2663999899激光原理 第六版 周炳琨编著9章.ppt
典型激光器,激光器种类,典型激光器,典型激光器,典型激光器,典型激光器,固体激光器,一、光泵激励,1.气体放电灯激励,脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯,气体放电灯能量转换环节多，辐射光谱宽，激光效率低。,固体激光器,一、光泵激励,2.半导体激光二极管激励,激光二极管泵浦可采用端面与侧面泵浦两种形式。,半导体激光二极管波长与激光工作物质波长相匹配，能量利用率高。,固体激光器,二、红宝石激光器,固体激光器,二、红宝石激光器,固体激光器,二、红宝石激光器,固体激光器,三、Nd激光器,固体激光器,三、Nd激光器,工作物质：Nd3+Y3Al5O12(Nd:YAG)Nd3+硅酸盐或磷酸盐(Nd玻璃激光器),固体激光器,三、Nd激光器,固体激光器,四、钛宝石激光器,1.工作物质：少量Ti3+取代Al2O3晶体中Al3+。2.晶格场作用，2D分裂为2T2g（基态）和2Eg（激发态）。3.振动能级构成准连续能带。4.可调谐，产生660-1180nm光谱,固体激光器,四、钛宝石激光器,固体激光器,四、钛宝石激光器,电压表,电流表,气体激光器,一、He-Ne激光器,可产生多条激光谱线：如632.8nm，1.15um,3.39um,1.激励机制,阴极与阳极放电产生；激光跃迁发生于Ne原子能级间；辅助气体He提高泵浦效率；,共振能量转移,气体激光器,一、He-Ne激光器,2.谱线竞争,3.39um谱线增益系数大（增益系数与波长三次方成正比）,为获得较强632.8nm激光：a.借助腔内棱镜使3.39um激光不能起振；b.腔内插入对3.39um光吸收元件；c.借助轴向非均匀磁场，使3.39um谱线线宽增加，降低增益；,气体激光器,一、He-Ne激光器,3.放电参数对输出功率的影响,对于He的亚稳态存在：电子碰撞激发过程；与管壁及共振能量转移消激发过程；电子与He亚稳态碰撞消激发过程,当放电电流较小时，正比于；随着电流增大，趋于饱和。,气体激光器,一、He-Ne激光器,3.放电参数对输出功率的影响,激光跃迁下能级粒子数 正比于；反转集居数达到最大后，随电流增大而减少；适宜Pd值：降低P，电子温度上升，有利于激发；同时原子数过少，功率减小。He:Ne比例适宜：Ne比列过小降低功率；过大，电离电位过低，电子温度低，输出功率下降。管壁减小有利于碰撞，释放1S能量。,气体激光器,二、氩离子激光器,放电使Ar与电子碰撞电离，形成基态氩离子，电子组态3P5；激光跃迁发生在3P44P和3P44S，寿命分别为10-8s和10-9s；488nm，514.5nm等9条激光线，插入棱镜等色散原件得单谱线。,激光跃迁上能级主要途径：1.基态Ar+与电子碰撞直接跃迁到4P；2.基态Ar+与电子碰撞至高于4P其它能级，辐射跃迁至4P；3.基态Ar+和电子碰撞跃迁低于4P能级后再次碰撞跃迁至4P。,气体激光器,二、氩离子激光器,4P能级积聚数增长数率为：,Ar原子电离能15eV，激光跃迁上能级20eV；降低压力（150Pa）和大电流弧光放电激发，提高电流和激发数率；要求管壁材料耐高温、导热好、抗溅射等。,气体激光器,三、CO2激光器,工作物质：CO2、N2和He,激光跃迁发生在CO2分子的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率，He有助于下能级抽空。,分子总能量包括：1、电子绕核运动的能量；2、分子中原子振动能量；3、分子转动能量；4、分子平动能量。电子能级、振动能级及转动能级差104:102:1。,气体激光器,三、CO2激光器,N2一种振动方式；CO2 有三种振动方式：对称振动、弯曲振动、反对称振动。,气体激光器,三、CO2激光器,CO2通过以下三个过程激发到00011.直接电子碰撞2.级联跃迁3.共振转移,气体激光器,三、CO2激光器,激光下能级的抽空过程：,阻塞在0110能级上的CO2分子与He原子碰撞，缩短了能级寿命。,高气压下碰撞加宽占主导地位：,气体激光器,三、CO2激光器,CO2 激光器种类：,1.纵向慢流CO2激光器2.封闭型CO2激光器3.纵向快流CO2激光器4.横向流动CO2激光器5.横向激励大气压CO2激光器6.气动CO2激光器7.波导CO2激光器,气体激光器,四、N2分子激光器,1.输出紫外光，波长337.1nm最强，357.7nm次之，315.9nm最弱。2.输出功率可达107W，脉宽小于10ns，频率数十到数千赫。3.作为染料激光器泵浦源。4.激光跃迁发生在不同电子态 和 的振动能级之间。,气体激光器,四、N2分子激光器,1.激发过程：2.上下能级寿命分别为40ns和10us。3.上能级寿命比下能级寿命大的多，在激励起始很短时间内形成积聚数反转，超过这段时间自行终止。4.只能以脉冲方式运转，泵浦放电脉冲小于40ns。5.以火花脉冲放电方式激励。,气体激光器,五、准分子激光器,1.准分子是一种在激发态结合为分子，在基态解离为原子的不稳定缔合物。2.在某一核间距势能最小。3.基态势能随核间距增加而单调下降。4.准分子跃迁到基态后即解离，下能级总是空的。5.准分子含有稀有气体元素。,气体激光器,五、准分子激光器,6.放电方式激励。7.以KrF*为例说明激励过程：KrF*准分子激光器中加入He、Ne、Ar，降低电子温度，产生更多激发态粒子。8.单脉冲能量可达百焦耳，峰值功率109W，平均功率大于200W。,染料激光器,1.采用溶于有机溶剂的有机染料作为激光工作物质；2.染料是包含共轭双键的有机化合物；3.染料大分子电子结构：处于基态时，2n个电子填满n个最低能级，自旋相反，总自旋量子数为0；处于激发状态时，若总自旋量子数仍为0，形成S1，S2等单重激发态；若自旋反转，形成T1、T2等三重态。单重态和三重态跃迁禁戒。,染料激光器,4.每一个电子态都有一组振动-转动能级。电子态之间的能量间隔为106m-1量级，振动能级间隔为105m-1，转动能级间隔103m-1，染料分子与溶剂分子碰撞和静电扰动加宽，使得振动转动能级几乎相连，形成准连续能带。5.跃迁过程：染料分子吸收泵浦光由S0跃迁到S1的某一振动能级，碰撞跃迁至S1最低振转能级。在S1最低振转能级和S0较高振转能级之间形成集居数反转。具有很宽的调谐范围。,染料激光器,6.通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器、倍频Nd:YAG激光器作为脉冲染料激光器泵浦源；连续激光器使用氩或氙离子激光器。7.泵浦光波长必须小于激光输出波长。8.采用光栅、棱镜、标准具、双折射虑光片等波长选择元件进行波长调谐。9.在紫外（330nm）到近红外（1.85um）连续可调谐输出。,掺杂光纤放大器,掺杂光纤：在石英光纤或氟化物光纤中掺入稀土元素，如铒（Er），钬(Ho)，钕(Nd)，镨（Pr），铱（Yb）等，可实现波长从可见光到红外范围放大。,一、掺铒光纤放大器（EDFA）1.最有效的泵浦波长980nm和1480nm。2.980nm泵浦对应三能级系统；1480nm对应准三能级系统。,掺杂光纤放大器,3.信号光与泵浦光通过光纤耦合器注入光纤，光隔离器避免自激振荡。4.增益和饱和输出功率决定于泵浦功率、信号波长、光纤长度、掺铒浓度等。5.受激铒离子寿命10ms，长于脉冲间隔25-400ps，增益决定于信号平均功率。,二、掺镨光纤放大器（EDFA）1.掺镨氟化物玻璃；2.在1300nm为中心很宽范围光放大。3.存在受激态吸收，泵浦效率和小信号增益低。4.信号增益与信号波长域光纤长度有关。,掺杂光纤放大器,Empower Series Pulsed Green Laser,HIPPO Diode-Pumped Solid State Q-Switched Laser,Quanta-Ray Lab Series Pulsed Nd:YAG Lasers,3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser,Spitfire Pro Ultrafast Ti:Sapphire Amplifier,红宝石激光器,Solano Series Air-Cooled Ion Lasers,HeNe Lasers-Green 543 nm,HeNe Lasers-Red 633 nm,Spectra-Physics VSL-337ND-S Nitrogen Laser,Sirah Dye Lasers,Lamda Physik XeCl及染料激光器,Lamda Physik XeCl及染料激光器,
