典型激光器介绍大全(精华版)讲解学习共77页

典型激光器的原理、特点及应用摘要：本文介绍了四种典型的激光器，固体、气体、染料和半导体激光器，并分别介绍了特点及应用。

关键词：典型激光器，原理和特点，应用一、引言自梅曼发明了第一台红宝石激光器至今，激光器得到了飞速发展，在激光工作物质方面也得到了很大的改进，激光器根据激活媒质可分为固体、气体、染料和半导体激光器。

各类激光器各有特色，并在相关的领域里发挥着重要的作用。

二、固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，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。

最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：Y AG)等三种。

图1是固体激光器的基本结构示意图。

图1 固体激光器的基本结构示意图1．红宝石(Cr3＋：A12O3)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＋)，铬离子与激光产生有关的能级结构如图2所示。

它属于三能级系统，相应于图（1-3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。

它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为694.3nm和692.9nm。

由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(694.3nm)。

红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。

红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。

随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。

因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。

目前在医学方面和动态全息方面还有应用价值。

一、激光产生的原理1、物质的发光过程在自然界，任何物质的发光都需要经过两个过程，受激吸收过程和自发辐射过程。

（1）、吸收过程当物质受到外来能量如光能、热能、电能等的作用时，原子中的电子就会吸收外来能量(如一个光子)，从低轨道跃迁到高轨道上去，或者说处于低能态的粒子会吸收外来能量，跃迁至高能态。

由于吸收过程是在外来光子的激发下产生的，所以称之为“受激吸收”。

受激吸收的特点是：必须有外来光子(或其他方式的能量)“刺激”，而且这个外来光子的能量必须是：0N h E E ν=- (N=1，2，3……)式中E 0是粒子吸收外界能量前所处的能级，E N 是吸收后所处的能级 ，h 为普朗克常数。

（2）、自发辐射过程被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它们在高能级上只能停留一个极为短暂的时间，然后立即向低能级跃迁。

这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进行的，所以称为“自发跃迁”。

粒子在自发跃迁过程中，要把原先吸收的能量释放出来，所释放的能量数值为E=E N -E 0。

释放能量转变为热能，传给其他粒子，这种跃迁叫做“无辐射跃迁”，不会有光子产生。

另一种是以光的形式释放能量(叫做自发辐射跃迁)，即向外辐射一个光子，于是就产生了光。

自发辐射过程放出的光子频率，由跃迁前后两个能级之间的能量差来决定，即：可见，两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。

自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。

前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。

当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射，如此循环不止地进行下去。

每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。

0N E E h ν-=自发辐射的特点是：由于物质(发光体)中每个粒子都独立地被激发到高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联系，所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长有长有短，而且传播的方向也不一致。