激光原理與應(yīng)用講_第五章

1、激光原理與應(yīng)用激光原理與應(yīng)用本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 1. 固固 體體 激激 光光 器器2. 氣氣 體體 激激 光光 器器3. 染染 料料 激激 光光 器器4. 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 機(jī)機(jī) 光光 器器5. 其其 他他 激激 光光 器器5.1.1 5.1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)1.固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖5-1是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。 圖5-1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖固體激光器的特點(diǎn)：固體激光器的特點(diǎn)：輸出能量大（可達(dá)數(shù)萬焦耳），峰值功率高（連續(xù)功率可達(dá)數(shù)千瓦，脈沖

2、峰值功率可達(dá)幾十太瓦），結(jié)構(gòu)緊湊牢固。 5.1.1 5.1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)2.紅寶石激光器紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長(zhǎng)成的晶體,它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3)，如圖5-2所示。圖(5-2) 紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石激光器屬于典型的三能級(jí)系統(tǒng)，如圖5-3所示。紅寶石激光器熒光譜線為R1線（694.3nm）和R2（692.9nm）線，由于R1線的輻射強(qiáng)度比R2大，在振蕩過程中總占優(yōu)勢(shì)，所以紅寶石激光器的激光輸出為694.3nm。圖(5-3) 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)5.1.1 5.1.1

3、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)3.摻釹釔鋁石榴石(Nd3：YAG) 工作物質(zhì)：將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色；它的激活粒子是釹離子(Nd3)，吸收光譜如圖(5-4)所示。圖(5-4) Nd3:YAG 晶體的吸收光譜YAG中Nd3與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5-5)所示，屬于四能級(jí)系統(tǒng)。 YAG 激光器的兩條熒光譜線中心波長(zhǎng)分別為1.35m和1.06 m ， 后者強(qiáng)度約為前者的 4倍，因此激光輸出為1.064 m 。 圖(5-5) Nd3:YAG 的能級(jí)結(jié)構(gòu)5.1.4 5.1.4 新型固體激光器新型固體激光器1

4、. 半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器 圖(5-7) 半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比主要優(yōu)點(diǎn)包括：能量轉(zhuǎn)換效率高、產(chǎn)生的無功熱量小、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等。 半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)，有如圖(5-7) 所示。 調(diào)諧波長(zhǎng)：調(diào)諧波長(zhǎng)：700-900nm700-900nm5.1.4 5.1.4 新型固體激光器新型固體激光器2. 可調(diào)諧固體激光器 實(shí)現(xiàn)激光器調(diào)諧基本要素：工作物質(zhì)能夠提供較寬的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)熒光光譜帶，在諧振腔內(nèi)插入適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧器件。 可調(diào)諧固體激光器主要有兩類，一類是色心激光器，一類是用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可

5、調(diào)諧激光器。 5.1.4 5.1.4 新型固體激光器新型固體激光器3. 高功率固體激光器 高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應(yīng)用和激光加工應(yīng)用所追求的目標(biāo)。 從二十世紀(jì)七十年代起開始研制的板條形固體激光器，就是針對(duì)克服工作物質(zhì)中的熱分布及其引起的一系列如折射率分布、應(yīng)力雙折射等固有矛盾而提出的一種結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)如圖(5-8)所示。 圖(5-8) 板條形固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖小結(jié)：小結(jié)：固體激光器的特點(diǎn)：輸出能量大，峰值功率高，結(jié)構(gòu)緊湊牢固。固體激光器的特點(diǎn)：輸出能量大，峰值功率高，結(jié)構(gòu)緊湊牢固。紅寶石激光器輸出的典型波長(zhǎng)：紅寶石激光

6、器輸出的典型波長(zhǎng)：694.3nm。YAG激光器激光器輸出的典型波長(zhǎng)：輸出的典型波長(zhǎng)：1064nm。5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器1. He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)圖(5-9) He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式 He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如圖(5-9)所示。 氣體激光器的特點(diǎn)是：氣體激光器的特點(diǎn)是：輸出光束的質(zhì)量好（包括：?jiǎn)紊?、相干性、光束方向和穩(wěn)定性）。 亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài) 電子碰撞電子碰撞 碰撞轉(zhuǎn)移碰撞轉(zhuǎn)移 亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)圖(5-10) 與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖2. He-Ne激光器的激發(fā)機(jī)理 其激光譜線主要有三條 :

7、3S2P 632.8nm2S2P 1.15m3S3P 3.39m 5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器圖(5-10 ) 是與產(chǎn)生激光有關(guān)的He原子核Ne原子的部分能級(jí)圖，Ne原子的激光上能級(jí)是3S和2S能級(jí)，激光下能級(jí)是3P和2P能級(jí)。 其他譜線還包括黃光和橙光。 He-Ne 激光管的工作原理激光管的工作原理 由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級(jí))的概率比 Ne 原子被激發(fā)的概率大。 He 的23S，21S這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)，集聚了較多的原子。由于Ne的 5S 和 4S與 He的 21S和 23S的能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)非常容易產(chǎn)

8、生能量的“共振轉(zhuǎn)移”；He 把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而 Ne則被激發(fā)到 5S 或 4S態(tài)。 正好Ne的5S，4S也是亞穩(wěn)態(tài)，下能級(jí) 4P，3P 的壽命比上能級(jí)5S，4S要短得多，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。要產(chǎn)生激光，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒要產(chǎn)生激光，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù)子數(shù) 放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3 S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無輻射躍遷”而回到基態(tài)。 這樣可及時(shí)減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于Ne原子的下能級(jí)4P與3P態(tài)的“抽空”。 Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標(biāo)明了最強(qiáng)

9、的三條:0.6328 1.15 m3.39 它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、 非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3. He-Ne激光器的輸出特性 (1) 譜線競(jìng)爭(zhēng): He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器圖(5-x) 多層介質(zhì)膜反射鏡(2) 輸出功率特性 : He-Ne激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。圖(5-11)是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線 ：圖(5-11) 輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線在最佳充氣條件下，

10、使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流 ；存在最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng) ，即存在最佳充氣條件；若放電毛細(xì)管的直徑為d， 充氣壓強(qiáng)為p， 則存在一個(gè)使輸出功率最大的最佳pd值；在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑d成反比。1. CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程 圖(5-12) 封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器圖(5-12)是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖如圖(5-13)所示。 圖(5-13) 與產(chǎn)

11、生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖2. CO2激光器的輸出特性 相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。CO2 激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。 CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高，最高接近40。其激光譜線主要有兩條 :00010200 9.6 m00011000 10.6m5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器5.2.3 Ar5.2.3 Ar+ +離子激光器離子激光器1. Ar激光器的結(jié)構(gòu) Ar激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)和回氣管等幾部分組成。如圖(5-14)所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu) 。 圖(5-14) 分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示

12、意圖5.2.3 Ar5.2.3 Ar+ +離子激光器離子激光器2. Ar激光器的激發(fā)機(jī)理 Ar激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5-15)所示 圖(5-15) 與產(chǎn)生激光有關(guān)的Ar+的能級(jí)結(jié)構(gòu)Ar激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)閾值電流： 波長(zhǎng) 閾值電流488.0nm 4.5A514.5nm 7A476.5nm 8A496.5nm 9A501.7nm 12A472.7nm 14AAr激光器中通常需要加入選頻元件來實(shí)現(xiàn)單一頻率輸出小結(jié)：小結(jié)：氣體激光器的特點(diǎn)是：輸出光束的質(zhì)量好。氣體激光器的特點(diǎn)是：輸出光束的質(zhì)量好。He-Ne激光器輸出的典型波長(zhǎng)：激光器輸出的典型波長(zhǎng)：632.

13、8nm。CO2激光器激光器輸出的典型波長(zhǎng)：輸出的典型波長(zhǎng)：9.6 m 和和10.6m。Ar+激光器激光器輸出的典型波長(zhǎng)：輸出的典型波長(zhǎng)：488nm，514.5nm。5.3.1 5.3.1 染料激光器的激發(fā)機(jī)理染料激光器的激發(fā)機(jī)理染料分子能級(jí)圖是如圖(5-17)所示的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)。 需要避免 三重態(tài)“陷阱”效應(yīng)圖(5-17) 染料分子能級(jí)圖圖(5-18) 染料的吸收-熒光光譜圖染料激光器的特點(diǎn)是：染料激光器的特點(diǎn)是：波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。 5.3.2 5.3.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦1.閃光燈脈沖泵浦 2.激光脈沖泵浦 能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，

14、主要有氮分子激光器，紅寶石激光器，釹玻璃激光器，銅蒸氣激光器，準(zhǔn)分子激光器，以及這些激光的二次、三次諧波等。 圖(5-19)是目前經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖(5-19) 三鏡腔式染料激光器5.3.3 5.3.3 染料激光器的調(diào)諧染料激光器的調(diào)諧1. 光柵調(diào)諧 圖(5-20)是一種光柵-反射鏡調(diào)諧腔，光柵G具有擴(kuò)束和色散作用。 圖(5-20) 光柵-反射鏡調(diào)諧腔圖(5-21) 棱鏡調(diào)諧腔5.3.3 5.3.3 染料激光器的調(diào)諧染料激光器的調(diào)諧2. 棱鏡調(diào)諧 圖(5-21)是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，棱鏡是一種色散元件。 5.3.3 5.3.3 染料激光器的調(diào)諧染料激光

15、器的調(diào)諧3. 雙折射濾光片調(diào)諧 利用雙折射濾光片調(diào)諧，是目前染料激光器廣泛采用的調(diào)諧方法，國(guó)內(nèi)外的Ar激光、YAG倍頻激光泵浦的染料激光器，都使用這種方法調(diào)諧。圖(522)給出的典型染料激光器就是利用雙折射濾光片進(jìn)行調(diào)諧的。 圖(5-22) 典型染料激光器原理示意圖小結(jié)：小結(jié)：染料激光器的特點(diǎn)是：波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。染料激光器的特點(diǎn)是：波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。 5.4.1 5.4.1 半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1. 純凈(本征)半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對(duì)溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個(gè)充滿電子的價(jià)帶和一個(gè)

16、完全沒有電子的導(dǎo)帶組成，如圖(5-24)。 圖(5-24) 本征半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是：半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、價(jià)格便宜。 5.4.1 5.4.1 半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系,圖(5-25)給出了溫度極低時(shí)的情況。 圖(5-25) 費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系2.熱平衡時(shí)，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，能級(jí)E被電子占據(jù)的幾率為 1( )1FnE EkTfEe5.4.2 PN5.4.2 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)未加電場(chǎng)時(shí)，電子和空穴的擴(kuò)散與漂移作用使得的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到同一水平，如圖(5-26)。 圖(5-26) PN能帶在P-N結(jié)上加以正向電壓V時(shí)，形成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)米能級(jí) 和 ，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，如圖(5-27)。 FEFE圖(5-27) 正向電壓V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)圖(5-28) GaAs激光器的結(jié)構(gòu)5.4.3 5.4.3 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和光束特點(diǎn)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和光束特點(diǎn)圖(5-28)顯示了G