第8次 典型激光器ppt課件

1、2021-11-161 激光受激輻射光自發(fā)輻射光概述：氣體固體相干光源染料（若丹明-6G）半導(dǎo)體（LD）光源發(fā)光二極管（LED）非激光器激光器激光器激光相干光源器白熾燈鹵鎢燈第六章 發(fā)光器件2021-11-1626-1 氣體激光器222*1961He-NeCO,N ,O ,CO ,XeCl+r一、概述年，發(fā)明激光器。He,Ne,Ar,Kr,Xe等惰性氣體原子氣體激光器金屬原子蒸汽（銅、錫）水蒸氣氣體激光器 分子氣體激光器準(zhǔn)分子激光器惰性氣體離子（A 激光器）離子氣體激光器金屬蒸汽離子2021-11-163COkWCO2離子激光器是利用電離后的氣體離子產(chǎn)生激光氣體激光器的特點(diǎn)：（1） 工作波長極

2、其豐富，從真空紫外到毫米波范圍，輸出譜線上萬條。（2） 激光器的性能有很大提高。激光器的功率可以達(dá)到100；激光器的效率可達(dá)40%，器件壽命達(dá)到上萬小時(shí)。2021-11-164He-Ne1He-Ne三、激光器、激光器的結(jié)構(gòu)套管放電管 毛細(xì)管（工作區(qū)）貼鏡管陽極（鎢棒）激光管 電極 陰極（用電子發(fā)射率高和濺結(jié)構(gòu)射率小的鋁及其合金制成）全反鏡（99%）光學(xué)諧振腔部分反射鏡（98%）激光電源2021-11-165根據(jù)放電管和諧振腔的放置方式不同，激光器可以分為外腔式、內(nèi)腔式和半內(nèi)腔式三種。2021-11-1662021-11-167655555He-NeHe-NeHeNeNeNe2222322222

3、222pppppp222222222222激光器的發(fā)光機(jī)理在激光器中，原子只起到傳遞能量的作用，實(shí)際發(fā)光的是原子，原子屬于惰性氣體。原子有10個(gè)核外電子基態(tài)電子組態(tài)：1ss激發(fā)態(tài)：1sss 1ss3p 1ss4s 1ss4p 1ss5s2021-11-16865555220S223222ppppppppp221022滿殼層結(jié)構(gòu)的基態(tài)1ss恰好形成一個(gè)封閉的殼層，稱為原子實(shí)。原子實(shí)的軌道角動量、自旋角動量以及總角動量均等于基態(tài)：考慮：（1）1sss情況 一個(gè) 電子是滿殼層缺失一個(gè) 電子， 的軌道角動量、自旋角動量以及總角動量與一個(gè) 電子的相同。這就相當(dāng)于一個(gè)2 電子和一個(gè)3s電子耦合。2021-

4、11-169112212121210,1,211 1,0,22,1,.,1,0,1plslsLSLll llllLSpJpJ132電子 3s電子 耦合單態(tài)（s=0） =1 三重態(tài)（s=1) =0,1,2將這四個(gè)態(tài)記為1s態(tài)。2021-11-16105551122222222 1 1,21 1,20,1,2ppppppplsplsLS222222同理1ss4s及1ss5s.均有四個(gè)能級記為2s和3s態(tài)（2） 1ss3 情況相當(dāng)于一個(gè)2電子和一個(gè)3電子耦合2電子 3電子 =0，12021-11-16115S1(0)2,1,0(1)3,2,1(2)22JLJLLpppp1110123130,1,23

5、1,2,322單態(tài)（s=0） =0，1，2， P ,DS三重態(tài)（s=1) =PD共十個(gè)原子態(tài)，記為2 態(tài)。同理1ss4 也有10個(gè)原子態(tài)，記為3 態(tài)。2021-11-16122021-11-161311He-Ne0.6328()221.152333.390.1spmcmspmspmcm1-323激光器的主要譜線32 應(yīng)用廣泛，在可見光 波段，10 （最強(qiáng)） （譜線較強(qiáng)，增益）2021-11-1614*10*311He+eHe (2 S )+eeeHe+eHe (2 S )+e1301（3）躍遷過程）高速電子碰撞He原子，激發(fā)到上能級2 S 和2 S ：碰撞前電子， ：碰撞后電子 “ ”表示處于

6、激發(fā)態(tài)2021-11-16152HeNeNeNeHeHe ()NeNeHe ()NeNe2 323s spp3110）處于上能級的原子與原子發(fā)生非彈性碰撞將能量傳遞給原子，從而使原子激發(fā)到上能級（2S、3S），原子則回到基態(tài)。2 S(2S)+He+(0.039ev) 2 S(3S)+He+(0.048ev)（上能級、 粒子躍遷到下能級、 產(chǎn)生激光）2021-11-16163.1 ,2 ,3He423151a sssbppppss1301）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光以及的2 S ，2 S 是亞穩(wěn)態(tài)，能級壽命長，可以積累大量粒子。.2 ,3 能級壽命很短） 、 上粒子再通過自發(fā)輻射躍遷到) 上粒子通過

7、與管壁碰撞回到基態(tài)2021-11-1617241242243133He-Ne 320.6328221.52333.39spmspmspmmmm激光器的輸出譜線：和有共同的激光上能級，且3.39激光的增益要大于0.6328的增益，為了抑制譜線的產(chǎn)生，可以通過鍍膜來實(shí)現(xiàn)，使得反射鏡對0.6328有較高的反射率。2021-11-16182222三、CO 激光器CO 激光器屬于分子氣體激光器，廣泛應(yīng)用于金屬切割。優(yōu)點(diǎn)：（1）有比較大的功率和較高的能量轉(zhuǎn)換效率（一般的CO激光器可以做到幾十瓦的連續(xù)輸出，最高的氣動CO 激光器可以達(dá)到幾十萬瓦的連續(xù)輸出，它的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3040%。）（2）輸出譜線很豐

8、富，在10 m附近有幾十條。（3）輸出波段正好是大氣窗口（大氣的吸收率比較低）2021-11-16192.bdca131、工作原理激光輸出的能級為電子基態(tài)的振動-轉(zhuǎn)動能級間的躍遷。振動方式：對稱振動（ ）圖（6-1-7 ）b.反對稱振動（ ）圖（6-1-7 ）c.形變振動（ ）（彎曲振動）圖（6-1-7 ）2021-11-16202J01llJ JJJJJ2132下上CO 分子的振動狀態(tài)用（ 、 ）表示。（ 用來區(qū)分形變振動的兩種振動形式）CO 分子除了振動還有轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動量子數(shù)用表示。轉(zhuǎn)動躍遷的選擇定則：=，=-1，P支躍遷，=+1R支躍遷；=0，Q支躍遷2021-11-16212021-11

9、-162221222CO41%0.291Phmev 1702.工作特性（1）量子效率激光輻射能量=激勵(lì)能量原子氣體激光器的效率較低，分子氣體激光器的效率較高。分子激光器10.6譜線：0.291ev-(0.172ev課本)=2021-11-162322222(2)NHe510Xe30%10%H:1:(1.52):(68):0.5:0.1CONHe Xe H 輔助氣體對輸出功率的影響起傳遞能量的作用提高輸出功率，適量加入，提高倍提高輸出功率與轉(zhuǎn)換效率延長激光器壽命的作用2021-11-16245226255514.510122331223333 ,34 ,34 ,343543437043434nm

10、nmSSPSPSSPSPArArPdPsPPPdPssPsPnmPPPPs-4電離2262644444444四、其他幾種氣體激光器1.氬離子激光器輸出波長488和能量轉(zhuǎn)換效率很低，10范圍基態(tài)：（）的激發(fā)態(tài)：,其中：（基態(tài)）輻射真空紫外光 可見光2021-11-16252021-11-1626654544333(4,5)33(3,4)3ArArArArPeArPeArP nse nArPeArP nde nArPpe激發(fā)過程：a、二步過程高氣壓放電過程原子與電子碰撞形成，再與電子碰撞被激發(fā)到高能級。（）（） 2（）（）（）（4 ）2021-11-16276433bArPeArP、“一步過程”低

11、氣壓放電過程（）（4P）+2e一般情況下，低氣壓放電過程中，一步激發(fā)占主導(dǎo)地位，高氣壓放電過程中，二步過程為主。為什么？低氣壓環(huán)境中，氣體分子的密度小，平均自由程較大，電子可以被加速到較大速度，能量高，所以可以“一步到位”。而高氣壓環(huán)境中，氣體分子的密度大，平均自由程較小，電子還沒有加速到較大速度就與氣體分子發(fā)生碰撞，所以能量小，需兩次碰撞才能完成激發(fā)過程。2021-11-1628氬離子激光器的結(jié)構(gòu)：2021-11-1629XeXeXeXe2、準(zhǔn)分子激光器 以惰性氣體為例，一般情況下，不能形成分子，只能以原子形式存在。在外界的激勵(lì)下，處于激發(fā)態(tài)的原子，可以與另一個(gè)原子暫時(shí)結(jié)合在一起，壽命只有幾

12、十納秒，稱為準(zhǔn)分子。2021-11-1630s-8-13這種準(zhǔn)分子的激發(fā)壽命在10 ns量級，基態(tài)壽命更短10，或者說，準(zhǔn)分子基態(tài)上基本沒有粒子，這樣在激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間很容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。所以這種激光器具有較高的量子效率，凈效率可達(dá)1015%2021-11-1631*2*2Xe+eXe +eXe +2XeXe +Xe+XeXe+XeXe0.173hm激發(fā)過程 表示激發(fā)態(tài)準(zhǔn)分子激光波長2021-11-16322*2*XeFXe+eXe +eXe +FXe F+F+XeFXe+ +F h對于稀有氣體鹵化物準(zhǔn)分子激光器，以和 為例因?yàn)闇?zhǔn)分子壽命比較短，一般做成的激光器都是在脈沖條件下工作的。6-2

13、 固體激光器2021-11-1633;.2021-11-16343+2031534387NdYAG10He-Ne1021010He-Ne1010cmcmss19固體激光器是以摻雜的離子型絕緣晶體和玻璃作為工作物質(zhì)的激光器，最成熟的激光器有：紅寶石激光器、：激光器、釹玻璃激光器。一、特點(diǎn)（1）能儲存大量能量，輸出功率高1）受激發(fā)射離子濃度高10 ）上能級壽命較長而氣體激光器上能級壽命一般很短的上能級壽命為2021-11-1635（2）尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械強(qiáng)度好，使用方便（3）能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，效率低，只有百分之幾。激光棒（工作物質(zhì)）激勵(lì)光源基本組成聚光器諧振腔2021-11-16361100.7

14、0.50.4FFFF二、工作物質(zhì)、物理特性激光器對工作物質(zhì)的物理特性有下列要求：（1）寬的吸收帶和大的吸收系數(shù)提高抽運(yùn)速率（2）高的熒光量子效率發(fā)射熒光光子數(shù)吸收光子數(shù)優(yōu)質(zhì)紅寶石，一般左右釹玻璃2021-11-1637422832.4 10He-Ne101281,Nd.1323ssnmnm3+上3+（3）亞穩(wěn)態(tài)壽命長增益高壽命越長亞穩(wěn)態(tài)積累的粒子越多，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)越多，增益越大。YAG晶體中釹離子Nd ，能級壽命 （4）摻雜濃度高提高激光輸出功率YAG中Y 半徑0.而離子半徑0晶體畸變2021-11-1638021051=(6) HHHGB h2211（ ）熒光譜線寬度小，增益高g2（）（n -

15、n）gc熱導(dǎo)率高 固體激光器工作時(shí)，會產(chǎn)生大量的熱量，溫度升高會嚴(yán)重影響器件性能，所以要求工作物質(zhì)傳熱要好。2021-11-1639223-1、光學(xué)質(zhì)量晶體在光學(xué)質(zhì)量上的缺陷會引起光的散射，吸收和退偏，這些因素都會使器件閾值升高效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能發(fā)出激光。1）吸收損耗小由雜質(zhì)引起的吸收系數(shù) 0.995。2021-11-1663443112246fFI3+Nd 離子殼層上的三個(gè)電子還會受到周圍晶格場的影響，能級產(chǎn)生斯塔克分裂。對1.06 m譜線， 分裂為兩個(gè)能級， 分裂為 個(gè)子能級，總共形成了8條熒光譜線。2021-11-16644431322443922443152231.319.946

16、.883FImFImFIm180在實(shí)際的激光譜線中發(fā)現(xiàn)了其中的7條（表6-2-1 P ）還另外發(fā)現(xiàn)了 條，那就是由012021-11-16653+3+3+Nd :YAG屬四能級系統(tǒng)，量子效率高，它的閾值比紅寶石和釹玻璃低得多，而且Nd :YAG晶體的熱導(dǎo)率很高，是釹玻璃的十幾倍，所以它很適合用做連續(xù)或高頻率的器件，可以實(shí)現(xiàn)在室溫下連續(xù)工作。在中小功率脈沖器件中，特別是高頻脈沖器件中，Nd :YAG是應(yīng)用最多、最廣泛的固體工作物質(zhì)。1964年，出現(xiàn)較晚，但發(fā)展很快，還可用于倍頻和鎖模器件。2021-11-16663+203 196115%3%3 10 cm23六、釹玻璃激光器年出現(xiàn)的，光學(xué)玻璃中摻入Nd O 重量比時(shí)，Nd 離子濃度玻璃的制備工藝比較成熟，能獲得和很好的光學(xué)均勻性，可以做成大尺寸。2021-11-16671230100優(yōu)點(diǎn)：大尺寸，長度米，