激光技術(shù)與激光器

1、激光技術(shù)與激光器激光技術(shù)與激光器12激光激光lLaser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationl通過受激輻射而產(chǎn)生，放大的光，即受激輻射的光放大。l特點：單色性極好，發(fā)散度極小，亮度（功率）可以達到很高。l愛因斯坦在1916年提出受激輻射的概念。l1958年，美國科學(xué)家湯斯和肖洛發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象：當(dāng)他們將氖光 燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。l激光原理激光原理：物質(zhì)在受到與其分子固有振 蕩頻率相同的能量激發(fā)時，都會產(chǎn)生這 種不發(fā)散的強光-激光。l他們分別獲得1964年

2、和1981年的諾貝爾 物理學(xué)獎。3激光器激光器l激光器：能發(fā)射激光的裝置，利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件 1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應(yīng)用到光頻范圍1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器：利用一個高強閃光燈管，來刺激紅寶石1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。4激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光器的基本結(jié)構(gòu)由工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分構(gòu)成。工作物質(zhì)是激光器的核心,是激光器

3、產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。泵浦源為在工作物質(zhì)中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。工作物質(zhì)類型不同,采用的泵浦方式不同。光學(xué)諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋,同時,諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。5激光器分類激光器分類按照激光工作物質(zhì)按照激光工作物質(zhì)l氣體激光器氣體激光器氣體和金屬蒸氣作為工作物質(zhì)。根據(jù)氣體工作物質(zhì)為氣體原子氣體原子、氣體分子氣體分子或氣體離子氣體離子,又可將氣體激光器分為原子激光器原子激光器、分子激光器分子激光器和離子激光器離子激光器。6原子激光器原子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體原子,激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙

4、等惰性氣體和鎘、銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸氣。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器激光器。分子激光器中分子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體分子,激光躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振-轉(zhuǎn)能級之間。采用的氣體主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子氣體。分子激光器的典型代表是CO2 激光器激光器。準分子激光器準分子激光器。所謂準分子,是一種在基態(tài)離解為原子而在激發(fā)態(tài)暫時結(jié)合成分子(壽命很短)的不穩(wěn)定締合物,激光躍遷產(chǎn)生于其束縛態(tài)和自由態(tài)之間。采用的準分子氣體主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表為XeF*準分子激光器準分子激光器。離子

5、激光器離子激光器中產(chǎn)生激光作用的是已電離的氣體離子,激光躍遷發(fā)生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的離子氣體主要有惰性氣體離子、分子氣體離子和金屬蒸氣離子三類。其典型代表為Ar+ 激光器激光器。7l激勵方式激勵方式氣體激光器一般采用氣體放電激勵,還可以采用電子束激勵、熱激勵、化學(xué)反應(yīng)激勵等方式。l波長范圍：波長范圍：氣體激光器波長覆蓋范圍主要位于真空紫外遠紅外波段l特點：特點：激光譜線上萬條,具有輸出光束質(zhì)量高(方向性及單色性好)、連續(xù)輸出功率大(如CO2 激光器)等輸出特性,其器件結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉。l應(yīng)用應(yīng)用 氣體激光器廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如計量、材料加工、激光醫(yī)療

6、、激光通信、能源等方面。 1961年,第一臺氣體激光器He-Ne激光器問世。8固體激光器固體激光器l固體激光器以固體激光介質(zhì)作為工作物質(zhì)。l固體工作物質(zhì)通常是在基質(zhì)材料,如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子(稱為激活離子),激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級之間。l用作激活離子的元素可分為四類:三價稀土金屬離子三價稀土金屬離子、二價稀土金屬離子二價稀土金屬離子、過渡金屬離子過渡金屬離子和錒系金屬離錒系金屬離子子。l固體激光器的典型代表是紅寶石(Cr3+:Al2O3 )激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光器、釹玻璃激光器和摻鈦藍寶石(Ti 3+:Al2 O3 )激光器。9固體激光器多采用

7、光泵浦,泵浦光源主要有閃光燈和半導(dǎo)體激光二極管兩類。固體激光器的波長覆蓋范圍主要位于可見光近紅外波段,激光譜線數(shù)千條,具有輸出能量大(多級釹玻璃脈沖激光器,單脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦)、運轉(zhuǎn)方式多樣等特點。器件結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、易于與光纖耦合進行光纖傳輸。固體激光器主要應(yīng)用于工業(yè)、國防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光測距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學(xué)、激光核聚變等方面。10液體激光器液體激光器l液體激光器的工作物質(zhì)分為二類:有機化合物液體有機化合物液體(染料), 無機化合物無機化合物液體液體。其中,染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的有機染料有四類:吐噸類染料、香豆素類激光染料、惡嗪激光染料和

8、花青類染料吐噸類染料、香豆素類激光染料、惡嗪激光染料和花青類染料。l染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和閃光燈泵浦l染料激光器的波長覆蓋范圍為紫外到近紅外波段(300nm1.3m),通過混頻等技術(shù)還可將波長范圍擴展至真空紫外到中紅外波段。激光波長連續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。器件特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的不足。l染料激光器主要應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、光生物學(xué)等方面。l1966年,世界上第一臺染料激光器由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器問世。11半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器l半導(dǎo)體激光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管

9、, 簡稱激光二極管(Laser Diode,縮寫LD)。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導(dǎo)體材料中電子運動規(guī)律的特殊性,使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。l半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料主要有三類A A 族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等 B A族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體,如硫化鎘(CdS)等AA族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體,如碲錫鉛(PbSnTe)等l根據(jù)生成pn結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙)、量子阱等多種類型。l半導(dǎo)體激光器采用注入電流方式泵浦。12l 半導(dǎo)體激光器波長覆蓋范圍一般在近紅外

10、波段(920nm1.65m),其中1.3m與1.55m為光纖傳輸?shù)膬蓚€窗口。l半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進行高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長(一般可達數(shù)十萬乃至百萬小時以上)等突出特點。l半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光纖通信、光存儲、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域,如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動化、激光準直及激光醫(yī)療等方面。l1962年,世界上第一臺半導(dǎo)體激光器GaAs激光器問世。13化學(xué)激光器化學(xué)激光器l化學(xué)激光器是通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光輻射的。工作物質(zhì)可以是氣體或液體,但目前主要是氣體,如氟化氫(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。l化

11、學(xué)激光器采用化學(xué)能激勵。為促成工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng),一般需采用一些引發(fā)措施,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。l化學(xué)激光器的波長覆蓋范圍為紫外到紅外波段,直至微米波段,功率高、能量輸出高,無需外界提供泵浦源,可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點,特別適合于野外等無電源處工作。l化學(xué)激光器主要應(yīng)用于國防、科學(xué)研究等領(lǐng)域,如激光武器、同位素分離等。l1964年,第一臺光解離碘原子化學(xué)激光器問世。14自由電子激光器自由電子激光器l自由電子激光器是一種新型激光器。l自由電子激光器的工作物質(zhì)是相對論電子束。所謂相對論電子束是指通過電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對論電子束的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠?/p>

12、。l自由電子激光器的泵浦源為空間周期磁場或電磁場。l具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長連續(xù)可調(diào)諧是自由電子激光器兩個最顯著的特點。l自由電子激光器在未來的生物、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景 15X X射線激光器射線激光器X射線激光器輸出激光波長位于X射線波段(110nm)。 X射線激光器工作物質(zhì)為高度電離的等離子體,采用光泵浦,但需要特殊的X射線泵浦源。16光纖激光器光纖激光器l工作物質(zhì)工作物質(zhì):以摻入某些激活離子的光纖,或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。l分類：分類： 晶體光纖激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非晶體光纖激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖

13、激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。l泵浦方式泵浦方式主要采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦。l特點：特點： 光纖激光器是一種新型的激光器件,具有總增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的波長調(diào)諧范圍及器件結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點,在遠距離光纖通信等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。l1963年,第一臺光纖激光器Nd2O3 光纖激光器問世 17按照激光器工作方式劃分按照激光器工作方式劃分激光器可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式 連續(xù)激光器脈沖激光器按照激光技術(shù)的應(yīng)用分為調(diào)Q激光器鎖模激光器穩(wěn)頻激光器可調(diào)諧激光器等按照諧振腔腔型的不同分為非穩(wěn)腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型氣體激光器氣體激光器1

14、819氣體激光器氣體激光器氣體放電激勵基礎(chǔ)氣體放電激勵基礎(chǔ)所謂氣體放電,是指在高電壓作用下,氣體分子(或原子)發(fā)生電離而導(dǎo)電。常用氣體激光器的氣體放電屬于弱電離氣體放電,其氣體電離度一般不超過0.1%。分類分類 直流連續(xù)放電直流連續(xù)放電指在氣體激光器放電管兩電極間加上可調(diào)的直流電壓。調(diào)節(jié)放電管兩端的電壓或電阻，測出相應(yīng)的放電電流，即可得到放電管直流連續(xù)放電的伏安特性曲線。20 點所對應(yīng)的管壓降稱為著火電壓著火電壓，也稱起輝電壓起輝電壓，或擊穿電壓擊穿電壓。AD段為非自持放電階段。放電電流雖然隨端電壓升高而增加,但其值很小。此時若去掉外界電離源,放電電流則很快減小直至放電終止。此階段的放電電流范

15、圍一般在10 -20-10 -11 A之間。 21 D點以后,則為自持放電階段,原因陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射DE段叫作自持暗放電,放電不穩(wěn)定平坦的EF段。該區(qū)域的特點是電流增加,但管壓降幾乎保持不變,放電管內(nèi)出現(xiàn)明暗相間的輝光,稱之為正常輝光放電正常輝光放電。輝光放電階段,由于二次發(fā)射的電子隨電場的增加而迅速增加,故當(dāng)放電管端電壓略有增加時,放電電流就增大很多。輝光放電的電流范圍一般在10-410-1 A之間FG段則為反常輝光放電階段。此階段管壓降隨著電流增加而增加。反常輝光放電階段,陰極濺射很強烈,放電管一般應(yīng)避免在此狀態(tài)下工作。22G點所對應(yīng)的電壓叫做弧光著火電壓弧光著火電壓。過G點后,放電管

16、管壓降再次迅速下降,放電電流快速增大,放電管中發(fā)出耀眼的弧光,稱之為弧光放電?；」夥烹姷腉H段呈現(xiàn)出負阻特性,放電不穩(wěn)定。HK段為穩(wěn)定弧光放電階段,放電電流一般大于10-1A。輝光放電輝光放電 高電壓、小電流高電壓、小電流(幾毫安至幾十毫安幾毫安至幾十毫安)放電放電,是一種穩(wěn)定的是一種穩(wěn)定的自持放電。自持放電。 He-Ne激光器與激光器與CO2 激光器都是工作在輝光放電區(qū)域。激光器都是工作在輝光放電區(qū)域。 23弧光放電弧光放電 低電壓大電流(幾十安至幾千安)的自持放電?；」夥烹姷闹痣妷阂话惚容x光放電的著火電壓高,但對陰極表面積和電子逸出功都很小的放電管而言,其弧光著火電壓也可低于輝光著火電壓

17、?；」夥烹娀」夥烹姺诸?熱陰極弧光放電熱陰極弧光放電、 冷陰極弧光放電冷陰極弧光放電 人工陰極弧光放電人工陰極弧光放電Ar+ 激光器工作于弧光放電區(qū)域。24高頻放電高頻放電l高頻放電也叫做射頻氣體放電射頻氣體放電。所謂射頻射頻,通常指頻率在幾兆到幾百兆通常指頻率在幾兆到幾百兆范圍內(nèi)的電磁波。范圍內(nèi)的電磁波。l當(dāng)兩電極間施加高頻交變電場后,由于帶電粒子在兩電極之間的渡越時間遠大于電場的變化周期,使得電子不能再做長距離的運動,而只能在某個固定位置附近振蕩,并在振蕩過程中與氣體粒子碰撞,產(chǎn)生電離和激發(fā),以維持放電。射頻放電時,由于電子不斷來回運動使電子飛越的路程增大,從而使電子與氣體粒子碰撞的次數(shù)增

18、加,電離能力極大提高,也使得作為電子來源的陰極的重要性大為減弱。因此,射頻放電可以用內(nèi)電極,也可以用外電極,甚至可以不用電極。l20世紀70年代,射頻氣體放電技術(shù)成功地應(yīng)用于大功率輸出CO2 激光器,并已展示出其廣闊的應(yīng)用前景。25脈沖放電脈沖放電l放電管兩電極間施加脈沖電壓時,即產(chǎn)生脈沖放電。按放電電流密度的大小,放電管內(nèi)可產(chǎn)生脈沖輝光放電和脈沖弧光放電。l按所加電壓的交變狀態(tài),可分為直流脈沖放電和交流脈沖放電。按脈沖持續(xù)時間,又可分為短脈沖放電和長脈沖放電。l準分子激光器采用脈沖放電方式。l大功率高氣壓氣體激光器多采用短脈沖放電方式。l氣體放電除上述三種放電方式外,還有火花放電火花放電和電

19、暈放電電暈放電等方式。26氣體放電中的粒子碰撞與激發(fā)、電離過程氣體放電中的粒子碰撞與激發(fā)、電離過程l在氣體放電中,帶電粒子(電子和離子)與中性氣體粒子(原子或分子)之間的碰撞決定著放電進行的情況。其中,有兩種基本的碰撞過程影響著器件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立和維持。第一種過程是電離第一種過程是電離,它對于維持放電是不可或缺的它對于維持放電是不可或缺的;第二種過程是激光上、下能級粒第二種過程是激光上、下能級粒子的激發(fā)與消激發(fā)。子的激發(fā)與消激發(fā)。l粒子的碰撞一般可分為兩類:彈性碰撞彈性碰撞和非彈性碰撞。非彈性碰撞。l在氣體激光器工作物質(zhì)的激發(fā)與電離過程中,粒子的碰撞都屬于非非彈性碰撞彈性碰撞。l非彈性碰

20、撞又可分為第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞和第二類非彈性碰撞。第二類非彈性碰撞。27第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞l第一類非彈性碰撞指一個粒子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能的碰撞第一類非彈性碰撞指一個粒子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能的碰撞。其最常見的形式之一就是快速電子與氣體粒子發(fā)生碰撞激發(fā)和電離l在碰撞過程中,快速電子失去能量,速度變慢,氣體粒子得到能量被激發(fā)到高能態(tài)或被電離。電子的能量大于或等于氣體粒子的激發(fā)態(tài)能量時,碰撞激發(fā)過程則有可電子能量等于或大于氣體粒子的電離能時,碰撞電離過程便可以發(fā)生其電離過程可表示為l電子和氣體粒子的碰撞,還可以使粒子從一個激發(fā)態(tài)躍遷到另一個更高的激發(fā)態(tài),或者使激發(fā)態(tài)

21、粒子發(fā)生電離,分別叫做逐級激發(fā)和逐級電離逐級激發(fā)和逐級電離。()A*()Aee快慢+()A()Aee快慢28第二類非彈性碰撞第二類非彈性碰撞l 第二類非彈性碰撞指一個粒子的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能或動能的碰第二類非彈性碰撞指一個粒子的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能或動能的碰撞。撞。其形式主要有共振轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)共振轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)等。共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移是指激發(fā)態(tài)的粒子A * (通常指亞穩(wěn)態(tài))與基態(tài)粒子B碰撞,使B激發(fā)到高能態(tài)B* ,而A* 返回基態(tài)。其過程可表示為 A* +BA+B* +E 其中,E為A* 和B* 兩者激發(fā)態(tài)之差。E越小,共振轉(zhuǎn)移截面越大。當(dāng)E 趨于零時,共振轉(zhuǎn)移截面大于

22、10-14cm2 ,轉(zhuǎn)移最易發(fā)生。 共振轉(zhuǎn)移是選擇性激發(fā)過程中最重要的形式之一。29電荷轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)移是指離子與中性氣體粒子碰撞引起的激發(fā)與電離過程。其激發(fā)過程 A+ +BA+B+ E 其中,A為A+ 從中性粒子B處獲得一個電子而成為中性粒子;B 為中性粒子失去一個電子而成為正離子B +;E為A 和B 兩者電離能之差。 電荷轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)的電離激發(fā),可表示為 A+ +BA+B* +E其中,B*為離子激發(fā)態(tài);E為離子激發(fā)態(tài)B*與粒子A+的電離能之間的位能差。 正離子與中性氣體粒子之間的電荷轉(zhuǎn)移過程。負離子與中性氣體粒子碰撞亦可失去電子而成為速度較快的中性粒子,同時使原中性氣體粒子成為速度較慢的負離

23、子。30 潘寧電離潘寧電離 指處于激發(fā)態(tài)的氣體粒子A* 與處于基態(tài)的粒子B碰撞,A*失去能量返回基態(tài),而B被電離,或電離后又被激發(fā)。其過程可表示為 A*+BA+B*+ +e A* +BA+B+ +e由上述反應(yīng)過程可見,只要A 的激發(fā)能大于基態(tài)粒子B的電離能,潘寧電離便可以進行,電離中產(chǎn)生的多余能量可轉(zhuǎn)化為電子的動能電離中產(chǎn)生的多余能量可轉(zhuǎn)化為電子的動能。氣體放電過程中,除上述介紹的由于粒子碰撞所產(chǎn)生的激發(fā)和電離過程外,還存在著復(fù)合、吸附與轉(zhuǎn)荷等過程.31He-Ne激光器激光器l工作介質(zhì)：工作介質(zhì)：He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器,Ne為工作物質(zhì),He為輔助氣體。l特點：特點： l H

24、e-Ne激光器輸出連續(xù)光,主要工作波段在可見光到近紅外區(qū)域,其中,最常用的工作波長為632.8nm(紅光),其次是1.15m和3.39m以及1.52m、543.5nm等。lHe-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很高,表現(xiàn)為單色性好(20Hz)和方向性好(QCO2(0001)+e2 2）級聯(lián)躍遷）級聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激發(fā)態(tài)000n能級，其與基態(tài)CO2碰撞將其激發(fā)到激光上能級CO2(0000)+ CO2(000n) -CO2(0001)+ CO2(000n-1) 513 3）共振轉(zhuǎn)移）共振轉(zhuǎn)移基態(tài)N2和電子碰撞躍遷到基態(tài)V=1的振動能級，該能級壽命長，屬于亞穩(wěn)態(tài)，其與基態(tài)C02發(fā)生非彈

25、性碰撞并躍遷激光上能級CO2分子0001能級與N2的v=1的能級接近， N2的v=24能級與CO2的0002-0004也接近易發(fā)生共振轉(zhuǎn)移， 0002-0004的CO2與基態(tài)CO2分子碰撞，也可激勵到0001以上三種激發(fā)途徑，共振轉(zhuǎn)移幾率最大，作用最顯著012222CO (00 0)(1)CO (00 0)(0)N vN ve(快)+N2(v=0)-e(慢)+N2(v=1)52COCO2 2 分子的振分子的振- -轉(zhuǎn)躍遷轉(zhuǎn)躍遷CO2 分子的紅外光譜并不是一條單一的振動譜線,而是一條有一定寬度的譜帶。這是由于CO2 分子除振動運動外,同時存在轉(zhuǎn)動運動。在其影響下,CO2分子的振動能級將分裂為一系

26、列轉(zhuǎn)動子能級。轉(zhuǎn)動子能級。根據(jù)分子光譜理論,分子振動能級之間的躍遷必然伴隨著轉(zhuǎn)動子能級之間的躍遷,產(chǎn)生帶狀光譜。振振-轉(zhuǎn)躍遷的選擇定則為轉(zhuǎn)躍遷的選擇定則為:對于振動能級:v=0,1對于轉(zhuǎn)動子能級:J=0,1對轉(zhuǎn)動子能級間的躍遷,選擇定則規(guī)定:J=+1,稱為R支,記為R(J)J=-1,稱為P支,記為P(J)J=0,稱為Q支。因為CO2分子的對稱性質(zhì),譜帶中心沒有該支譜線,即不存在Q支躍遷。53由圖可以看出,在CO2 分子0001與1000振動能級上,不是對應(yīng)地存在著全部的轉(zhuǎn)動子能級。在000 1振動能級上,只存在J為奇數(shù)的轉(zhuǎn)動子能級,而在100 0振動能級上,則只存在J為偶數(shù)的轉(zhuǎn)動子能級。這種情

27、況稱之為轉(zhuǎn)動子能級的轉(zhuǎn)動子能級的缺位缺位,它來源于分子態(tài)波函數(shù)對稱性的要求。它來源于分子態(tài)波函數(shù)對稱性的要求。對于000 1100 0的振-轉(zhuǎn)躍遷,已觀察到的P支譜線支譜線27條條,R支譜線支譜線26條條,光譜帶范圍1011m。其中最強的P支譜線有4條,即P(18)、P(20)、P(22)和P(24),對應(yīng)波長分別為10.57m、10.59m、10.61m和10.63m。最強的R支譜線也有4條,即R(18)、R(20)、R(22)和R(24),對應(yīng)波長分別為10.26m、10.25m、10.23m和10.22m。對于對于000 1020 0的振的振-轉(zhuǎn)躍遷轉(zhuǎn)躍遷,觀察到觀察到P支譜線支譜線29

28、條條,R支譜線支譜線25條條,光譜帶范圍910m。其中最強的P支譜線為P(18)、P(20)、P(22)、P(24)與P(26),對應(yīng)波長分別為9.54m、9.55m、9.57m、9.59m和9.60m。最強的R線為R(18)、R(20)、R(22)與R(24),對應(yīng)波長分別為9.28m、9.27m、9.26m和9.25m。54CO2 分子00 0 1020 0的振-轉(zhuǎn)躍遷中能形成一百多條熒光譜線,但在CO2 激光器中卻只有13條譜線能同時形成激光振蕩。這源于CO2 分子轉(zhuǎn)動子能級之間的競爭效應(yīng)。處于同一振動能級的各轉(zhuǎn)動子能級之間靠得很近,粒子在各子能級間轉(zhuǎn)移很快。一旦處于某一轉(zhuǎn)動子能級上的粒

29、子躍遷后,服從玻爾茲曼分布規(guī)律的其他能級上的粒子會立即轉(zhuǎn)移到該能級,而使其他能級上的粒子減少。在CO2激光器中,當(dāng)某條譜線獲得較大增益而優(yōu)先起振時,亦同時抑制了其他譜線的振蕩。例如,9.6m譜線與10.6m譜線共用一個激光上能級,而粒子從000 1100 0能級的躍遷幾率要大得多,故CO2 激光器中若無波長選擇裝置,則9.6m譜線將在與10.6m譜線的競爭中失敗而無法起振。正是由于轉(zhuǎn)動子能級間激烈的競爭效應(yīng),當(dāng)CO2 激光器諧振腔長度發(fā)生變化時,振蕩譜線的頻率易跳動到其他頻率上。CO2激光器的諧振腔大多采用平凹腔，由于其增益高，也可采用非穩(wěn)腔以增加其模體積。高反射鏡可用金屬制成，也可在玻璃表面

30、鍍以金膜。輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過紅外光的Ge、GaAs等材料制成輸出窗.55 D D氣體成分氣體成分l 實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)CO2 激光器中充有適量的N2 、CO、Xe、Ne、H2 、H2O等氣體時,輸出功率顯著提高。而當(dāng)充有Ar、N2 O等氣體時,輸出功率則顯著下降。為提高輸出功率,CO2 激光器都充有不同組分的輔助氣體,主要分為含N2 組分與含CO組分兩種。含N2 組分為CO2 +N2 +He+Xe+H2 ,含CO組分為CO2 +CO+He+Xe, 含N2 組分的輸出功率要高于含CO組分。 上述各種氣體成分在CO2激光器中的主要作用:l氮氮:N:N2 2 是CO2 激光器中最主要的輔助

31、氣體,其作用主要是提高CO2 分子0001能級的激發(fā)速率,同時加快011 0能級的弛豫速率。加入適量的N2 后,能明顯提高輸出功率。但其含量不能太高,因總氣壓一定時,N2含量高,則CO2含量就相應(yīng)降低,且放電時CO2 離解出的O會與N2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成N2 O和 NO,它們對CO2 分子的000 1能級有消激發(fā)作用。 56 一氧化碳一氧化碳:CO作用與N2 類似,不僅能增大CO2 分子000 1能級的激發(fā)速率,還能加快01 10能級的弛豫速率。但其含量過高時會造成對000 1能級的消激發(fā)。 氦氦:在CO2 +N2 混合氣體中,加入適量的He(He的含量可以是CO2 的45倍)可以大幅度提高

32、輸出功率。其原因是:He原子質(zhì)量輕,導(dǎo)熱率高(其導(dǎo)熱率比CO2和N2高約一個數(shù)量級),可有效降低工作氣體溫度,提高輸出功率。另外He對CO2分子激光下能級100 0、020 0和011 0的弛豫作用遠大于其對激光上能級000 1能級的弛豫作用,有利于實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在高氣壓CO2激光器中,He的主要作用是改善氣體放電的均勻性。 氙氙:在CO2 +N2 +He混合氣體中,加入少量的Xe,可使輸出功率進一步提高約30%40%,能量轉(zhuǎn)換效率提高10%15%。原因是:Xe的電離電位低,加入后可增加放電氣體中的電離度,使E/N值降低(充有Xe的放電管管壓降可以下降20%),從而提高激光器的效率?；旌蠚怏w

33、中Xe的含量有一最佳值,一般其分壓強在107160Pa之間。Xe的含量不可過高,過高雖使電子密度增加,但電子碰撞機會也隨之增加,導(dǎo)致電子溫度下降。57水蒸氣和氫水蒸氣和氫: 在CO2 +N2 +He混合氣體中再加入少量的水蒸氣或H2 ,能提高器件的輸出能提高器件的輸出功率和使用壽命功率和使用壽命。原因是H2O 分子對CO2 分子激光下能級100 0以及011 0能級的弛豫速率很大,且H2O分子振動能級壽命很短,可以很快返回基態(tài)。H2 的作用與H2O 相同,因CO2 分子在放電時會離解出O,H2 與O合成H2O 。因H2 在常態(tài)下是氣體,其充入量比水蒸氣更易于控制,故常用H2 代替水蒸氣?；旌蠚?/p>

34、體中,H2O和H2的含量一般在13.340Pa之間,不能過高,因為它們除對激光下能級10 0 0和011 0有很強的抽空作用外,對激光上能級00 0 1能級也有顯著的消激發(fā)作用。由于由于H2O和和H2能對能對CO與與O的復(fù)合起催化作的復(fù)合起催化作用用,故能延長故能延長CO2 激光器的使用壽命。激光器的使用壽命。58COCO2 2激光器可分為以下七類激光器可分為以下七類: :縱向慢流縱向慢流COCO2 2激光器激光器 氣體從放電管一端流人，由另一端抽走，氣流、電流均和光軸方向一致。氣體流動的目的是排除CO2與電子碰撞時分解出來的CO氣，并補充新鮮氣體 。 在這類激光器中，放電電流密度和氣體壓強均

35、有一位輸出功率最大的最佳值。電流度增加時激光上能級激發(fā)速率增加，但由此造成的氣體溫度的升高又會增加下能級集居數(shù)，因而存在一最佳電流值。同樣，氣體壓強增高時一方面由于氣體分子密度增加使反轉(zhuǎn)集居數(shù)隨之增加，另一方面，氣體分子間更加頻繁的碰撞又阻礙了熱量向管壁的擴散，從而導(dǎo)致氣體溫度升高。實驗表明，電流密度與壓強的最佳值大致與放電管徑成反比。在最佳放電條件下，激光器的輸出功率約為(50一60)wm。59封離型封離型COCO2 2 激光器激光器所謂封離型是指工作氣體與He-Ne激光器一樣被封離在放電管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的器件單位放電長度可輸出的功率比流動型或氣動型器件要低得多,一般輸出功率都低于200W。冷

36、卻回氣放電諧振腔60縱向快流縱向快流COCO2 2激光器激光器在縱向慢流激光器中放電產(chǎn)生的熱量主要靠氣體的擴散運動傳給管壁，再由沿管壁外表而流動的冷卻液帶走。由于這種散熱方式效率較低，電流密度和壓強不能太大，因此限制了輸出功率。如果提高氣體流動速度(約50ms)，使放電管內(nèi)的熱氣流流出管外，在管外冷卻后再返回放電管，則不再存在放電電流密度的最佳值，輸出功率隨放電電流密度線性增加。單位長度輸出功率可達1kWm以上。目前，(13)kw的縱向快流CO2激光器已廣泛用于激光加工。與大功率的橫向流動激光器相比，縱向快流CO2 激光器中放電電流密度分布的圓對稱性較好，因此具有更好的光束質(zhì)量。61橫向流動橫

37、向流動COCO2 2激光器激光器縱向快流CO2激光器需要很高的氣體流速才能及時將熱氣體導(dǎo)出。若使氣體流動方向與光軸垂直，由于氣體通道截面大，氣體流動路徑短，因此較低的流速就能達到縱向快流同樣的冷卻效果。和縱向快流CO2激光器一樣，在橫向流動CO2激光器中，輸出功率的電流飽和效應(yīng)不明顯。最佳氣體壓強高達1.3X104Pa。高壓強運轉(zhuǎn)有利于提高輸出功率，但頻繁的碰撞使電子溫度降低，必須在強電場中才能維持足夠高的電子溫度。因此，在橫向流動CO2激光器中，縱向放電不切實際，通常采用電場與光軸垂直的橫向放電方式。采用橫向放電方式的激光器稱作TE激光器激光器。此類激光器中單位長度輸出功率可達每米數(shù)千瓦，總

38、輸出功率已高達(120)kw。62橫向激勵大氣壓橫向激勵大氣壓COCO2 2激光器激光器 高氣壓橫向激勵激光器中，壓強過高會導(dǎo)致放電不穩(wěn)定。為此，常常采用脈沖放電激勵方式。由于快速脈沖放電時放電不穩(wěn)定過程來不及充分發(fā)展，因此氣體壓強可增高至大氣壓或高于大氣壓。由于壓強高，橫向激勵大氣壓激光器(簡稱TEA激光器)單位體積輸出能量可高達(1050)J/L，總能量和峰值功率可分別高達10KJ和20TW。 在數(shù)個大氣壓的高氣壓情況下，由于壓力加寬效應(yīng)引起轉(zhuǎn)動能級的重疊，出現(xiàn)準連續(xù)寬帶增益譜，可導(dǎo)致波長在(9.210.7)um范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)激光輸出。63氣動氣動COCO2 2激光器激光器 氣動氣動CO

39、2激光器采用熱泵浦方式激光器采用熱泵浦方式。含有CO2的混合氣體在容器內(nèi)燃燒以形成高溫高壓狀態(tài)，由于溫度很高，CO2的激光上、下能級均具有較高的集居數(shù)密度?；旌蠚怏w通過噴管絕熱膨脹時氣體溫度急劇下降，但由于上能級的壽命較下能級長，集居數(shù)密度減少的速度較下能級慢，于是在膨脹區(qū)的相當(dāng)大的范圍內(nèi)可形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。氣動CO2激光器的輸出功率可達80kw。64波導(dǎo)波導(dǎo)COCO2 2激光器激光器所謂波導(dǎo)，在微波技術(shù)中是指用來引導(dǎo)電磁波的器件。波導(dǎo)激光器由于采用孔徑很小、內(nèi)表面反射率很高的空心導(dǎo)管對激光光束進行傳輸形成空心波導(dǎo)效果而得名。波導(dǎo)激光器由于自身結(jié)構(gòu)的這一特點，使其激光振蕩模式與普通激光器不同

40、。普通激光器的光學(xué)諧振腔理論以電磁波在自由空間的傳播為基礎(chǔ)，而在波導(dǎo)激光器諧振腔中，電磁波在其傳播途中的某一部分或全部上被波導(dǎo)所引導(dǎo)而不服從自由空間的傳播規(guī)律。波導(dǎo)激光器本征模的特征已不主要取決于模尺寸、腔鏡的曲率半徑及其間距這些描述普通激光器本征模的特征參量。固體激光器固體激光器6566固體激光器在激光器家族中具有最長的歷史。在其發(fā)展進程中,我國的科學(xué)工作者曾做出過重要的貢獻。我國研制的第一臺激光器叫做“小球照明紅寶石激光小球照明紅寶石激光器”,1961年8月誕生于中國科學(xué)院長春光機所。激光器的設(shè)計師是王之江教授。王之江教授。王之江教授王之江教授因此被中國光學(xué)界尊稱為“中國激光之父中國激光之

41、父”。“小球照明紅寶石激光器”在結(jié)構(gòu)上比梅曼那臺激光器又前進了一大步,主要表現(xiàn)在泵浦氙燈采用直管式泵浦氙燈采用直管式,而非螺旋形而非螺旋形;紅寶石棒與氙燈并排放在紅寶石棒與氙燈并排放在球形聚光器的球心附近。球形聚光器的球心附近。這種結(jié)構(gòu)可以獲得更高的泵浦效率得更高的泵浦效率。直至今天,閃光燈泵浦的固體激光器還大都采用這種方式。固體激光器固體激光器67固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì) 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)由固體基質(zhì)材料和少量摻雜離子(金屬離子)兩部分構(gòu)成。其中固體工作物質(zhì)的物理性能由基質(zhì)材料體現(xiàn),而其光譜特性則由摻雜離子決定。 基質(zhì)材料有晶體和玻璃兩大類。晶體又分為氧化物晶體氧化物晶體和氟化物晶體氟

42、化物晶體。氧化物晶體有單一氧化物和混合氧化物。單一氧化物晶體如Al2 O3 ,混合氧化物晶體如石榴石型晶體YAG、YAP。氟化物晶體也有單一氟化物,如CaF2晶體和混合氟化物,如LiYF4 晶體。玻璃則有硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻玻璃則有硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。璃等。 摻雜離子有四類摻雜離子有四類: :三價稀土金屬離子:如釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、釤(Sm3+)、銪(Eu3+)、 鏑(Dy3+) 、鈥(Ho3+)、鉺(Er3+)、鐿(Yb3+)等。二價稀土金屬離子,如釤(Sm2+)、鉺(Er2+ )、銩(Tm2+ )、鏑(Dy2+)等。過渡金屬離子,如鈦(Ti3+)、

43、鉻(Cr)、鎳(Ni3+ ) 、鈷(Co3+)等。錒系金屬離子,多具有放射性,不易制備,其中,只有鈾(U3+)曾有所應(yīng)用。68固體工作物質(zhì)十分豐富固體工作物質(zhì)十分豐富,達數(shù)百種達數(shù)百種,從中已獲得激光譜線數(shù)千條。從中已獲得激光譜線數(shù)千條。 在一般固體工作物質(zhì)中,參與受激輻射作用的離子濃度約為1025 1026 m -3 ,比氣體工作物質(zhì)高34個數(shù)量級以上,且固體工作物質(zhì)激光上能級的壽命也比較長,因此固體激光器比較容易獲得大能量輸出,適合于調(diào)Q。 固體工作物質(zhì)通常加工成圓棒狀(也有盤片狀的),棒側(cè)面磨毛。對棒兩端面的加工要求很高:兩端面為垂直于棒軸向的平行平面兩端面為垂直于棒軸向的平行平面,平行

44、誤差在平行誤差在510之間之間;端面與棒軸向的垂直度端面與棒軸向的垂直度1;端面的平整度小于半個光圈。為避端面的平整度小于半個光圈。為避免端面反射和內(nèi)部寄生振蕩免端面反射和內(nèi)部寄生振蕩,端面鍍有增透膜。端面鍍有增透膜。固體工作物質(zhì)的譜線加寬固體工作物質(zhì)的譜線加寬有均勻加寬和非均勻加寬,其中,均勻加寬由晶格熱振動引起,而非均勻加寬則由晶格缺陷引起。因機構(gòu)復(fù)雜,很難從理論上求得固體工作物質(zhì)譜線加寬線型函數(shù)的具體表達形式,一般是通過實驗求出它的譜線寬度。69l 紅寶石晶體在低溫時,譜線加寬主要是由晶格缺陷引起的非均勻加寬,室溫時,以晶格熱振動引起的均勻加寬為主。 lNd3+ :YAG:因晶體質(zhì)量比紅

45、寶石好,故由晶格缺陷引起的非均勻加寬可忽略,在整個溫度范圍內(nèi)都以均勻加寬為主。l釹玻璃的非均勻加寬由配位場的不均勻性引起,均勻加寬則由玻璃網(wǎng)絡(luò)體的熱振動引起。二者所占比例因材料而異。在室溫下,1.06m譜線非均勻加寬為1203600GHz,均勻加寬為60225GHz。雖然非均勻加寬大于均勻加寬,但由于交叉弛豫過程,釹玻璃的增益飽和特性與均勻加寬工作物質(zhì)相似。70紅寶石晶體是各向異性晶體紅寶石晶體是各向異性晶體。當(dāng)入射光波長為700nm時,n0 =1.763,ne =1.755紅寶石晶體有三種生長方向:生長軸平行于光軸,為0紅寶石晶體,無偏振特性;生長軸垂直于光軸,為90紅寶石晶體,產(chǎn)生線偏振光

46、;生長軸與光軸成60,為60紅寶石晶體,產(chǎn)生線偏振光。實際使用中,多用60紅寶石晶體?；瘜W(xué)表達式:Cr3+ :Al2 O3 紅寶石晶體紅寶石晶體晶體的物理性質(zhì)晶體的物理性質(zhì) 紅寶石晶體是在Al2 O3 (剛玉)中摻入少量的Cr2O3 ,由Cr 3+部分取代Al 3+而成,其激活離子為Cr3+。摻入Cr2O3的重量比為0.03%0.07%,一般一般為為0.05%。晶體顏色為淡紅色。71晶體的激光性質(zhì)晶體的激光性質(zhì)晶體的激光性質(zhì)主要指其能級結(jié)構(gòu)、吸收光譜和熒光光譜。 能級結(jié)構(gòu)能級結(jié)構(gòu): : 晶體的激光性質(zhì)主要取決于Cr3+。Cr的外層電子組態(tài)為3d5 4s1 ,摻入Al2 O3 后失去3個電子,剩

47、下3d殼層上3個外層電子(3d3 )。紅寶石晶體的光譜特性即是由這3個電子躍遷形成的,晶體與激光躍遷有關(guān)的部分能級結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中, 2 E能級為激光上能級,也是亞穩(wěn)能級(Cr3+在該能級的壽命約為3ms)。由于晶格場的作用,該能級分裂為2A和E2個子能級(能級差29 cm-1 )。粒子由這兩個能級向基態(tài)躍遷時產(chǎn)生692.9nm和694.3nm兩條譜線。4A2 能級為激光下能級,也是基態(tài)能級, F1 與 4 F2 為兩個吸收能級。粒子在其上的壽命約為納秒量級,故很快通過輻射躍遷弛豫到激光上能級。Cr 3+的能級結(jié)構(gòu)屬三能級系統(tǒng),因而其器件閾值比較高,只能以脈沖方式運轉(zhuǎn)。72吸收光譜吸收光譜:

48、 :由于紅寶石是各向異性晶體,故其吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)入射光的振動方向平行或垂直于晶體光軸C時,晶體的吸收曲線略有不同,如圖所示。紅寶石晶體在可見光區(qū)有兩個強吸收帶。一個稱為紫帶個稱為紫帶( (或或U U帶帶),),中心波中心波長位于長位于410nm410nm附近附近,帶寬為360450nm,對應(yīng)于 4A2向 4F1能級的躍遷吸收。另一個稱為綠帶另一個稱為綠帶( (或或Y Y帶帶),),中心波長位于550nm附近,帶寬為510600nm,對應(yīng)于 4A2向4 F2能級的躍遷吸收?；诩t寶石晶體的吸收光譜,適于采用脈沖氙燈這類強可見光光源進行泵浦。73熒光光譜熒光光譜:紅寶石晶體有兩條強

49、熒光譜線,分別稱為R1線和R2線。 R1 線中心波長為694.3nm,對應(yīng)于E4 A2 能級的自發(fā)輻射躍遷。 R2 線中心波長為692.9nm,對應(yīng)于2A 4A2 能級的自發(fā)輻射躍遷。紅寶石激光器通常只產(chǎn)生694.3nm激光,692.9nm不能形成振蕩的主原因有兩條,其一,躍遷到激光上能級E和2A上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布,能級上約占53%,2A能級上占47%;其二,R1 線的熒光強度高于R2 線,使R線的受激輻射幾率高于R2線。因此,R1線先達到閾值形成激光振蕩。由于2A與E兩能級之間能級差很小,粒子交換頻繁,E上的粒子躍遷后,2A能級上的子迅速轉(zhuǎn)移到該能級,從而進一步抑制了R2 線的振蕩。

50、當(dāng)激光脈沖持續(xù)時間大于10-9 s時,激光上能級的粒子都會通過R1 線的受激輻射而返回基態(tài)。74溫度對紅寶石晶體的影響溫度對紅寶石晶體的影響紅寶石晶體的性能易受溫度的影響,主要表現(xiàn)在以下幾方面:其一,溫度上升導(dǎo)致紅寶石激光中心波長向長波方向移動,如圖(a)所示。這是由于溫度上升使晶格場變化加劇,能級發(fā)生位移,造成激光上、下能級差縮小所致。其二,溫度上升導(dǎo)致熒光線寬加寬,量子效率下降。紅寶石R1 、R2 線熒光線寬與溫度的關(guān)系如圖(b)所示。紅寶石晶體低溫下性能優(yōu)良。溫度升高將使其熒光譜線展寬,量子效率下降,從而導(dǎo)致器件閾值上升,效率下降,嚴重時會引起“溫度猝滅”。因此,紅寶石激光器在室溫條件下

51、以脈沖方式運轉(zhuǎn)75紅寶石晶體的主要特點紅寶石晶體的主要特點主要優(yōu)點為主要優(yōu)點為: :機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可獲得大能量輸出;熒光譜線較寬,易獲得大能量單模輸出;低溫性能優(yōu)良;輸出可見光。從應(yīng)用觀點看,紅寶石激光器輸出可見光極具吸引力,一是因為光電探測器件的響應(yīng)波長大多位于可見光區(qū),而大多數(shù)稀土元素四能級系統(tǒng)固體激光器工作波長則位于近紅外區(qū)域,二是對于全息照相等應(yīng)用,需要使用可見光作為光源。缺點缺點: :能級結(jié)構(gòu)屬三能級系統(tǒng),器件閾值高;晶體性能隨溫度變化明顯,室溫下不適于做連續(xù)和高重頻器件。76光泵浦系統(tǒng)光泵浦系統(tǒng)固體激光器一般

52、采用光泵浦。主要的泵浦光源有惰性氣體放電燈(脈沖氙燈、連續(xù)氪燈等)、半導(dǎo)體激光二極管金屬蒸氣燈(汞燈、鈉燈等)鹵化物燈(碘鎢燈、溴鎢燈等)四類。惰性氣體放電燈具有輻射強度高、既能脈沖工作又能連續(xù)工作、工藝簡單、使用方便等優(yōu)點,應(yīng)用最為廣泛。惰性氣體放電燈與聚光腔共同構(gòu)成固體激光器的燈泵浦系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光二極管泵浦固體激光器較之其他的泵浦方式具有最高的泵浦效率,代表了固體激光器的一個發(fā)展方向。77燈泵浦系統(tǒng)燈泵浦系統(tǒng)惰性氣體放電燈惰性氣體放電燈惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)由工作氣體、電極和燈管三部分組成。工作氣體一般采用氙或氪。電極采用高熔點、

53、高電子發(fā)射率、低濺射的金屬材料,常用鎢、釷鎢等材料。燈管則通常采用耐高溫、透光性好、機械強度高的石英玻璃。結(jié)構(gòu)形式有直管(比較常用)和螺旋之分,如圖所示。78惰性氣體放電燈在工作方式上分為脈沖和連續(xù)兩種,如脈沖氙燈,連續(xù)氪燈。惰性氣體放電燈工作于弧光放電狀態(tài),著火電壓和觸發(fā)電壓是燈啟動的重要參數(shù)。對脈沖燈而言,其使用壽命與最大輸入能量密切相關(guān)。脈沖氙燈的常用規(guī)格及其性能參數(shù)見表3.9。惰性氣體放電燈的光譜特性惰性氣體放電燈的光譜特性惰性氣體放電燈的輻射光譜中有連續(xù)光譜和線狀光譜兩種成分。產(chǎn)生連續(xù)光譜的主要原因是燈內(nèi)濃度很高的電子和正離子復(fù)合發(fā)光。因帶電粒子的動能連續(xù)可變,故其輻射光譜為連續(xù)譜;

54、此外電子減速發(fā)光,其光譜也為連續(xù)譜。產(chǎn)生線狀光譜的主要原因是放電時被激發(fā)的原子和離子自發(fā)地返回基態(tài)時輻射發(fā)光,其光譜中具有氣體原子和離子的特征光譜線。79在連續(xù)弧光燈的輻射光譜中,線狀光譜的貢獻很顯著。而在脈沖燈的輻射光譜中,則以連續(xù)光譜的貢獻為主。二者在放電燈的輻射光譜中所占據(jù)的比例取決于燈內(nèi)的放電電流密度、充氣壓和充氣種類。在此重點分析放電電流密度的影響。脈沖氙燈在兩種電流密度下的輻射光譜如圖所示。80放電電流密度較小時,線狀光譜所占比例上升。對脈沖氙燈,其特征譜線的峰值波長位于0.84m、0.9m和1m附近。對連續(xù)氪燈,其特征譜線的峰值波長位于0.76m、0.82m和0.9m附近,與Nd

55、3+ :YAG的吸收譜帶相匹配。放電電流密度較大時,連續(xù)譜成分增加。當(dāng)放電電流密度增大到一定值時,線狀光譜被連續(xù)譜掩蓋,且隨著放電電流密度的增大,連續(xù)譜中心波長向短波方向移動。在高放電電流密度下,脈沖氙燈的輻射光譜顯然有利于紅寶石晶體的吸收(吸收峰在400550nm)。對連續(xù)和小能量輸出(10J)的脈沖Nd3+:YAG器件,采用氪燈泵浦效率比較高。對大型釹玻璃和脈沖Nd 3+ :YAG器件,宜采用輻射能量較大、效率較高的脈沖氙燈泵浦。對于要求輸出能量比較大的激光系統(tǒng),常常需要采用多燈泵浦。多燈泵浦時對燈的選擇和放電回路的設(shè)計應(yīng)注意遵循以下原則:盡量選擇電阻系數(shù)K0相同的燈;如用同一電源供電,則

56、燈需串聯(lián)或并聯(lián)運行。此時,燈的等效電阻會發(fā)生變化,設(shè)計中要加以考慮。81惰性氣體放電燈的有效輻射效率惰性氣體放電燈的有效輻射效率LL惰性氣體放電燈的有效輻射效率 L 定義為燈在工作物質(zhì)吸收帶內(nèi)的輻射 CV2/ 2 之比。在燈泵浦的固體激光器幾個重要的能量轉(zhuǎn)換光能與電容儲能環(huán)節(jié)當(dāng)中,燈的有效輻射是第一個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),其效率的高低對器件的總體效率產(chǎn)生重要的影響。82影響 的主要因素有充氣種類、充氣壓、燈尺寸(L 與d)及使用情況等。充氣種類的影響是顯而易見的。對脈沖燈,當(dāng)充氣壓一定時,氙的轉(zhuǎn)換效率比氪、氬高。 充氣壓的影響充氣壓的影響:在相同放電條件下,充氣壓增高則L提高。但充氣壓過高,放電過程中形成的沖擊波會影響燈的壽命。因此,對輻射能量較大的脈沖氙燈,充氣壓不可過高,而對輻射能量小的脈沖燈和連續(xù)燈,充氣壓則可適當(dāng)提高。 燈尺