第五講典型激光器

1、第五講 典型的激光器一、固體激光器二、氣體激光器三、半導(dǎo)體激光器四、其他激光器1231960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領(lǐng)域的科學(xué)家。4工作物質(zhì)：基質(zhì)材料 + 發(fā)光粒子光譜特性主要由發(fā)光粒子的能級結(jié)構(gòu)決定基質(zhì)材料：玻璃：硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等晶體：白寶石（Al2O3）、釔鋁石榴石（YAG）、鋁酸鹽、氟 化鈣等發(fā)光粒子（激活離子）：鉻（Cr 3+）、釹（Nd 3+）、鉺（Er 2+）等一、固體激光器5 特點：可獲得大的激光能量輸出，脈沖峰值功率很

2、高，而且結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用。6（一）基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)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。以下是長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)。7 紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。 它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3)。 它屬于三能級系統(tǒng)，相應(yīng)于右圖的簡化能級模型。（二）舉例紅寶石激光器8工作物質(zhì)：紅寶石晶體（Cr2O3 - Al2O3）發(fā)光的激活粒子： Cr3+ （三能級系統(tǒng)）激光波長：694.3nm光譜線寬：0.010.1nm偏振特性：既可輸出無偏振光，也可輸出線偏振光（紅寶石為單軸晶體，存

3、在雙折射現(xiàn)象）發(fā)散角：一般情況下遠(yuǎn)大于衍射角；由直徑很細(xì)的紅寶石棒發(fā)出的單模激光束的發(fā)散角可接近于衍射極限。9其他固體激光器： YAG激光器工作物質(zhì)：摻釹釔鋁石榴石（Nd2O3 - YAG）發(fā)光的激活粒子： Nd3+ （四能級系統(tǒng)）激光波長：1.06微米光譜線寬：0.73nm（室溫下）偏振特性：輸出無偏振光（YAG為立方晶體，無雙折射現(xiàn)象）特點：振蕩閾值低，容易實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)，但在連續(xù)工作時，熱效應(yīng)將引起熱光畸變（熱透鏡效應(yīng)及熱應(yīng)力雙折射）。在YAG基質(zhì)上，還可以摻入Er3+、Tm3+等其他雜質(zhì)。10 釹玻璃激光器工作物質(zhì)：釹玻璃（Nd2O3 摻入到硅酸鹽玻璃中形成）發(fā)光的激活粒子： Nd3+

4、（四能級系統(tǒng)）激光波長：1.059微米光譜線寬：5 10nm（單色性較差）偏振特性：輸出無偏振光（玻璃為各向同性物質(zhì)，無雙折射現(xiàn)象）111、固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。2、常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。（三）固體激光器的泵浦系統(tǒng)3、右圖所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓，泵浦燈和激光棒分別位于橢圓的兩焦線上。124、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常

5、用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。5、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。131、 半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)，有如圖所示的端泵浦方式和側(cè)泵浦方式。（四）新型固體激光器2、可調(diào)諧固體激光器可調(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 可調(diào)諧激光器。143、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，是針對克服工作物質(zhì)中的熱

6、分布及其引起的一系列固有矛盾（如折射率分布、應(yīng)力雙折射等）而提出的一種結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)如圖所示。15固體激光器紅寶石激光器YAG激光器工作物質(zhì)Al2O3Cr2O3；Cr3決定光譜性能Al2O3Y2O3Nd2O3；Nd3決定光譜性能物理過程三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)激光譜線0.6943m+0.6929m；0.6943m占優(yōu)勢1.35m +1.06m；一般只產(chǎn)生1.06m泵浦源脈沖氙燈氪燈由于固體激光器的工作物質(zhì)是絕緣晶體，所以一般用光泵浦源激勵泵浦特點*泵浦燈和激光棒分別位于橢圓聚光腔的兩條焦線上*泵浦光源中僅有少部分與工作物質(zhì)吸收帶相匹配的光能是有用的。優(yōu)缺點閾值高、溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重、室溫下不適于連

7、續(xù)和高重復(fù)率工作閾值低、有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)、適于連續(xù)和高重復(fù)率工作；是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實用的固體工作物質(zhì)輸出特性大多數(shù)為脈沖激光器，產(chǎn)生的激光脈沖是一系列的尖峰，寬度約為幾個微米轉(zhuǎn)換效率低(總體效率：激光輸出與泵浦源的電輸入之比)總體效率大概為0.5%-1%1%-3%特點輸出能量大；峰值功率高；16種類：原子氣體激光器產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，典型代表是氦氖激光器。分子激光器產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和準(zhǔn)分子激光器。離子激光器典型代表是氬離子激光器和氦鎘離子激光器。二、氣體激光器17特點： 發(fā)射的譜線分布在一個很寬的波長范圍內(nèi)

8、，幾乎遍布了從紫外到遠(yuǎn)紅外的整個光譜區(qū) (已經(jīng)觀測到的譜線有萬余條)； 工作物質(zhì)均勻性較好，使得輸出光束的質(zhì)量較高； 容易實現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，如二氧化碳激光器可達(dá)萬瓦級的功率輸出； 轉(zhuǎn)換效率高、工作物質(zhì)豐富、結(jié)構(gòu)簡單、器件成本低。18工作物質(zhì)：氦 -氖氣體（He - Ne）激光波長：0.6328微米（1.15微米、3.39微米）光譜線寬：小于20Hz（單色性好）發(fā)散角：10-3 rad以下（方向性好）（一）氦-氖激光器輸出功率：與放電毛細(xì)管的長度有關(guān)。10cm的管子，輸出約0.5mW；200cm的管子，輸出約50mW。19 結(jié)構(gòu)：激光管 + 電源 激光管由放電管、電極和光學(xué)諧振腔組成20與激光

9、躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條:3S2P 0.63282S2P 1.153S3P 3.3921譜線競爭: He-Ne激光器三條強的激光譜線(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)膜反射鏡的波長選擇。為了保證一定波長的輸出，可以采取合適的措施抑制其他波長的振蕩，如：使用布儒斯特窗進(jìn)行選擇性的吸收；在腔鏡上鍍反射膜，進(jìn)行選擇性的反射；在腔內(nèi)放置吸收元件，進(jìn)行選擇性的吸收。222、氬離子激光器工作物質(zhì)：氬氣（Ar+）激光波長：0.4880微米、0.5145微米（藍(lán)綠光）輸出功率：是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率

10、最高的激光器（幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦）由于氣體放電過程中電離度不高，而且量子效率比較低，氬離子激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，一般在10-4 10-5范圍。23 一般結(jié)構(gòu)放電管（核心部件）、電極、回氣管（減小放電管內(nèi)氣壓差）、諧振腔、軸向磁場（提高激光器的輸出功率及壽命）24 激發(fā)機理Ar+的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)主要靠電子碰撞激發(fā)，激發(fā)過程包括三種形式：（1）電子與Ar原子碰撞，使其電離成Ar+，Ar+再與電子碰撞而被激發(fā)到高能態(tài)；（2）電子與Ar原子碰撞后直接將其電離并激發(fā)到激發(fā)態(tài)；（3）電子碰撞先把Ar+激發(fā)到更高的能態(tài)上，然后Ar+通過輻射躍遷到激光上能級上。253、二氧化碳激光器工作物質(zhì)：CO

11、2、N2和He的混合物激光波長：10.6微米、9.6微米（遠(yuǎn)紅外光）（利用基態(tài)的不同振動態(tài)的轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷，故光子能量?。┨攸c：激光器效率高、輸出能量大、功率高。26 結(jié)構(gòu)構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。27 激發(fā)機理28氣體激光器HeNe激光器CO2激光器Ar離子激光器工作物質(zhì)HeNe；Ne決定光譜性能CO2HeN2；CO2決定光譜性能Ar；Ar決定光譜性能物理過程四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)激光譜線0.6328m+1.15m+3.39m；3.39m占優(yōu)勢10.6m +9. 6m；10.6m占優(yōu)勢0.4880m+0

12、.5145m 藍(lán)光和綠光泵浦源氣體放電激勵氣體放電激勵氣體放電激勵輸出特性*譜線競爭*輸出功率特性：與放電電流關(guān)系很大，存在最佳氣體混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條件和毛細(xì)管直徑*放電特性：電流有最佳值*溫度效應(yīng)：轉(zhuǎn)換效率高，約有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，溫度升高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)減小，譜線加寬增益系數(shù)下降*多譜線工作：每條譜線都有一個閾值電流，*輸出功率隨放電電流的關(guān)系與其他激光器不一樣；特點*氣態(tài)物質(zhì)的光學(xué)均勻性一般比較好，使其在單色性和光束穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢；*譜線極為豐富；目前已達(dá)數(shù)千種，從紫外到遠(yuǎn)紅外波段；*大多數(shù)能連續(xù)運轉(zhuǎn)*都有瞬時功率不高的特點：工作氣體的氣壓較低，單位

13、體積中粒子數(shù)較少，只有固體激光器中激活粒子數(shù)密度的千分之一或更少，因而儲存的能量少結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，光束質(zhì)量好，工作可靠，容易制造連續(xù)工作脈沖工作均可；輸出功率大，效率高；正好處于大氣窗口，且對人的眼睛的危害比可見光和紅外線小得多譜線豐富，主要分布在藍(lán)綠光區(qū)；連續(xù)脈沖工作均可，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器29三、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器，又稱激光二極管（即LD）工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料特點：波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且體積小、重量輕、壽命長 。主要應(yīng)用領(lǐng)域：信息存儲、光纖通信等30半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)：

14、激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面； 光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計算機外部設(shè)備等方面。 311、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)理想半導(dǎo)體的能譜是由電子的一系列能帶組成的，下能帶稱為價帶，上能帶稱為導(dǎo)帶，它們之間不存在電子狀態(tài)的區(qū)域稱為禁帶。禁帶寬度 Eg = Ec - Ev其中，Ec 導(dǎo)帶底的能量Ev 價帶頂?shù)哪芰?2每個能帶實際上由大量極其密集的能級所組成。電子在能級上的分布遵從費米-狄拉克分布。當(dāng)溫度 T = 0 時，價帶是完全填滿的，導(dǎo)帶是完全空的；當(dāng) T 0 時，價帶中填充的電子數(shù)多，導(dǎo)帶中填充的電

15、子數(shù)少。由于某種原因（如溫度升高），電子從價帶提升至導(dǎo)帶，價帶中就因失去電子而存在帶正電的空穴。電子和空穴都稱為載流子。摻雜半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體 依靠電子導(dǎo)電P型半導(dǎo)體 依靠空穴導(dǎo)電332、半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件如果頻率為 v 的光在半導(dǎo)體內(nèi)傳播，在光場的作用下，導(dǎo)帶中的電子向價帶躍遷，與空穴復(fù)合，造成一個導(dǎo)帶電子和一個價帶空穴同時湮滅，發(fā)射出一個能量為 hv 的光子。產(chǎn)生受激發(fā)射并得到放大的條件是：導(dǎo)帶能級上被電子占據(jù)的幾率大于與輻射相關(guān)的價帶能級上被電子占據(jù)的幾率。即實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域稱為“有源區(qū)”或者“激活區(qū)”實現(xiàn)半導(dǎo)體中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的一個簡單方法是利用PN結(jié)的特征。令一塊N型半導(dǎo)體和一塊P型半導(dǎo)體相接，在其結(jié)合處形成PN結(jié)。在PN結(jié)上加正向電壓后，電子將從N區(qū)的導(dǎo)帶被注入P區(qū)，空穴從P區(qū)的價帶被注入到N區(qū)。注入電子的位能比空穴的位能高Eg，當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶而復(fù)合時，這部分能量將以光的形式釋放出來。343、半導(dǎo)體激光器的效率（1）內(nèi)量子效率（2）外微分量子效率（3）功率效率其中，I 為工作電流