新激光ppt课件第三章典型激光器课件.ppt
3.3 固体激光器,1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。,一、固体工作物质,固体工作物质,固体基质材料,少量掺杂离子,光谱特性,物理性质,基质材料,晶体,玻璃,氧化物晶体,氟化物晶体,硅酸盐玻璃,硼酸盐玻璃,磷酸盐玻璃,混合氧化物 YAG、YAP,单一氧化物 Al2O3,混合氟化物 LiYF4,单一氟化物 CaF2,(一).概述,固体工作物质特点：,参与受激辐射作用的离子浓度高，激光上能级的寿命长，故易获得大能量输出，适于调Q。,掺杂离子,三价稀土金属离子,二价稀土金属离子,过渡金属离子,锕系金属离子,加工要求：,圆棒状，侧面磨毛，两端面平行度510秒，面轴垂直度1秒，端面平整度0.5个圈,且镀增透膜.,(二).典型固体工作物质介绍,固体工作物质的加宽有均匀加宽和非均匀加宽,1.红宝石晶体,Cr3+:Al2O3,谱线加宽:,红宝石晶体在低温时,主要是非均匀加宽,在高温时,主要是均匀加宽.,晶体的物理性质:,Cr3+离子掺量为:0.030.07%,各向异性,红宝石有三种生长方向,平行于光轴,垂直于光轴,与光轴成60,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。,红宝石中铬离子的能级结构,1).能级结构,2).吸收光谱,蓝光带：410nm,绿光带：550nm,3).荧光光谱,694.3nm,692.9nm,晶体的激光性质:,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,淡紫色,晶体的激光性质:,Nd3+的外层电子组态为4f35s25p6,其中4f壳层没有填满,3个电子可处于不同运动状态而形成一系列能级.,位于激光上能级的Nd3+,可向多个能级辐射跃迁,有的为四能级系统,有的为三能级系统.,1).能级结构,Nd3:YAG 的能级结构,2).吸收光谱：,Nd3:YAG 晶体的吸收光谱,如图，Nd3+的吸收带主要有5条,(0.53m、0.58m、0.75m、0.81m、0.87m）,3).荧光光谱,有3条明显的窄谱带(1.064m、0.94m、1.35m),4).主要优缺点,3.钕玻璃,谱线加宽:,均匀加宽、非均匀加宽均有,晶体的物理性质:,在钕玻璃中掺入适量的Nd2O3，玻璃为各向同性材料光学均匀性好，性能稳定。,晶体的激光性质:,能级结构与其在晶体中基本相同，属四能级系统；光谱特性也与其在晶体中基本相同。,二、固体激光器的泵浦系统,1.固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。,泵浦光源,惰性气体放电灯,半导体激光二极管,金属蒸汽灯,卤化物灯,2.常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。,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。,图(5-6)椭圆柱聚光腔,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。,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。,三、工作物质的热效应及散热,.工作物质的热效应,连续激光器的热效应,脉冲激光器的热效应,热应力,热透镜,重复脉冲,单脉冲,单脉冲,连续,准稳定,2.冷却与滤光,1).冷却:,液体、气体、传导,2).滤光:,滤光玻璃,滤光液,3.光学补偿法,4.采用非圆柱工作物质,3.4 染料激光器,一、染料激光器的激发机理,1.染料分子能级,染料分子能级图,染料分子能级图是如图所示的准连续态能级结构。,2.染料分子的光辐射过程,染料的吸收-荧光光谱图,染料的吸收-荧光光谱图,3.染料分子的三重态“陷阱”,消除方法：,选择染料、加入猝灭剂、窄脉冲泵浦,二、染料激光器的泵浦,1.闪光灯脉冲泵浦,泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。,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。,三镜腔式染料激光器,三、染料激光器的调谐,1.光栅调谐,如图是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。,光栅-反射镜调谐腔,2.棱镜调谐,如图是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。,棱镜调谐腔,3.双折射滤光片调谐,图(5-22)典型染料激光器原理示意图,利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的Ar激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。如图给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。,六、新型固体激光器,1.半导体激光器泵浦的固体激光器,半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点,半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图,半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有端泵浦方式和侧泵浦方式。,2.可调谐固体激光器,可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。,3.高功率固体激光器,高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。,从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图。,图(5-8)板条形固体激光器结构示意图,
