為非穩(wěn)腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型。,第二節(jié)氣體激光器,一、氣體放電激勵(lì)基礎(chǔ)所謂氣體放電,是指在高電壓作用下,氣體分子(或原子)發(fā)生電離而導(dǎo)電。常用氣體激光器的氣體放電屬于弱電離氣體放電,其氣體電離度一般不超過(guò)0.1%。1.分類1).直流連續(xù)放電直流連續(xù)放電是指在氣體激光器放電管兩電極間加上可調(diào)的直流電壓。調(diào)節(jié)放電管兩端的電壓或電阻，測(cè)出相應(yīng)的放電電流，即可得到放電管直流連續(xù)放電的伏－安特性曲線。,,第二節(jié)氣體激光器,Ｄ點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的管壓降稱為著火電壓，也稱起輝電壓，或擊穿電壓。AD段為非自持放電階段。放電電流雖然隨端電壓升高而增加,但其值很小。此時(shí)若去掉外界電離源,放電電流則很快減小直至放電終止。此階段的放電電流范圍一般在10-20-10-11A之間。,第二節(jié)氣體激光器,D點(diǎn)以后,則為自持放電階段,原因陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射DE段叫作自持暗放電,放電不穩(wěn)定平坦的EF段。該區(qū)域的特點(diǎn)是電流增加,但管壓降幾乎保持不變,放電管內(nèi)出現(xiàn)明暗相間的輝光,稱之為正常輝光放電。輝光放電階段,由于二次發(fā)射的電子隨電場(chǎng)的增加而迅速增加,故當(dāng)放電管端電壓略有增加時(shí),放電電流就增大很多。輝光放電的電流范圍一般在10-4～10-1A之間FG段則為反常輝光放電階段。此階段管壓降隨著電流增加而增加。反常輝光放電階段,陰極濺射很強(qiáng)烈,放電管一般應(yīng)避免在此狀態(tài)下工作。,第二節(jié)氣體激光器,G點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓叫做弧光著火電壓。過(guò)G點(diǎn)后,放電管管壓降再次迅速下降,放電電流快速增大,放電管中發(fā)出耀眼的弧光,稱之為弧光放電?；」夥烹姷腉H段呈現(xiàn)出負(fù)阻特性,放電不穩(wěn)定。HK段為穩(wěn)定弧光放電階段,放電電流一般大于10-1A。輝光放電高電壓、小電流(幾毫安至幾十毫安)放電,是一種穩(wěn)定的自持放電。He-Ne激光器與CO2激光器都是工作在輝光放電區(qū)域。,第二節(jié)氣體激光器,弧光放電低電壓大電流(幾十安至幾千安)的自持放電?；」夥烹姷闹痣妷阂话惚容x光放電的著火電壓高,但對(duì)陰極表面積和電子逸出功都很小的放電管而言,其弧光著火電壓也可低于輝光著火電壓?；」夥烹姺诸悾簾彡帢O弧光放電、冷陰極弧光放電人工陰極弧光放電Ar+激光器工作于弧光放電區(qū)域。,第二節(jié)氣體激光器,2).高頻放電高頻放電也叫做射頻氣體放電。所謂射頻,通常指頻率在幾兆到幾百兆范圍內(nèi)的電磁波。當(dāng)兩電極間施加高頻交變電場(chǎng)后,由于帶電粒子在兩電極之間的渡越時(shí)間遠(yuǎn)大于電場(chǎng)的變化周期,使得電子不能再做長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng),而只能在某個(gè)固定位置附近振蕩,并在振蕩過(guò)程中與氣體粒子碰撞,產(chǎn)生電離和激發(fā),以維持放電。射頻放電時(shí),由于電子不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)使電子飛越的路程增大,從而使電子與氣體粒子碰撞的次數(shù)增加,電離能力極大提高,也使得作為電子來(lái)源的陰極的重要性大為減弱。因此,射頻放電可以用內(nèi)電極,也可以用外電極,甚至可以不用電極。20世紀(jì)70年代,射頻氣體放電技術(shù)成功地應(yīng)用于大功率輸出CO2激光器,并已展示出其廣闊的應(yīng)用前景。,第二節(jié)氣體激光器,3).脈沖放電放電管兩電極間施加脈沖電壓時(shí),即產(chǎn)生脈沖放電。按放電電流密度的大小,放電管內(nèi)可產(chǎn)生脈沖輝光放電和脈沖弧光放電。按所加電壓的交變狀態(tài),可分為直流脈沖放電和交流脈沖放電。按脈沖持續(xù)時(shí)間,又可分為短脈沖放電和長(zhǎng)脈沖放電。準(zhǔn)分子激光器采用脈沖放電方式。大功率高氣壓氣體激光器多采用短脈沖放電方式。氣體放電除上述三種放電方式外,還有火花放電和電暈放電等方式。,第二節(jié)氣體激光器,2．氣體放電中的粒子碰撞與激發(fā)、電離過(guò)程在氣體放電中,帶電粒子(電子和離子)與中性氣體粒子(原子或分子)之間的碰撞決定著放電進(jìn)行的情況。其中,有兩種基本的碰撞過(guò)程影響著器件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立和維持。第一種過(guò)程是電離,它對(duì)于維持放電是不可或缺的;第二種過(guò)程是激光上、下能級(jí)粒子的激發(fā)與消激發(fā)。粒子的碰撞一般可分為兩類:彈性碰撞和非彈性碰撞。在氣體激光器工作物質(zhì)的激發(fā)與電離過(guò)程中,粒子的碰撞都屬于非彈性碰撞。非彈性碰撞又可分為第一類非彈性碰撞和第二類非彈性碰撞。,第二節(jié)氣體激光器,1）.第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞指一個(gè)粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能的碰撞。其最常見(jiàn)的形式之一就是快速電子與氣體粒子發(fā)生碰撞激發(fā)和電離。在碰撞過(guò)程中,快速電子失去能量,速度變慢,氣體粒子得到能量被激發(fā)到高能態(tài)或被電離。電子的能量大于或等于氣體粒子的激發(fā)態(tài)能量時(shí),碰撞激發(fā)過(guò)程則有可電子能量等于或大于氣體粒子的電離能時(shí),碰撞電離過(guò)程便可以發(fā)生。其電離過(guò)程可表示為,,,,第二節(jié)氣體激光器,電子和氣體粒子的碰撞,還可以使粒子從一個(gè)激發(fā)態(tài)躍遷到另一個(gè)更高的激發(fā)態(tài),或者使激發(fā)態(tài)粒子發(fā)生電離,分別叫做逐級(jí)激發(fā)和逐級(jí)電離。2).第二類非彈性碰撞第二類非彈性碰撞指一個(gè)粒子的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能或動(dòng)能的碰撞。其形式主要有共振轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)等。①共振轉(zhuǎn)移是指激發(fā)態(tài)的粒子A*(通常指亞穩(wěn)態(tài))與基態(tài)粒子B碰撞,使B激發(fā)到高能態(tài)B*,而A*返回基態(tài)。其過(guò)程可表示為A*+B→A+B*+ΔE其中,ΔE為A*和B*兩者激發(fā)態(tài)之差。ΔE越小,共振轉(zhuǎn)移截面越大。當(dāng)ΔE趨于零時(shí),共振轉(zhuǎn)移截面大于10-14cm2,轉(zhuǎn)移最易發(fā)生。共振轉(zhuǎn)移是選擇性激發(fā)過(guò)程中最重要的形式之一。,第二節(jié)氣體激光器,②電荷轉(zhuǎn)移是指離子與中性氣體粒子碰撞引起的激發(fā)與電離過(guò)程。其激發(fā)過(guò)A++B→A+B+ΔE其中,A為A+從中性粒子B處獲得一個(gè)電子而成為中性粒子;B為中性粒子失去一個(gè)電子而成為正離子B+;ΔE為A和B兩者電離能之差。電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的電離激發(fā),可表示為A++B→A+B*+ΔE其中,B*為離子激發(fā)態(tài);ΔE為離子激發(fā)態(tài)B*與粒子A+的電離能之間的位能差。正離子與中性氣體粒子之間的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。負(fù)離子與中性氣體粒子碰撞亦可失去電子而成為速度較快的中性粒子,同時(shí)使原中性氣體粒子成為速度較慢的負(fù)離子。,第二節(jié)氣體激光器,③潘寧電離指處于激發(fā)態(tài)的氣體粒子A*與處于基態(tài)的粒子B碰撞,A*失去能量返回基態(tài),而B(niǎo)被電離,或電離后又被激發(fā)。其過(guò)程可表示為A*+B→A+B*++eA*+B→A+B++e由上述反應(yīng)過(guò)程可見(jiàn),只要A的激發(fā)能大于基態(tài)粒子B的電離能,潘寧電離便可以進(jìn)行,電離中產(chǎn)生的多余能量可轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。氣體放電過(guò)程中,除上述介紹的由于粒子碰撞所產(chǎn)生的激發(fā)和電離過(guò)程外,還存在著復(fù)合、吸附與轉(zhuǎn)荷等過(guò)程.,第二節(jié)氣體激光器,二、He-Ne激光器工作介質(zhì)：He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器,Ne為工作物質(zhì),He為輔助氣體。特點(diǎn)：He-Ne激光器輸出連續(xù)光,主要工作波段在可見(jiàn)光到近紅外區(qū)域,其中,最常用的工作波長(zhǎng)為632.8nm(紅光),其次是1.15μm和3.39μm以及1.52μm、543.5nm等。He-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很高,表現(xiàn)為單色性好(Δν<20Hz)和方向性好(Q>n2,則有Δn=n3-n2∝n3。因此,以下主要分析n3與總氣壓P的關(guān)系。在He、Ne氣壓比一定的條件下,總氣壓P升高可以使He與Ne原子,的粒子數(shù)密度n0、n1上升,有利于提高n3,使Δn上升。但若總氣壓P太高,在n0與n1上升的同時(shí),電子與原子碰撞次數(shù)也隨之增多,致使電子動(dòng)能下降,S04降低,從而導(dǎo)致n3下降,使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度Δn下降。因此,He-Ne激光器存在一個(gè)最佳充氣總氣壓,在此條件下工作,器件增益最大。增益與充氣總氣壓的關(guān)系,第二節(jié)氣體激光器,(3)增益與He、Ne氣壓比(PHe∶PNe)的關(guān)系在總氣壓P一定的條件下,Ne的分壓上升,可提高基態(tài)Ne原子粒子數(shù)密度n1,同時(shí)使He原子基態(tài)粒子數(shù)密度n0下降。由式(3.6)知,n1比n0對(duì)n3的影響大。因此,Ne的分壓上升,,可以提高n3。但若其分壓過(guò)高,由于Ne原子電離電位低,易電離而導(dǎo)致電子能量下降,使S04下降,導(dǎo)致n3下降。同時(shí),由于Ne原子激光上能級(jí)的粒子數(shù)主要通過(guò)與He原子亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子之間的共振轉(zhuǎn)移而獲得,因此,作為工作氣體的Ne氣所占比例要適當(dāng)。PHe∶PNe也存在一個(gè)最佳值,PHe>PNe,一般PHe∶PNe≈7∶1～10∶1。,第二節(jié)氣體激光器,最佳充氣總氣壓與最佳He、Ne氣壓比稱為He-Ne激光器的最佳充氣條件。當(dāng)器件工作于最佳充氣條件時(shí),其放電毛細(xì)管內(nèi)徑d與最佳充氣總氣壓Popt的乘積為一常數(shù),其取值范圍Poptd=480～533(Pamm)。由上述分析得出結(jié)論:為獲得最大增益,He-Ne激光器應(yīng)工作在最佳放電條件下,即采用最佳放電電流、最佳充氣總氣壓和最佳He、Ne氣壓比。,第二節(jié)氣體激光器,3．He-Ne激光器的譜線競(jìng)爭(zhēng)632.8nm、3.39μm與1.15μm三條譜線是He-Ne激光器上百條譜線中最強(qiáng)的三條。三者之中,由于3.39μm譜線與632.8nm譜線共用一個(gè)激光上能級(jí)3s2,且增益都很高。因此,二者之間存在激烈的譜線競(jìng)爭(zhēng)。3.39μm譜線的振蕩,將大量消耗激光上能級(jí)的粒子,導(dǎo)致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降,甚至振蕩被抑制。為保證632.8nm譜線起振并提高其輸出功率,應(yīng)設(shè)法抑制3.39μm譜線的振蕩。抑制所遵循的原則是增大3.39μm譜線的損耗或者降低其增益。采取的方法有:,,第二節(jié)氣體激光器,2）腔內(nèi)放置甲烷吸收盒,該法利用甲烷氣體對(duì)632.8nm透明而對(duì)3.39μｍ強(qiáng)吸收的特性，增大3.39μｍ譜線的腔內(nèi)損耗以抑制其振蕩，結(jié)構(gòu)如圖所示。,1）棱鏡色散法,第二節(jié)氣體激光器,3）外加非均勻磁場(chǎng)法,其原理是利用塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)指磁場(chǎng)將引起譜線的分裂，譜線分裂的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。施加非均勻磁場(chǎng)后，造成放電管內(nèi)各處譜線分裂程度不同，其作用相當(dāng)于把譜線展寬,第二節(jié)氣體激光器,對(duì)放電管長(zhǎng)度小于１ｍ的He-Ne激光器，使用前兩種方法就能抑制3.39μｍ譜線振蕩。若放電管長(zhǎng)度大于１ｍ，往往需要幾種方法相結(jié)合才能有效抑制。,第二節(jié)氣體激光器,三Co2激光器CO2激光器是一種混合氣體激光器,CO2為工作物質(zhì),N2、He、CO、Xe、H2O、H2與O2等為輔助氣體,其作用是提高激光器的輸出功率和效率。CO2激光器的工作方式分為連續(xù)和脈沖兩種,也可以在穩(wěn)頻、調(diào)諧(選支)等狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)CO2激光器的輸出特性有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):其一是輸出功率或能量相當(dāng)大,能量轉(zhuǎn)換效率高。CO2激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)瓦,是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件;脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦,脈寬可壓縮到納秒量級(jí),脈沖功率密度可達(dá)太瓦量級(jí)。其二是輸出波長(zhǎng)分布在9～18μm波段,已觀察到的激光譜線二百多條。其中,9～11μm紅外波段中最重要的輸出波長(zhǎng)10.6μm處于大氣傳輸?shù)拇翱?有利于激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、大氣通信等方面的應(yīng)用,且該波長(zhǎng)對(duì)人眼安全。CO2激光器于1964年問(wèn)世。,第二節(jié)氣體激光器,CO2激光器種類很多,主要有封離型、流動(dòng)(縱向和橫向)型、大氣壓型、氣動(dòng)型以及波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)形式,激勵(lì)方式有低功率器件采用的縱向氣體放電激勵(lì)、大功率器件采用的橫向氣體放電激勵(lì)、射頻激勵(lì)、化學(xué)、氣動(dòng)、電子束激勵(lì)等。1）CO2分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)及振-轉(zhuǎn)躍遷a.CO2分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)分子的總能量包括以下四部分：①電子繞核運(yùn)動(dòng)的能量；②分子中原子的振動(dòng)能量；②分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量；④平動(dòng)能量。除平動(dòng)能量外，前三種運(yùn)動(dòng)的能量部是量子化的。相鄰電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)問(wèn)能量差的比例約為104：102：1。,第二節(jié)氣體激光器,CO2分子的振動(dòng)有三種基本形式,或稱三種簡(jiǎn)正振動(dòng):對(duì)稱振動(dòng)。CO2分子中的2個(gè)原子沿分子軸同時(shí)朝向或同時(shí)背向碳原子振動(dòng),碳原子保持不動(dòng),如圖3.15(b)所示。形變（彎曲）振動(dòng)。CO2分子的3個(gè)原子不是沿分子軸振動(dòng),而是垂直于分子軸振動(dòng),且碳原子的振動(dòng)方向與2個(gè)氧原子相反,如圖3.15(c)所示。反對(duì)稱振動(dòng)。CO2分子的3個(gè)原子沿分子軸振動(dòng),其中,碳原子的振動(dòng)方向與2個(gè)氧原子相反,如圖3.15(d)所示。,第二節(jié)氣體激光器,在一級(jí)近似下,CO2分子上述三種振動(dòng)方式相互獨(dú)立,其振動(dòng)能量為三種振動(dòng)方式的能量之和。我們用4個(gè)對(duì)應(yīng)的量子數(shù)標(biāo)記其振動(dòng)能級(jí),標(biāo)記符號(hào)為(v1vl2v3)。VI分別代表其對(duì)稱、形變及反對(duì)稱的主量子數(shù)，而l代表形變時(shí)，其投影的角動(dòng)量守恒的且量子化的，，用量子數(shù)l表示，l＝v2，v2-2，v2-4，…，1或0。,第二節(jié)氣體激光器,CO2分子可能產(chǎn)生的躍遷譜線有很多條,其中強(qiáng)度最強(qiáng)和最具價(jià)值的是10.6μm譜線(對(duì)應(yīng)于0001→1000能級(jí)的躍遷)和9.6μm譜線(對(duì)應(yīng)于0001→0200能級(jí)的躍遷)。上述兩條譜線的躍遷過(guò)程表明,CO2分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)屬四能級(jí)系統(tǒng)。表3.4給出了與CO2分子10.6μm和9.6μm譜線躍遷有關(guān)的振動(dòng)能級(jí)壽命。,由上表可見(jiàn),CO2分子激光上能級(jí)(0001)壽命長(zhǎng)于激光下能級(jí),第二節(jié)氣體激光器,b)CO2能級(jí)激發(fā)1）直接電子碰撞電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激光上能級(jí)CO2(0000)+e->CO2(0001)+e2）級(jí)聯(lián)躍遷電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激發(fā)態(tài)000n能級(jí)，其與基態(tài)CO2碰撞將其激發(fā)到激光上能級(jí)CO2(0000)+CO2(000n)->CO2(0001)+CO2(000n-1)3）共振轉(zhuǎn)移基態(tài)N2和電子碰撞躍遷到基態(tài)V=1的振動(dòng)能級(jí)，該能級(jí)壽命長(zhǎng)，屬于亞穩(wěn)態(tài)，其與基態(tài)C02發(fā)生非彈性碰撞并躍遷激光上能級(jí),e(快)+N2(v=0)->e(慢)+N2(v=1),第二節(jié)氣體激光器,CO2分子0001能級(jí)與N2的v=1的能級(jí)接近，N2的v=2~4能級(jí)與CO2的0002-0004也接近易發(fā)生共振轉(zhuǎn)移，0002-0004的CO2與基態(tài)CO2分子碰撞，也可激勵(lì)到0001以上三種激發(fā)途徑，共振轉(zhuǎn)移幾率最大，作用最顯著C).CO2分子的振-轉(zhuǎn)躍遷CO2分子的紅外光譜并不是一條單一的振動(dòng)譜線,而是一條有一定寬度的譜帶。這是由于CO2分子除振動(dòng)運(yùn)動(dòng)外,同時(shí)存在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在其影響下,CO2分子的振動(dòng)能級(jí)將分裂為一系列轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。根據(jù)分子光譜理論,分子振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷必然伴隨著轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間的躍遷,產(chǎn)生帶狀光譜。,第二節(jié)氣體激光器,振-轉(zhuǎn)躍遷的選擇定則為:對(duì)于振動(dòng)能級(jí):Δv=0,1對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí):ΔJ=0,1對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的躍遷,選擇定則規(guī)定:ΔJ=+1,稱為R支,記為R(J)ΔJ=-1,稱為P支,記為P(J)ΔJ=0,稱為Q支。因?yàn)镃O2分子的對(duì)稱性質(zhì),譜帶中心沒(méi)有該支譜線,即不存在Q支躍遷。,第二節(jié)氣體激光器,由圖3.17可以看出,在CO2分子0001與1000振動(dòng)能級(jí)上,不是對(duì)應(yīng)地存在著全部的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。在0001振動(dòng)能級(jí)上,只存在J′為奇數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí),而在1000振動(dòng)能級(jí)上,則只存在J為偶數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。這種情況稱之為轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)的缺位,它來(lái)源于分子態(tài)波函數(shù)對(duì)稱性的要求。對(duì)于0001→1000的振-轉(zhuǎn)躍遷,已觀察到的P支譜線27條,R支譜線26條,光譜帶范圍10～11μm。其中最強(qiáng)的P支譜線有4條,即P(18)、P(20)、P(22)和P(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為10.57μm、10.59μm、10.61μm和10.63μm。最強(qiáng)的R支譜線也有4條,即R(18)、R(20)、R(22)和R(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為10.26μm、10.25μm、10.23μm和10.22μm。對(duì)于0001→0200的振-轉(zhuǎn)躍遷,觀察到P支譜線29條,R支譜線25條,光譜帶范圍9～10μm。其中最強(qiáng)的P支譜線為P(18)、P(20)、P(22)、P(24)與P(26),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為9.54μm、9.55μm、9.57μm、9.59μm和9.60μm。最強(qiáng)的R線為R(18)、R(20)、R(22)與R(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為9.28μm、9.27μm、9.26μm和9.25μm。,第二節(jié)氣體激光器,CO2分子0001→0200的振-轉(zhuǎn)躍遷中能形成一百多條熒光譜線,但在CO2激光器中卻只有1～3條譜線能同時(shí)形成激光振蕩。這源于CO2分子轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。處于同一振動(dòng)能級(jí)的各轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間靠得很近,粒子在各子能級(jí)間轉(zhuǎn)移很快。一旦處于某一轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)上的粒子躍遷后,服從玻爾茲曼分布規(guī)律的其他能級(jí)上的粒子會(huì)立即轉(zhuǎn)移到該能級(jí),而使其他能級(jí)上的粒子減少。在CO2激光器中,當(dāng)某條譜線獲得較大增益而優(yōu)先起振時(shí),亦同時(shí)抑制了其他譜線的振蕩。例如,9.6μm譜線與10.6μm譜線共用一個(gè)激光上能級(jí),而粒子從0001→1000能級(jí)的躍遷幾率要大得多,故CO2激光器中若無(wú)波長(zhǎng)選擇裝置,則9.6μm譜線將在與10.6μm譜線的競(jìng)爭(zhēng)中失敗而無(wú)法起振。正是由于轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間激烈的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng),當(dāng)CO2激光器諧振腔長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí),振蕩譜線的頻率易跳動(dòng)到其他頻率上。CO2激光器的諧振腔大多采用平凹腔，由于其增益高，也可采用非穩(wěn)腔以增加其模體積。高反射鏡可用金屬制成，也可在玻璃表面鍍以金膜。輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過(guò)紅外光的Ge、GaAs等材料制成輸出窗.,第二節(jié)氣體激光器,D氣體成分實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)CO2激光器中充有適量的N2、CO、Xe、Ne、H2、H2O等氣體時(shí),輸出功率顯著提高。而當(dāng)充有Ar、N2O等氣體時(shí),輸出功率則顯著下降。為提高輸出功率,CO2激光器都充有不同組分的輔助氣體,主要分為含N2組分與含CO組分兩種。含N2組分為CO2+N2+He+Xe+H2,含CO組分為CO2+CO+He+Xe,含N2組分的輸出功率要高于含CO組分。上述各種氣體成分在CO2激光器中的主要作用:氮:N2是CO2激光器中最主要的輔助氣體,其作用主要是提高CO2分子0001能級(jí)的激發(fā)速率,同時(shí)加快0110能級(jí)的弛豫速率。加入適量的N2后,能明顯提高輸出功率。但其含量不能太高,因總氣壓一定時(shí),N2含量高,則CO2含量就相應(yīng)降低,且放電時(shí)CO2離解出的O會(huì)與N2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成N2O和NO,它們對(duì)CO2分子的0001能級(jí)有消激發(fā)作用。,第二節(jié)氣體激光器,一氧化碳:CO作用與N2類似,不僅能增大CO2分子0001能級(jí)的激發(fā)速率,還能加快0110能級(jí)的弛豫速率。但其含量過(guò)高時(shí)會(huì)造成對(duì)0001能級(jí)的消激發(fā)。氦:在CO2+N2混合氣體中,加入適量的He(He的含量可以是CO2的4～5倍)可以大幅度提高輸出功率。其原因是:He原子質(zhì)量輕,導(dǎo)熱率高(其導(dǎo)熱率比CO2和N2高約一個(gè)數(shù)量級(jí)),可有效降低工作氣體溫度,提高輸出功率。另外He對(duì)CO2分子激光下能級(jí)1000、0200和0110的弛豫作用遠(yuǎn)大于其對(duì)激光上能級(jí)0001能級(jí)的弛豫作用,有利于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在高氣壓CO2激光器中,He的主要作用是改善氣體放電的均勻性。氙:在CO2+N2+He混合氣體中,加入少量的Xe,可使輸出功率進(jìn)一步提高約30%～40%,能量轉(zhuǎn)換效率提高10%～15%。原因是:Xe的電離電位低,加入后可增加放電氣體中的電離度,使E/N值降低(充有Xe的放電管管壓降可以下降20%),從而提高激光器的效率。混合氣體中Xe的含量有一最佳值,一般其分壓強(qiáng)在107～160Pa之間。Xe的含量不可過(guò)高,過(guò)高雖使電子密度增加,但電子碰撞機(jī)會(huì)也隨之增加,導(dǎo)致電子溫度下降。,第二節(jié)氣體激光器,水蒸氣和氫:在CO2+N2+He混合氣體中再加入少量的水蒸氣或H2,能提高器件的輸出功率和使用壽命。原因是H2O分子對(duì)CO2分子激光下能級(jí)1000以及0110能級(jí)的弛豫速率很大,且H2O分子振動(dòng)能級(jí)壽命很短,可以很快返回基態(tài)。H2的作用與H2O相同,因CO2分子在放電時(shí)會(huì)離解出O,H2與O合成H2O。因H2在常態(tài)下是氣體,其充入量比水蒸氣更易于控制,故常用H2代替水蒸氣?；旌蠚怏w中,H2O和H2的含量一般在13.3～40Pa之間,不能過(guò)高,因?yàn)樗鼈兂龑?duì)激光下能級(jí)1000和0110有很強(qiáng)的抽空作用外,對(duì)激光上能級(jí)0001能級(jí)也有顯著的消激發(fā)作用。由于H2O和H2能對(duì)CO與O的復(fù)合起催化作用,故能延長(zhǎng)CO2激光器的使用壽命。,第二節(jié)氣體激光器,E.Co2激光器可分為以下七類:1.縱向慢流co2激光器氣體從放電管一端流人，由另一端抽走，氣流、電流均和光軸方向一致。氣體流動(dòng)的目的是排除Co2與電子碰撞時(shí)分解出來(lái)的CO氣，并補(bǔ)充新鮮氣體,第二節(jié)氣體激光器,在這類激光器中，放電電流密度和氣體壓強(qiáng)均有一位輸出功率最大的最佳值。電流度增加時(shí)激光上能級(jí)激發(fā)速率增加，但由此造成的氣體溫度的升高又會(huì)增加下能級(jí)集居數(shù)，因而存在一最佳電流值。同樣，氣體壓強(qiáng)增高時(shí)一方面由于氣體分子密度增加使反轉(zhuǎn)集居數(shù)隨之增加，另一方面，氣體分子間更加頻繁的碰撞又阻礙了熱量向管壁的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致氣體溫度升高。實(shí)驗(yàn)表明，電流密度與壓強(qiáng)的最佳值大致與放電管徑成反比。在最佳放電條件下，激光器的輸出功率約為(50一60)w／m。2、封離型CO2激光器所謂封離型是指工作氣體與He-Ne激光器一樣被封離在放電管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的器件單位放電長(zhǎng)度可輸出的功率比流動(dòng)型或氣動(dòng)型器件要低得多,一般輸出功率都低于200W。,第二節(jié)氣體激光器,冷卻回氣放電諧振腔,第二節(jié)氣體激光器,3．縱向快流CO2激光器在縱向慢流激光器中．放電產(chǎn)生的熱量主要靠氣體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)傳給管壁，再由沿管壁外表而流動(dòng)的冷卻液帶走。由于這種散熱方式效率較低，電流密度和壓強(qiáng)不能太大，因此限制了輸出功率。如果提高氣體流動(dòng)速度(約50m／s)，使放電管內(nèi)的熱氣流流出管外，在管外冷卻后再返回放電管，則不再存在放電電流密度的最佳值，輸出功率隨放電電流密度線性增加。單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)1kW／m以上。目前，(1—3)kw的縱向快流CO2激光器已廣泛用于激光加工。與大功率的橫向流動(dòng)激光器相比，縱向快流c02激光器中放電電流密度分布的圓對(duì)稱性較好，因此具有更好的光束質(zhì)量。,第二節(jié)氣體激光器,,第二節(jié)氣體激光器,4．橫向流動(dòng)CO2激光器縱向快流Co2激光器需要很高的氣體流速才能及時(shí)將熱氣體導(dǎo)出。若使氣體流動(dòng)方向與光軸垂直，由于氣體通道截面大，氣體流動(dòng)路徑短，因此較低的流速就能達(dá)到縱向快流同樣的冷卻效果。和縱向快流CO2激光器一樣，在橫向流動(dòng)CO2激光器中，輸出功率的電流飽和效應(yīng)不明顯。最佳氣體壓強(qiáng)高達(dá)1.3X104Pa。高壓強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)有利于提高輸出功率，但頻繁的碰撞使電子溫度降低，必須在強(qiáng)電場(chǎng)中才能維持足夠高的電子溫度。因此，在橫向流動(dòng)CO2激光器中，縱向放電不切實(shí)際，通常采用電場(chǎng)與光軸垂直的橫向放電方式。采用橫向放電方式的激光器稱作TE激光器。此類激光器中單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)每米數(shù)千瓦，總輸出功率已高達(dá)(1—20)kw。,第二節(jié)氣體激光器,5橫向激勵(lì)大氣壓CO2激光器高氣壓橫向激勵(lì)激光器中，壓強(qiáng)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致放電不穩(wěn)定。為此，常常采用脈沖放電激勵(lì)方式。由于快速脈沖放電時(shí)放電不穩(wěn)定過(guò)程來(lái)不及充分發(fā)展，因此氣體壓強(qiáng)可增高至大氣壓或高于大氣壓。由于壓強(qiáng)高，橫向激勵(lì)大氣壓激光器(簡(jiǎn)稱TEA激光器)單位體積輸出能量可高達(dá)(10—50)J/L，總能量和峰值功率可分別高達(dá)10KJ和20TW。在數(shù)個(gè)大氣壓的高氣壓情況下，由于壓力加寬效應(yīng)引起轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的重疊，出現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)寬帶增益譜，可導(dǎo)致波長(zhǎng)在(9.2—10.7)um范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)激光輸出。,第二節(jié)氣體激光器,6．氣動(dòng)CO2激光器氣動(dòng)CO2激光器采用熱泵浦方式。含有CO2的混合氣體在容器內(nèi)燃燒以形成高溫高壓狀態(tài)，由于溫度很高，CO2的激光上、下能級(jí)均具有較高的集居數(shù)密度?；旌蠚怏w通過(guò)噴管絕熱膨脹時(shí)氣體溫度急劇下降，但由于上能級(jí)的壽命較下能級(jí)長(zhǎng)，集居數(shù)密度減少的速度較下能級(jí)慢，于是在膨脹區(qū)的相當(dāng)大的范圍內(nèi)可形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。氣動(dòng)CO2激光器的輸出功率可達(dá)80kw。,第二節(jié)氣體激光器,7．波導(dǎo)CO2激光器所謂波導(dǎo)，在微波技術(shù)中是指用來(lái)引導(dǎo)電磁波的器件。波導(dǎo)激光器由于采用孔徑很小、內(nèi)表面反射率很高的空心導(dǎo)管對(duì)激光光束進(jìn)行傳輸形成空心波導(dǎo)效果而得名。波導(dǎo)激光器由于自身結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn)，使其激光振蕩模式與普通激光器不同。普通激光器的光學(xué)諧振腔理論以電磁波在自由空間的傳播為基礎(chǔ)，而在波導(dǎo)激光器諧振腔中，電磁波在其傳播途中的某一部分或全部上被波導(dǎo)所引導(dǎo)而不服從自由空間的傳播規(guī)律。波導(dǎo)激光器本征模的特征已不主要取決于模尺寸、腔鏡的曲率半徑及其間距這些描述普通激光器本征模的特征參量。,第三節(jié)固體激光器,固體激光器在激光器家族中具有最長(zhǎng)的歷史。在其發(fā)展進(jìn)程中,我國(guó)的科學(xué)工作者曾做出過(guò)重要的貢獻(xiàn)。我國(guó)研制的第一臺(tái)激光器叫做“小球照明紅寶石激光器”,1961年8月誕生于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所。激光器的設(shè)計(jì)師是王之江教授。王之江教授因此被中國(guó)光學(xué)界尊稱為“中國(guó)激光之父”?！靶∏蛘彰骷t寶石激光器”在結(jié)構(gòu)上比梅曼那臺(tái)激光器又前進(jìn)了一大步,主要表現(xiàn)在泵浦氙燈采用直管式,而非螺旋形;紅寶石棒與氙燈并排放在球形聚光器的球心附近。這種結(jié)構(gòu)可以獲得更高的泵浦效率。直至今天,閃光燈泵浦的固體激光器還大都采用這種方式。本節(jié)中,將重點(diǎn)介紹固體工作物質(zhì)、光泵浦系統(tǒng)、工作物質(zhì)的熱效應(yīng)及其散熱幾方面的內(nèi)容。,第三節(jié)固體激光器,一、固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)由固體基質(zhì)材料和少量摻雜離子(金屬離子)兩部分構(gòu)成。其中固體工作物質(zhì)的物理性能由基質(zhì)材料體現(xiàn),而其光譜特性則由摻雜離子決定。基質(zhì)材料有晶體和玻璃兩大類。晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧化物晶體有單一氧化物和混合氧化物。單一氧化物晶體如Al2O3,混合氧化物晶體如石榴石型晶體YAG、YAP。氟化物晶體也有單一氟化物,如CaF2晶體和混合氟化物,如LiYF4晶體。玻璃則有硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。摻雜離子有四類:(1)三價(jià)稀土金屬離子:如釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、釤(Sm3+)、銪(Eu3+)、鏑(Dy3+)、鈥(Ho3+)、鉺(Er3+)、鐿(Yb3+)等。(2)二價(jià)稀土金屬離子,如釤(Sm2+)、鉺(Er2+)、銩(Tm2+)、鏑(Dy2+)等。(3)過(guò)渡金屬離子,如鈦(Ti3+)、鉻(Cr)、鎳(Ni3+)、鈷(Co3+)等。(4)錒系金屬離子,多具有放射性,不易制備,其中,只有鈾(U3+)曾有所應(yīng)用。,第三節(jié)固體激光器,固體工作物質(zhì)十分豐富,達(dá)數(shù)百種,從中已獲得激光譜線數(shù)千條。在一般固體工作物質(zhì)中,參與受激輻射作用的離子濃度約為1025～1026m-3,比氣體工作物質(zhì)高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)以上,且固體工作物質(zhì)激光上能級(jí)的壽命也比較長(zhǎng),因此固體激光器比較容易獲得大能量輸出,適合于調(diào)Q。固體工作物質(zhì)通常加工成圓棒狀(也有盤(pán)片狀的),棒側(cè)面磨毛。對(duì)棒兩端面的加工要求很高:兩端面為垂直于棒軸向的平行平面,平行誤差在5″～10″之間;端面與棒軸向的垂直度<1″;端面的平整度小于半個(gè)光圈。為避免端面反射和內(nèi)部寄生振蕩,端面鍍有增透膜。固體工作物質(zhì)的譜線加寬有均勻加寬和非均勻加寬,其中,均勻加寬由晶格熱振動(dòng)引起,而非均勻加寬則由晶格缺陷引起。因機(jī)構(gòu)復(fù)雜,很難從理論上求得固體工作物質(zhì)譜線加寬線型函數(shù)的具體表達(dá)形式,一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出它的譜線寬度。,第三節(jié)固體激光器,紅寶石晶體在低溫時(shí),譜線加寬主要是由晶格缺陷引起的非均勻加寬,室溫時(shí),以晶格熱振動(dòng)引起的均勻加寬為主。Nd3+:YAG:因晶體質(zhì)量比紅寶石好,故由晶格缺陷引起的非均勻加寬可忽略,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都以均勻加寬為主。釹玻璃的非均勻加寬由配位場(chǎng)的不均勻性引起,均勻加寬則由玻璃網(wǎng)絡(luò)體的熱振動(dòng)引起。二者所占比例因材料而異。在室溫下,1.06μm譜線非均勻加寬為120～3600GHz,均勻加寬為60～225GHz。雖然非均勻加寬大于均勻加寬,但由于交叉弛豫過(guò)程,釹玻璃的增益飽和特性與均勻加寬工作物質(zhì)相似。1.紅寶石晶體(1)晶體的物理性質(zhì)紅寶石晶體是在Al2O3(剛玉)中摻入少量的Cr2O3,由Cr3+部分取代Al3+而成,其激活離子為Cr3+。摻入Cr2O3的重量比為0.03%～0.07%,一般為0.05%。晶體顏色為淡紅色。其晶體結(jié)構(gòu)如圖3.24所示。,第三節(jié)固體激光器,紅寶石晶體是各向異性晶體。當(dāng)入射光波長(zhǎng)為700nm時(shí),n0=1.763,ne=1.755紅寶石晶體有三種生長(zhǎng)方向:生長(zhǎng)軸平行于光軸,為0紅寶石晶體,無(wú)偏振特性;生長(zhǎng)軸垂直于光軸,為90紅寶石晶體,產(chǎn)生線偏振光;生長(zhǎng)軸與光軸成60,為60紅寶石晶體,產(chǎn)生線偏振光。實(shí)際使用中,多用60紅寶石晶體。,,化學(xué)表達(dá)式:Cr3+:Al2O3。,第三節(jié)固體激光器,(2)晶體的激光性質(zhì)晶體的激光性質(zhì)主要指其能級(jí)結(jié)構(gòu)、吸收光譜和熒光光譜。能級(jí)結(jié)構(gòu):晶體的激光性質(zhì)主要取決于Cr3+。Cr的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻入Al2O3后失去3個(gè)電子,剩下3d殼層上3個(gè)外層電子(3d3)。紅寶石晶體的光譜特性即是由這3個(gè)電子躍遷形成的,晶體與激光躍遷有關(guān)的部分能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖3.25所示。,第三節(jié)固體激光器,圖3.25中,2E能級(jí)為激光上能級(jí),也是亞穩(wěn)能級(jí)(Cr3+在該能級(jí)的壽命約為3ms)。由于晶格場(chǎng)的作用,該能級(jí)分裂為2A和E2個(gè)子能級(jí)(能級(jí)差29cm-1)。粒子由這兩個(gè)能級(jí)向基態(tài)躍遷時(shí)產(chǎn)生692.9nm和694.3nm兩條譜線。4A2能級(jí)為激光下能級(jí),也是基態(tài)能級(jí),F1與4F2為兩個(gè)吸收能級(jí)。粒子在其上的壽命約為納秒量級(jí),故很快通過(guò)輻射躍遷弛豫到激光上能級(jí)。Cr3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)屬三能級(jí)系統(tǒng),因而其器件閾值比較高,只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)。吸收光譜:由于紅寶石是各向異性晶體,故其吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)入射光的振動(dòng)方向平行或垂直于晶體光軸C時(shí),晶體的吸收曲線略有不同,如圖3.26所示。紅寶石晶體在可見(jiàn)光區(qū)有兩個(gè)強(qiáng)吸收帶。一個(gè)稱為紫帶(或U帶),中心波長(zhǎng)位于410nm附近,帶寬為360～450nm,對(duì)應(yīng)于4A2向4F1能級(jí)的躍遷吸收。另一個(gè)稱為綠帶(或Y帶),中心波長(zhǎng)位于550nm附近,帶寬為510～600nm,對(duì)應(yīng)于4A2向4F2能級(jí)的躍遷吸收?；诩t寶石晶體的吸收光譜,適于采用脈沖氙燈這類強(qiáng)可見(jiàn)光光源進(jìn)行泵浦。,第三節(jié)固體激光器,熒光光譜:紅寶石晶體有兩條強(qiáng)熒光譜線,分別稱為R1線和R2線。R1線中心波長(zhǎng)為694.3nm,對(duì)應(yīng)于E→4A2能級(jí)的自發(fā)輻射躍遷。R2線中心波長(zhǎng)為692.9nm,對(duì)應(yīng)于2A→4A2能級(jí)的自發(fā)輻射躍遷。,第三節(jié)固體激光器,紅寶石激光器通常只產(chǎn)生694.3nm激光,692.9nm不能形成振蕩的主原因有兩條,其一,躍遷到激光上能級(jí)E和2A上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布,能級(jí)上約占53%,2A能級(jí)上占47%;其二,R1線的熒光強(qiáng)度高于R2線,使R線的受激輻射幾率高于R2線。因此,R1線先達(dá)到閾值形成激光振蕩。由于2A與E兩能級(jí)之間能級(jí)差很小,粒子交換頻繁,E上的粒子躍遷后,2A能級(jí)上的子迅速轉(zhuǎn)移到該能級(jí),從而進(jìn)一步抑制了R2線的振蕩。當(dāng)激光脈沖持續(xù)時(shí)間大于10-9s時(shí),激光上能級(jí)的粒子都會(huì)通過(guò)R1線的受激輻射而返回基態(tài)。(3)溫度對(duì)紅寶石晶體的影響紅寶石晶體的性能易受溫度的影響,主要表現(xiàn)在以下幾方面:其一,溫度上升導(dǎo)致紅寶石激光中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng),如圖3.27(a)所示。這是由于溫度上升使晶格場(chǎng)變化加劇,能級(jí)發(fā)生位移,造成激光上、下能級(jí)差縮小所致。,第三節(jié)固體激光器,其二,溫度上升導(dǎo)致熒光線寬加寬,量子效率下降。紅寶石R1、R2線熒光線寬與溫度的關(guān)系如圖3.27(b)所示。紅寶石晶體低溫下性能優(yōu)良。溫度升高將使其熒光譜線展寬,量子效率下降,從而導(dǎo)致器件閾值上升,效率下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起“溫度猝滅”。因此,紅寶石激光器在室溫條件下以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn),第三節(jié)固體激光器,(4)紅寶石晶體的主要特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)為:機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng),儲(chǔ)能大,可獲得大能量輸出;熒光譜線較寬,易獲得大能量單模輸出;低溫性能優(yōu)良;輸出可見(jiàn)光。從應(yīng)用觀點(diǎn)看,紅寶石激光器輸出可見(jiàn)光極具吸引力,一是因?yàn)楣怆娞綔y(cè)器件的響應(yīng)波長(zhǎng)大多位于可見(jiàn)光區(qū),而大多數(shù)稀土元素四能級(jí)系統(tǒng)固體激光器工作波長(zhǎng)則位于近紅外區(qū)域,二是對(duì)于全息照相等應(yīng)用,需要使用可見(jiàn)光作為光源。缺點(diǎn):能級(jí)結(jié)構(gòu)屬三能級(jí)系統(tǒng),器件閾值高;晶體性能隨溫度變化明顯,室溫下不適于做連續(xù)和高重頻器件。,第三節(jié)固體激光器,二、光泵浦系統(tǒng)固體激光器一般采用光泵浦。主要的泵浦光源有惰性氣體放電燈(脈沖氙燈、連續(xù)氪燈等)、半導(dǎo)體激光二極管金屬蒸氣燈(汞燈、鈉燈等)鹵化物燈(碘鎢燈、溴鎢燈等)四類。惰性氣體放電燈具有輻射強(qiáng)度高、既能脈沖工作又能連續(xù)工作、工藝簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用最為廣泛。惰性氣體放電燈與聚光腔共同構(gòu)成固體激光器的燈泵浦系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光二極管泵浦固體激光器較之其他的泵浦方式具有最高的泵浦效率,代表了固體激光器的一個(gè)發(fā)展方向。,第三節(jié)固體激光器,一).燈泵浦系統(tǒng)1惰性氣體放電燈1)惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)由工作氣體、電極和燈管三部分組成。工作氣體一般采用氙或氪。電極采用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率、低濺射的金屬材料,常用鎢、釷鎢等材料。燈管則通常采用耐高溫、透光性好、機(jī)械強(qiáng)度高的石英玻璃。結(jié)構(gòu)形式有直管(比較常用)和螺旋之分,如圖3.31所示。,第三節(jié)固體激光器,惰性氣體放電燈在工作方式上分為脈沖和連續(xù)兩種,如脈沖氙燈,連續(xù)氪燈。惰性氣體放電燈工作于弧光放電狀態(tài),著火電壓和觸發(fā)電壓是燈啟動(dòng)的重要參數(shù)。對(duì)脈沖燈而言,其使用壽命與最大輸入能量密切相關(guān)。脈沖氙燈的常用規(guī)格及其性能參數(shù)見(jiàn)表3.9。2)惰性氣體放電燈的光譜特性惰性氣體放電燈的輻射光譜中有連續(xù)光譜和線狀光譜兩種成分。產(chǎn)生連續(xù)光譜的主要原因是燈內(nèi)濃度很高的電子和正離子復(fù)合發(fā)光。因帶電粒子的動(dòng)能連續(xù)可變,故其輻射光譜為連續(xù)譜;此外電子減速發(fā)光,其光譜也為連續(xù)譜。產(chǎn)生線狀光譜的主要原因是放電時(shí)被激發(fā)的原子和離子自發(fā)地返回基態(tài)時(shí)輻射發(fā)光,其光譜中具有氣體原子和離子的特征光譜線。,第三節(jié)固體激光器,在連續(xù)弧光燈的輻射光譜中,線狀光譜的貢獻(xiàn)很顯著。而在脈沖燈的輻射光譜中,則以連續(xù)光譜的貢獻(xiàn)為主。二者在放電燈的輻射光譜中所占據(jù)的比例取決于燈內(nèi)的放電電流密度、充氣壓和充氣種類。在此重點(diǎn)分析放電電流密度的影響。脈沖氙燈在兩種電流密度下的輻射光譜如圖3.32所示。,第三節(jié)固體激光器,放電電流密度較小時(shí),線狀光譜所占比例上升。對(duì)脈沖氙燈,其特征譜線的峰值波長(zhǎng)位于0.84μm、0.9μm和1μm附近。對(duì)連續(xù)氪燈,其特征譜線的峰值波長(zhǎng)位于0.76μm、0.82μm和0.9μm附近,與Nd3+:YAG的吸收譜帶相匹配。放電電流密度較大時(shí),連續(xù)譜成分增加。當(dāng)放電電流密度增大到一定值時(shí),線狀光譜被連續(xù)譜掩蓋,且隨著放電電流密度的增大,連續(xù)譜中心波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。在高放電電流密度下,脈沖氙燈的輻射光譜顯然有利于紅寶石晶體的吸收(吸收峰在400～550nm)。對(duì)連續(xù)和小能量輸出(<10J)的脈沖Nd3+:YAG器件,采用氪燈泵浦效率比較高。對(duì)大型釹玻璃和脈沖Nd3+:YAG器件,宜采用輻射能量較大、效率較高的脈沖氙燈泵浦。,第三節(jié)固體激光器,對(duì)于要求輸出能量比較大的激光系統(tǒng),常常需要采用多燈泵浦。多燈泵浦時(shí)對(duì)燈的選擇和放電回路的設(shè)計(jì)應(yīng)注意遵循以下原則:盡量選擇電阻系數(shù)K0相同的燈;如用同一電源供電,則燈需串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。此時(shí),燈的等效電阻會(huì)發(fā)生變化,設(shè)計(jì)中要加以考慮。(3)惰性氣體放電燈的有效輻射效率ηL惰性氣體放電燈的有效輻射效率ηL定義為燈在工作物質(zhì)吸收帶內(nèi)的輻射CV2/2之比。在燈泵浦的固體激光器幾個(gè)重要的能量轉(zhuǎn)換光能與電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)當(dāng)中,燈的有效輻射是第一個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),其效率的高低對(duì)器件的總體效率產(chǎn)生重要的影響。,第三節(jié)固體激光器,影響η的主要因素有充氣種類、充氣壓、燈尺寸(L與d)及使用情況等。充氣種類的影響是顯而易見(jiàn)的。對(duì)脈沖燈,當(dāng)充氣壓一定時(shí),氙的轉(zhuǎn)換效率比氪、氬高。充氣壓的影響:在相同放電條件下,充氣壓增高則ηL提高。但充氣壓過(guò)高,放電過(guò)程中形成的沖擊波會(huì)影響燈的壽命。因此,對(duì)輻射能量較大的脈沖氙燈,充氣壓不可過(guò)高,而對(duì)輻射能量小的脈沖燈和連續(xù)燈,充氣壓則可適當(dāng)提高。燈尺寸的影響:燈細(xì)長(zhǎng)可提高ηL。實(shí)際使用中,在滿足平均功率和輸入能量的前提下,應(yīng)盡量選用細(xì)長(zhǎng)的燈。放電電流密度的影響:要提高燈的有效輻射效率ηL,應(yīng)使燈工作在最佳放電電流條件下。對(duì)于連續(xù)燈,可通過(guò)改變輸入電功率來(lái)控制放電電流。對(duì)于脈沖燈,可通過(guò)改變輸入電能和放電時(shí)間來(lái)控制放電電流。在輸入電能一定的前提下,放電時(shí)間和放電電流要綜合考慮。實(shí)際運(yùn)用中,應(yīng)合理設(shè)計(jì)燈的放電回路以提高燈的有效輻射效率ηL。,第三節(jié)固體激光器,2.聚光腔使用燈泵浦固體工作物質(zhì),燈的輻射能量在空間4π立體角內(nèi)發(fā)散,聚光腔的作用是將泵浦光有效、均勻地傳輸?shù)焦ぷ魑镔|(zhì)上。聚光腔的傳輸效率影響固體激光器的總體效率,聚光腔傳輸?shù)木鶆蛐杂绊戄敵龉馐木鶆蛐浴⑹⒔堑容敵鎏匦?。我們用聚光效率ηC來(lái)衡量這一能量傳輸環(huán)節(jié)效率的高低,其值與聚光腔的腔型、腔內(nèi)表面的反射性能等因素有關(guān)。聚光腔通常是一個(gè)封閉的空心幾何體,工作物質(zhì)和泵浦燈置于其中。根據(jù)工作物質(zhì)的形狀和所用泵浦光源的類型以及二者間的相對(duì)位置,泵浦方式主要分為側(cè)面泵浦、端面泵浦和面泵浦三種。,第三節(jié)固體激光器,側(cè)面泵浦:工作物質(zhì)形狀為棒狀或矩形片,泵浦光源為直管燈(螺旋燈)或激光二極管陣列。燈與棒平行放置或棒位于螺旋燈軸線上。泵浦光直接或經(jīng)聚光腔反射后投射到棒側(cè)面進(jìn)入。端面泵浦:泵浦光由棒端面進(jìn)入(對(duì)棒端面加工要求高)。后面將要介紹的半導(dǎo)體激光二極管泵浦固體激光器多采用此種方式,分為直接端面泵浦和光纖耦合端面泵浦。面泵浦:工作物質(zhì)形狀為圓盤(pán),泵浦光通過(guò)圓盤(pán)表面進(jìn)入工作物質(zhì)。面泵浦具有泵浦光均勻性好、工作物質(zhì)片狀結(jié)構(gòu)散熱性好等優(yōu)點(diǎn),適用于泵浦大功率器件。燈泵浦系統(tǒng)中,側(cè)面泵浦棒狀工作物質(zhì)應(yīng)用最為廣泛。,第三節(jié)固體激光器,(1)聚光腔的類型,第四節(jié)染料激光器,一、染料激光器的工作原理1、染料分子的結(jié)構(gòu)及常用染料的種類1）染料分子的結(jié)構(gòu)染料是一種碳、氫化合物。染料分子中參與光的吸收或激光輻射的電子（π電子）處于分子的共軛雙鍵中，吸收光譜主要位于可見(jiàn)光區(qū)，原因是具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的化合物對(duì)波長(zhǎng)在２００ｎｍ以上的光波有強(qiáng)吸收作用；熒光波長(zhǎng)也主要位于可見(jiàn)光區(qū)。,第四節(jié)染料激光器,２）常用染料的種類目前，已獲得運(yùn)轉(zhuǎn)的激光染料達(dá)５００余種，其中最常用的有以下四類：（１）吐噸類染料（２）香豆素類染料（３）惡嗪染料（４）花青類染料,第四節(jié)染料激光器,2、染料分子的能級(jí)典型的染料分子由五十多個(gè)原子組成，是一個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的大分子系統(tǒng)。很難把染料發(fā)出的熒光歸結(jié)為是其中哪一對(duì)原子所發(fā)射的，要精確地計(jì)算能級(jí)非常困難。,第四節(jié)染料激光器,二、染料激光器的泵浦方式與典型器件結(jié)構(gòu)1、脈沖染料激光器1）.泵浦源脈沖染料激光器的泵浦源主要有脈沖激光器和閃光燈兩類。2）.泵浦方式分類：橫向泵浦和縱向泵浦兩種。橫向泵浦指泵浦激光束方向垂直于染料激光器諧振腔光軸方向?？v向泵浦指泵浦激光束方向平行于染料激光器諧振腔光軸方向或二者之間有一夾角(離軸)。泵浦區(qū)的直徑均不超過(guò)1mma以激光束作為泵浦源時(shí)多采用橫向泵浦方式，以求在染料當(dāng)中獲得比較好的光泵均勻性。,第四節(jié)染料激光器,3).器件典型結(jié)構(gòu),第四節(jié)染料激光器,2.連續(xù)染料激光器連續(xù)染料激光器通常采用高速噴流技術(shù)，使染料溶液高速流過(guò)激活區(qū)以獲得器件的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。1).泵浦源與泵浦方式泵浦源為連續(xù)激光器，通常采用Ar十激光或Kr+激光連續(xù)泵浦。泵浦方式一般采用縱向泵浦離軸縱向泵浦。,第四節(jié)染料激光器,2).器件典型結(jié)構(gòu)連續(xù)染料激光器的結(jié)構(gòu)形式有許多種，三鏡折疊腔與環(huán)行腔是比較典型的兩種結(jié)構(gòu)，在此介紹三鏡折疊腔。,