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第三章 典型激光器

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新激光第三章典型激光器01PPT课件

新激光第三章典型激光器01PPT课件

02 激光原理概述
激光产生的基本原理
受激发射
当原子或分子吸收特定频率的光 子后，其电子从低能级跃迁至高 能级，当电子从高能级回落到低 能级时，会释放出与原光子频率
相同的光子。
光学共振腔
为了形成持续的激光输出，需要 一个光学共振腔来选择特定频率 的光子，并维持光子在其中的共
振。
泵浦机制
通过外部能量源（如电流或光泵 浦）为原子或分子提供能量，使 其从低能态跃迁至高能态，为受
激光与其他技术的结合
随着科技的不断发展，激光技术将与其他技术如人工智能 、物联网等结合应用，实现更高效、更智能的技术解决方 案。
05 结论
本章总结
01
02
03
04
理解了典型激光器的原理和结 构，包括气体、固体、染料和
半导体激光器等。
掌握了不同类型激光器的特点 和优缺点，以及它们在不同领
域的应用。
激光在科学研究领域的应用
激光光谱学
利用激光技术进行光谱分析，研究物质的分 子结构和化学性质。
激光显微镜
利用激光技术提高显微镜的分辨率和观察能 力，可观察微小生物和细胞结构等。
激光雷达
利用激光技术进行遥感测量和环境监测，具 有高精度、高分辨率等特点。
激光操控
利用激光能量对微观粒子进行精确操控，如 量子计算、量子通信等。
通信。
测量
由于激光的高亮度和方向性， 可以用于各种高精度测量，如 距离、角度、速度等。
加工
激光的高能量密度可用于各种 材料的加工，如切割、焊接、 打标等。
医学
激光可用于各种医学治疗和诊 断，如眼科手术、皮肤科治疗
、肿瘤治疗等。
03 典型激光器介绍
气体激光器

新激光ppt课件第三章 典型激光器(1)

新激光ppt课件第三章 典型激光器(1)

红宝石中铬离子的能级结构
4).温度的影响
温度
中心波长向长波方向移动
荧光线宽加宽
量子效率下降
红宝石晶体低温下性能优良,室温下以脉冲方式运转
5).主要优缺点
2.掺钕钇铝石榴石 (Nd3＋ :YAG) 谱线加宽:
在整个温度范围内,以均匀加宽为主
晶体的物理性质:
在钇铝石榴石(Y3Al5O12)中掺入0.725%的Nd2O3 各向同性
晶体的激光性质:
1).能级结构
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， 如图为其简化能级模型。
2).吸收光谱
蓝光带：410nm 绿光带：550nm
3).荧光光谱
E4A2 2A4A2
694.3nm 692.9nm
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(0.337m)，红宝石激光器 (0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激 光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要 在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。
如图为经常采用的三镜 腔式染料激光器结构示 意图。
3.如图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。
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。Leabharlann 图(5-6) 椭圆柱聚光腔
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。
图(5-22) 典型染料激光器原理示意图
六、新型固体激光器 1. 半导体激光器泵浦的固体激光器

典型激光器介绍

典型激光器介绍

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。

第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵

第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵

能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 典型激光器介绍
▪ Ar+离子激光器
➢ 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。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
15
3.1 典型激光器介绍
3、不同介质介面（平面）

ro ri 0

ro


0
1 2
ri

1

ro ro



0
0
1 2


ri ri

Байду номын сангаас
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
辐射不是基于原子分子或离子的束缚电子能级间的跃磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动从而产生辐射当速度接近光速的电子作圆周运动时将会辐射出光子由于这种辐射1947年在同步加速器上被发现的因而被命名为同步辐射synchrotronradiation切伦科夫辐射当电子在介质中运动时如果它们的速度比光在介质中的相速度大电子也会产生光辐射其波长随着电子速度而变化虽然光很弱但却是单色性很好的辐射光
➢ 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到 的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段， 甚至 X射线、射线波段。
➢ 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量， 在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne 激光的单色性很高，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～ 2毫弧度。

典型激光器

典型激光器
A e ( 快） A e ( 慢）
*
• 当电子能量等于或大于气体粒子的电离能时，
A e ( 快） A

e ( 慢）
• 电子和气体粒子的碰撞，还可以使粒子从一个 激发态跃迁到一个更高的激发态，或使激发态 粒子发生电离(逐级激发和逐级电离)
２.第二类非弹性碰撞
一个粒子的内能转变为另一个粒子内能或动能的 碰撞 共振转移:激发态的粒子A*与基态粒子B碰撞,B激 发到高能态, A*返回基态
(a) 外腔式
(b)半内腔式
外腔式
谐振腔反射镜与放电管分离，放电管两端封有布 儒斯特窗. 优点:放电管的热变形对谐振腔的影响很小,加之 腔镜可调整,可以保证激光器在长期使用中输出稳 定. 布氏窗使激光器可获得线偏振光输出,偏振度一般 大于99%. 腔内可方便地插入其他的光学元件,获得调频、调 幅输出. 缺点:腔镜与放电管的相对位置容易改变,使用中 需经常调整. 半腔式优缺点介于内、外腔式之间.
c.常用：
氩离子激光器、氪离子激光器
激励方式
1.一般气体放电激励 (1) 直流连续放电 (2)高频放电 (3)脉冲放电 2.电子束激励 3.热激励 4.化学反应激励
特点
• 工作波长分布区域宽 • 输出光束质量高 • 转换效率高、结构简单、造 价低廉
应用
1.农业生产 2.国防 3.科研 4.医学等领域
5.化学激光器
• 1964年第一台光解离碘原子化学激光器问世
• • • • • • • • 工作物质：气体或液体（如ＨＦ、ＤＦ等） 激励方式：化学能激励 波长范围：紫外到红外波段，直至微米波段 特点： 功率高 能量输出高 无需外界提供泵谱源 应用范围广
6.自由电子激光器

典型激光器简介

典型激光器简介

非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主
21
钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加
宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料
而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～
3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽
大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱 和特性与均匀加宽工作物质相似。
光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q
固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。 对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平
行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度
<1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部
寄生振荡，端面镀有增透膜
19
光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成
10
应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等 激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直等等
1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世
11
(5) 化学激光器
通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射 工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘
激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光
②
分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。 主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代 表CO2激光器
6
③
准分子激光器：分子激光器的一种。 准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的 不稳定缔合物。 激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。 采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等 典型代表：XeF准分子激光器

典型激光器介绍大全(精华版)ppt课件

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• 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3） • Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
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27
1、红宝石的基本特性
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10
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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14
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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15
垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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16
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。

高二物理竞赛课件典型激光器

高二物理竞赛课件典型激光器

Planck公式
d 0
d
维恩位移定律 斯忒藩·玻尔兹曼定律
激光原理
➢ 激光及其特性
单色性好，方向性好，亮度高，相干性好
➢ 激光器的发展历史 ➢ 光辐射量子理论
三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式
➢ 激光产生的必要条件
粒子数反转，提高光子简并度
➢ 激光器的基本结构
激光工作物质，泵浦源，谐振腔
4S3/2 4F7/2 4F5/2 2A9/2
0.75
0.81
1.064
E = 4 4S3/2，4F7/2 , 4F5/2，2A9/2
氪灯
输出波长：1.064m
4I9/2
0.95
(红外)
4F3/2
1.319
4I13/2 4I11/2
典型激光器
Nd:YAG激光器的泵浦 吸收光谱在近红外波段，常用氪灯泵浦，并用椭圆 聚光腔提高泵浦效率。
典型激光器
2）采用半导体激光器（LD）进行泵浦， 效率可达7~20%。
典型激光器 红宝石激光器
蓝紫带
黄绿带
是世界上第一台激光器，1960年由美国人梅曼发明。
(1)工作原理
4F1
工作物质：
4F2
Al2O3+0.05%Cr3+(重量比)
蓝紫带 2A 0.42m E
2E
能级结构：Cr3+的三能级系统 E1=4A2 ， E2=2E， E3=4F1，4F2，
典型激光器
按工作物质可分成四类: 固体激光器;气体激光器;液体激光器;半导体激光器
一、固体激光器
以掺杂的晶体或玻璃为工作物质。受激离子浓度大， 亚稳态寿命长，故容易获得大能量输出。连续功率 可达KW级、脉冲峰值功率TW级。 1光泵激励

第三章 典型激光器教材

第三章 典型激光器教材
图3-3 红宝石中铬离子的能级结构
510nm 693.4nm 694.3nm 360nm
如图3-3所示，4A2是基态又是激光下能级，其简并度g1=4，2E是亚稳态，它是 由能量差为29cm-1的2A和E二能级组成，其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收
能带。红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线)，室温下对应的中心波长分别为
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的激发过程
第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程 中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行 非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共 振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。 第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到 更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前 述两过程相比，此过程贡献最小。
4
I 11 / 2，对应1.06μm谱线）
图3-7 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱
E1:基态，一条激光谱线的激光下能级(三能级 系统): 4 4 4 I 9 / 2 ( F3 / 2 I 9 / 2 对应0.9μm谱线)
3.1 固体激光器
钕玻璃激光器
跃迁谱线:
①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观察到; ③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不出现.
3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
能级结构
属于四能级系统。激光上能级是4F3/2，激光 下能级为4I11/2，基态为4I9/2，其主要吸收峰 为0.81 μm和0.75 μm ， 4F3/2 是一个亚稳态。 1.06 μm比1.35 μm的荧光约强四倍，1.06 μm

新激光ppt课件第三章 典型激光器03

新激光ppt课件第三章 典型激光器03
激光束的空间分布示意图
光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光谱。其 中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为 几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的 激光光谱，谱宽达几十埃。
仍比气、
固宽
得多
GaAs激光器的发射光谱
转换效率:
注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功 率，转换效率极高。
4.单异质结半导体激光器:
激活区厚度 d 2m 光波导效应
阈值电流密度降低
由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致 使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,
脉冲工作的典型阈值电流密度达3X104~5X104A/cm2,
而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约
8000A/cm2。
在单异质器件中,有源区宽度d值是关键 因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它 存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对 载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称 波导内光波传输的损耗过大。对于 质量好的典型单异质结激光器, d值的范围在2~2.5um之间。 单异质结激光器的Jth虽比 同质结小若干倍,但仍d较高, 所以常与同质结器件一样用 作脉冲器件。这种器件的脉 冲功率可达数十瓦,寿命可 达数万小时以上.
固体的能带
不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这
个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一
个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg
来
衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应 关系。
电子轨道,能级,和能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带 叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为 “满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带 叫做“空带” ，若价带中的电子受激而进入空带，则此 空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带 后留下一些空着的能级称为“空穴”。

第三章 激光器介绍

第三章 激光器介绍
11
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
工作物质被激发的过程和类型
第一类非弹性碰撞：快速电子于气体粒子碰撞： A＋e(快速) A＋e(快速) 共振能量转移： A﹡ ＋B 电荷转移： A＋ ＋B A﹡＋e(慢) A＋＋e(慢) A ＋B﹡＋△E A ＋B＋﹡ ＋△E
第二类非弹性碰撞：共振能量转移、电荷转移和潘宁效应
《激光原理与技术》
分子气体激光器：
产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的 主要分子气体工作物质有CO2、CO、N2、H2、HF 和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化 碳（CO2）激光器的氮分子（N2）激光器。
9
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
离子气体激光器： 是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的 有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表 型器件是氩离子（Ar+）激光器、氪离子（Kr+） 激光器以及氦一镉离子激光器等。
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
按化学组成分
原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器
准分子激光器
(p102)
3
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
按激光运转方式分 连续 脉冲
单脉冲
重复频率 准连续
4
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
按激光调制方式分 自由运转 调Q 锁模 稳频 可调谐
粒子数反转。贮气室
He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发 射率高和溅射率小的铝及其合金制成。
15
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜 为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。 按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔 式和半内腔式。

1-3激光器的基本组成及典型激光器介绍

1-3激光器的基本组成及典型激光器介绍

2019年2月9日星期六
理பைடு நூலகம்院
物理系
§ 1-3 典型激光器简介
He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neon gas laser)
• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现
激光输出，多采用连续工作方式，输出功率与放 电毛细管长度有关；输出激光方向性好，（发散 角达1mrad以下），单色性好（可小于20Hz）， 输出功率和波长能控制得很稳定; • He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管 和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学 谐振腔组成，放电管是He-Ne激光器的心脏，是产 生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构 成。
满足振荡条件
2019年2月9日星期六 理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
半导体激光器 (Semiconductor laser or laser diode) • 半导体激光器以半导体为工作物质，常用 材料有 GaAs （砷化镓）、 InP 等。利用半导 体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之 间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半 导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的， 称为载流子。） • 具有小型、高效率、结构简单、价格便宜 等优点，在光纤通信、激光唱片、光盘、数 显、准直等领域得到广泛应用。
2019年2月9日星期六 理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
光纤激光器(Fiber lasers)
• 属于固体激光器。 • 光纤的典型结构为多层同轴圆柱体，自内向外为纤 芯、包层和涂覆层。(core, cladding and coating) 纤芯 由高度透明的材料组成，是光波的主要传输通道；包 层的折射率略小于纤芯，形成光波导效应，使光的传 输束缚在纤芯中，并使传输性能稳定。涂覆层包括一 次涂覆、缓冲和二次涂覆，保护光纤不受水汽的侵蚀 和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，延长光纤 寿命。 • 多模光纤：能够传导多种模式的光纤，其截面尺寸 较大，阶跃多模光纤芯径50m，包层直径125m。 • 单模光纤：只能传导一种模式的光纤，其纤芯直径 很小，约在4~10m范围，包层直径125m。

新激光第三章典型激光器03PPT课件

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氦氖激光器
总结词：低成本
详细描述：氦氖激光器的成本较低，价格相对较为实惠，因此被广泛应用于各种 领域。此外，由于其结构简单、易于维护和操作，也降低了使用成本。
氦氖激光器
总结词：连续
详细描述：氦氖激光器可以产生连续输出的激光，其波长为632.8nm，属于可见光范围。这种连续输出的 激光可以用于各种需要长时间稳定输出的场合，如指示、测量等。
激光焊接
通过激光束将金属或非金属材料 连接在一起，具有熔池小、热影 响区窄、焊接强度高等优点。
激光打标
在各种材料表面进行永久性标 识，广泛应用于产品追溯、防 伪鉴别等领域。
激光清洗
利用激光能量去除物体表面的 污垢、油渍等杂质，具有高效
、环保的优点。
医疗美容
激光治疗
利用激光能量对皮肤问 题进行精确治疗，如雀
详细描述
气体激光器利用气体作为增益介质，通过放电或燃烧等方式激发气体分子从低能级跃迁到高能级，再 通过受激辐射回到低能级，释放出光子形成激光。气体激光器具有输出功率高、效率高、结构简单等 优点，可应用于科研、工业、医疗等领域。
液体激光器
总结词
具有波长可调谐范围宽、输出功率稳定等优点，广泛应用于生物医学、化学分 析等领域。
要点二
详细描述
随着激光技术的广泛应用，激光安全与环保问题日益突出 。为了确保人员安全和环境保护，需要采取一系列措施， 如制定安全规范、加强人员培训、研发环保型激光器等。 同时，还需要关注废弃物处理问题，确保激光技术的可持 续发展。
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新激光第三章典型激光器03ppt课 件
目录
• 引言 • 激光器的分类 • 典型激光器的特性与原理 • 激光器的应用领域 • 未来激光技术的发展趋势与挑战

第三课 激光原理与典型激光器

第三课 激光原理与典型激光器

三、典型气体激光器
He-Ne激光器
1.发光原理 激活介质按He:Ne=10:1～7:1填充，氖为发光气体；氦为辅 助气体，用来改善放电特性，提高氖原子的反转粒子数密度。 • 在He—Ne激光器中， 实现粒子数反转的主 要激发过程有： • 共振转移； • 电子直接碰撞激发； • 串级跃迁。 He-Ne激光器是典型的 四能级系统，其激光谱 线主要有三条 : 3S22P4 0.6328m 2S22P4 1.15m 3S23P4 3.39m
灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱，或者冷却水中 加重铬酸钾。
2. 半导体激光二极管泵浦（DPSSL) 半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比 有很多优点： 光谱匹配好，能量转换效率高；热效应小，光束空间质量 好；寿命长，可靠性高；体积小，结构紧凑。 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有直接端面泵浦、 光纤耦合端面泵浦和侧泵浦方式。端泵适合中小功率激光器， 侧泵适合大功率激光器。
谐振腔：一般采用平凹腔，平面镜透过率1~2%。有内腔式、外腔式、半 内腔式三种。
气体激光器突出优点： （1）谱线范围宽，有上百种气体可产生激光，谱线有上万条。 波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。 （2）光束质量高，单色性、方向性、相关性均优于其它激光 器。 （3）频率稳定，易获得连续的激光和脉冲输出。 （4）有些气体激光器输出功率很大，如二氧化碳激光器达到 数十万瓦。 缺点：体积庞大。
吸 收 谱 ： 5 条 吸 收 带 ， 带 宽 约 30nm 。 0.53μm ， 0.58μm ， 0.75μm，0.81μm， 0.87μm；以0.75μm， 0.81μm为最强。
（1）发光机理
4 基态： I 9 2
E1
泵浦
E4
（中心波长810nm和 750nm，带宽30nm）
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3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
激光工作物质-掺钕钇铝石榴石 Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+，基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12)。 Nd3+部分取代YAG中的Y3+即成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比， 此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3，颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比 例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶 系，是各向同性晶体。
激光器分类
第三章 典型激光器
3.1 固体激光器
固体激光器的基本结构与工作物质
固体激光器基本结构 由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的
图3-1 固体激光器的基本结构示意图
图3-2 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)。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
激光工作物质-红宝石晶体 化学表示式为Cr3+: Al203，激活离子是Cr3+，基质是A12O3晶体(刚玉)； 红宝石属六方晶系，是无色透明的负单轴晶体。红宝石是在Al2O3中掺 入适量的Cr3+，使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般 在0.05%(重量比)左右。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
氦和氖原子的能级图
He-Ne激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激 光跃迁的是Ne气。Ne原子有10个电子，基态1S0 (电子分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、3S、 2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为 2P53s、2P54s、2P55s、2P53P、2P54P。He是辅助 气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。如图3-9所 示，He原子有两个电子，没激发时这两个原子都 分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子 受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子 成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别 记为23S1、21S0。
4 F3 / 2
( 4 I11 / 2 4 F3 / 2
4 I13 / 2，对应1.4μm谱线） 4 I11/ 2，对应1.06μm谱线）
E1:基态，一条激光谱线的激光下能级(三能级 系统):
( 4 I9/ 2
4 F3/ 2
4I9/2 对应0.9μm谱线)
图3-7 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱
3.1 固体激光器
图3-9 与激光跃迁有关的Ne原子 的部分能级图
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线 有三条，即0.6328 m 、3.39 m和1.15 m ，对应跃迁能级分别为 3S2→2P4，3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而 向1S态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地 回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这 就是为什么He—Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，He—Ne激光器是典型的四能级系统。
图3-9 与激光跃迁有关的Ne原子 的部分能级图
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的激发过程
在He-Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子 的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高， 可达95%，其转移过程如下：
氦-氖(He-Ne)激光器
内腔式He-Ne激光器
优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结 构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程中放电管受热变形 时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。 激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一 米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无 法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用 寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管 功率的稳定性不如旁轴式。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层 电子组态为3d54s1，掺入Al2O3后失去外层三个电子 成为Cr3+，Cr3+的最外层电子组态为3d3。红宝石的
360nm
光谱特性就是Cr3+的3d壳层上三个电子发生跃迁的 结果。Cr3+在很强的晶格场作用下，呈现出复杂的
的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下，其吸收曲线略有差
别，见图3-4。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
缺点 阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。 优点 机械强度高，能承受很高的激光功率密度；容易生长成较大尺寸；亚稳态 寿命长，储能大，可得到大能量输出；荧光谱线较宽，容易获得大能量的 单模输出；低温性能良好，可得到连续输出；红宝石激光器输出的红光 (694.3nm)，不仅能为人眼可见，而且很容易被探测接收(目前大多数光电 元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约 1%～2％，凹面镜为全反射镜。He-Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐 振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。
图3-8 He-Ne激光器的基本结构形式
3.2 气体激光器
He-Ne激光器结构
由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。 放电管是氦一氖激光器的心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮 气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上 高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室 与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放 气或吸附气体造成He，Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。 放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热 胀系数小的石英玻璃制作。激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射 率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射， 一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。
钕玻璃激光器
跃迁谱线:
①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观察到; ③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不出现.
钕玻璃激光器采用四能级系统，发射的波长是1.06μm。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
外腔式He-Ne激光器
优点是这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时 溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔 影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电 管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点是 由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方 便，体积大，安装使用不方便，易破碎。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
③外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应，磁场可引 起谱线分裂，分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分 布不均匀，则各处谱线分裂程度不同并连成一片，相当于谱线变宽。 300高斯非均匀磁场中，两谱线加宽均约900MHz，0.6328umm原谱 线半宽度约1500MHz，非均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39um 原谱线宽只有300MHz左右,非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增 益系数反比于线宽，所以外加非均匀磁场后，3.39um的增益系数急 剧下降，而0.6328μm的增益系数却下降很少。结果提高了 0.63281um的竞争能力，3.39um则被抑制。外加非均匀磁场的装置 如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁，相邻的极性相同,这样 就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。
3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
能级结构
属于四能级系统。激光上能级是4F3/2，激光 下能级为4I11/2，基态为4I9/2，其主要吸收峰 为0.81 μm和0.75 μm ， 4F3/2 是一个亚稳态。 1.06 μm比1.35 μm的荧光约强四倍，1.06 μm 的谱线先起振，进而抑制1.35 μm谱线起振, 所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06 μm激 光。只有采取选频措施，才能实现1.35 μm波 长的激光振荡。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
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：3S2P 0.6328m ， 2S2P 1.15m ， 3S3P 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。 0.6328um和3.39umm两条激光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系 数比较高，如果不进行抑制,则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大 量的3S2态原子。抑制3.39um辐射的办法主要有: ①选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜，使3.39um达不到阈 值条件，如下图所示,在腔内加色散棱镜，将两谱线分开,通过调整谐振腔 反射镜的位置，只允许0.6328um的辐射起振，而使3.39um辐射偏离出谐 振腔外； ②腔内放置甲烷吸收盒，因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对 0.6328um的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um振荡;
钕玻璃是在光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量 为1%-5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为3×1020/cm3。 Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟，易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状 和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1-2m，直径30100mm，可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几 微米的玻璃纤维，用于集成光路中的光放大或振荡。 钕玻璃最大的缺点是导热率太低，热胀系数太大，因此不适于作连续 器件和高频运转的器件，且在应用时要特别注意防止自身破坏。