激光器的基本組成及典型激光器介紹課件

1、激光器的基本組成及典型激光器介紹激光器的基本組成及典型激光器介紹 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 激勵(lì)只是一個(gè)外部條件，激光的產(chǎn)生還取決于合適的工作物質(zhì)。 二能級(jí)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)? 亞穩(wěn)能級(jí)：需要一個(gè)可以有較長(zhǎng)壽命且能貯存大量粒子的能級(jí)，經(jīng)過(guò)不斷激發(fā)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)，這樣的能級(jí)稱(chēng)為“亞穩(wěn)能級(jí)”。可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的系統(tǒng)可歸結(jié)為三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)。1、工作物質(zhì)激光產(chǎn)生的內(nèi)因，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生光的受激輻射作用的物質(zhì)體系。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介粒子數(shù)的正

2、常分布？處于低能級(jí)上的粒子數(shù)在熱平衡情況下總是多于高能級(jí)上的粒子數(shù)，受激吸收占優(yōu)勢(shì)。粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布？高能級(jí)上的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù)。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？把大量的粒子從低能級(jí)“搬運(yùn)”到高能級(jí)的過(guò)程，稱(chēng)為泵浦或激勵(lì)； “搬運(yùn)”粒子的工具“光泵”泵浦系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供外界能量(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels. ) 2、泵浦系統(tǒng)粒子搬遷的動(dòng)力 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3

3、典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 激勵(lì)不僅要快，還有強(qiáng)有力； 激勵(lì)作用是通過(guò)消耗一定的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生受激輻射所需要的最小激勵(lì)能量稱(chēng)為激光器的閾值（threshold）； 激勵(lì)方式（Practical laser materials can be pumped in many ways.）：光、電、化學(xué)、原子能； 根據(jù)不同激光工作物質(zhì)的不同而異。如固體工作物質(zhì)常用強(qiáng)光照射激勵(lì)，簡(jiǎn)稱(chēng)光激勵(lì)；氣體工作物質(zhì)吸收光譜多在紫外波段，多采用氣體放電的電子碰撞激勵(lì)方法。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-

4、3 典型激光器簡(jiǎn)介光激勵(lì)-用光照射工作物質(zhì)，工作物質(zhì)吸收光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可采用高效率、高強(qiáng)度的發(fā)光燈、太陽(yáng)能和激光；放電激勵(lì)-在放電過(guò)程中，氣體分子（或原子，離子）與被電場(chǎng)加速的電子碰撞，吸收電子能量后躍遷到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；熱能激勵(lì)-用高溫加熱方式使高能級(jí)上氣體粒子數(shù)增加，然后突然降低氣體溫度，因高、低能級(jí)的熱馳豫時(shí)間不同，可使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；化學(xué)能激勵(lì)利用化學(xué)應(yīng)過(guò)程中釋放的能量來(lái)激勵(lì)粒子，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，一般還需采用一定的引發(fā)措施，如采用光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等方式；核能激勵(lì)用核裂變反應(yīng)放出的高能粒子、放射線或裂變碎片等來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)，也可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； 理學(xué)院

5、 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介諧振腔的作用：模式選擇、提供軸向光波模的反饋，產(chǎn)生光放大；諧振腔的組成：諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡（輸出反射鏡）組成，激光由部分反射鏡輸出。根據(jù)實(shí)際情況選用穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔或臨界穩(wěn)定腔。3、諧振腔：形成激光振蕩的必要條件；對(duì)輸出的模式、功率、光束發(fā)散角等均有很大影響。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介工作物質(zhì)形態(tài)-可以分為氣體、固體、半導(dǎo)體、液體等；工作方式-連續(xù)工作(CW or continuous

6、wave lasers)和脈沖工作(Pulsed lasers)；激光技術(shù)-調(diào)Q激光器(Q-switched lasers)、鎖模激光器(Mode locked lasers)、倍頻激光器(Frequency doubling lasers)、可調(diào)諧激光器(Tunable lasers)、單模和多模激光器(Single-mode and Multi-mode lasers)等。二、激光器的分類(lèi) 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介(1)氣體激光器:以氣體或金屬蒸氣為發(fā)光粒子 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1

7、-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 氣體激光器的激勵(lì)方式很多，最普通的激勵(lì)方式是氣體放電激勵(lì)。 氣體激光器的工作物質(zhì)種類(lèi)多，又能采用多種激勵(lì)方式，所以覆蓋的波段寬，從紫外到亞毫米波。是目前種類(lèi)最多、激勵(lì)方式最多樣化、激光波長(zhǎng)分布區(qū)域最寬、應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)激光器。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 氦一氖氣體激光器：原子激光器類(lèi)，1961年實(shí)現(xiàn)激光輸出，多采用連續(xù)工作方式，輸出功率與放電毛細(xì)管長(zhǎng)度有關(guān)；輸出激光方向性好，（發(fā)散角達(dá)1mrad以下），單色性好（可小于20Hz

8、），輸出功率和波長(zhǎng)能控制得很穩(wěn)定; He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學(xué)諧振腔組成，放電管是He-Ne激光器的心臟，是產(chǎn)生激光的地方，放電管通常由毛細(xì)管和貯氣室構(gòu)成。He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neon gas laser) 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 由于增益低，諧振腔一般用平凹腔; 放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當(dāng)電極加上高電壓后，毛細(xì)管中的氣體開(kāi)始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助

9、氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率; 最強(qiáng)的譜線有三條：0.6328m（紅色）、3.39m和1.15m ，常用的為0.6328m 四能級(jí)系統(tǒng). 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介（2）固體激光器(Solid-state lasers) 激光介質(zhì):由摻雜于固體基質(zhì)中的金屬離子（也稱(chēng)激活離子）和基質(zhì)所組成。工作物質(zhì)的物理、化學(xué)性能主要取決于基質(zhì)材料，它的光譜特性主要由激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定，但受基質(zhì)材料的影響，光譜特性將有所變化，有的甚至變化很大。 可作激活離子的元素有四大類(lèi)：過(guò)渡族金屬離子、三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土

10、金屬離子、錒系離子，覆蓋的波長(zhǎng)2753022nm。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介基質(zhì)材料分為玻璃和晶體兩大類(lèi)。 常用的基質(zhì)玻璃有：硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、氟化物玻璃; 晶體有金屬氧化物、氟化物、酸鹽晶體; 典型代表有紅寶石、Nd3+：YAG(Nd3+ ions in yttrium aluminum garnet)、釹玻璃激光器(Neodymium-glass laser); 特點(diǎn)：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、科研等方面。 理學(xué)院 物理系 05 九月

11、 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 固體激光器一般都是用光泵浦。最常用的泵浦光源有惰性氣體放電燈、金屬蒸氣燈、鹵化物燈、半導(dǎo)體激光器、日光泵等，日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。 用半導(dǎo)體激光二極管泵浦的固體激光器是90年代激光發(fā)展的主要方向之一，兼容了二者的優(yōu)點(diǎn)，泵浦效率高，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介一般固體激光器：由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻濾光系統(tǒng)四個(gè)主要部分組成。有連續(xù)工作(Continuous Wave)和脈沖(Pu

12、lsed Wave)兩種工作方式； 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介紅寶石激光器(Ruby Laser)紅寶石是摻有少量Cr3+離子的Al2O3單晶。E1為基態(tài)，E2為亞穩(wěn)態(tài)，E3是大量能級(jí)組成的能帶。光放大在E2和E1間產(chǎn)生，波長(zhǎng)為694.3nm。三能級(jí)系統(tǒng)。激光n1n2氙燈泵浦n1減少， n2增加自發(fā)輻射（熒光）氙燈光強(qiáng)繼續(xù)增加到n2n1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光放大器光強(qiáng)繼續(xù)增加到某一閾值滿(mǎn)足振蕩條件 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)

13、介半導(dǎo)體激光器(Semiconductor laser or laser diode) 半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，常用材料有GaAs（砷化鎵）、InP等。利用半導(dǎo)體中載流子（電子或空穴）在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的受激躍遷而實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大。（半導(dǎo)體中的電流是電子和空穴的移動(dòng)而形成的，稱(chēng)為載流子。） 具有小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、激光唱片、光盤(pán)、數(shù)顯、準(zhǔn)直等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介液體激光器 有機(jī)化合物液體（染料）激光器（簡(jiǎn)稱(chēng)染料激光器）和無(wú)機(jī)化合物液體激光器

14、（簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)機(jī)液體激光器）。 染料激光器：若丹明6G、隱花青，豆花素 特點(diǎn)：激光波長(zhǎng)可調(diào)諧且調(diào)諧范圍寬廣、可產(chǎn)生極短的超短脈沖（3fs）、可獲得窄的譜線寬度 廣泛應(yīng)用到光生物學(xué)、光譜學(xué)、光化學(xué)同位素分離、全息照像等技術(shù)中，研究物質(zhì)的瞬態(tài)變化過(guò)程及微觀動(dòng)力學(xué)。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介染料激光器(Dye lasers)一種波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的激光器，染料分子的吸收光譜和熒光光譜均為寬帶結(jié)構(gòu)，這是由染料特殊的分子結(jié)構(gòu)造成的，也是能波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的原因?？刹捎霉鈻拧⒗忡R、法布里一珀羅干涉儀、雙折射濾光片等調(diào)諧元件；主要采

15、用光泵浦，即用短脈沖寬度的閃光燈泵浦或其它激光器泵浦；脈沖泵浦和連續(xù)泵浦；調(diào)諧范圍隨泵浦光波長(zhǎng)變化，Nd:YAG激光器泵浦時(shí)，調(diào)諧范圍最大，達(dá)3001400nm；對(duì)比：固體可調(diào)諧激光器：摻鈦藍(lán)寶石激光器。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介其它激光器光纖激光器化學(xué)激光器氣動(dòng)激光器色散激光器自由電子激光器單原子激光器X射線激光器 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介光纖激光器(Fiber lasers) 屬于固體激光器。 光纖的典型結(jié)構(gòu)

16、為多層同軸圓柱體，自?xún)?nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層。(core, cladding and coating) 纖芯由高度透明的材料組成，是光波的主要傳輸通道；包層的折射率略小于纖芯，形成光波導(dǎo)效應(yīng)，使光的傳輸束縛在纖芯中，并使傳輸性能穩(wěn)定。涂覆層包括一次涂覆、緩沖和二次涂覆，保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械的擦傷，同時(shí)又增加光纖的柔韌性，延長(zhǎng)光纖壽命。 多模光纖：能夠傳導(dǎo)多種模式的光纖，其截面尺寸較大，階躍多模光纖芯徑50m，包層直徑125m。 單模光纖：只能傳導(dǎo)一種模式的光纖，其纖芯直徑很小，約在410m范圍，包層直徑125m。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系

17、 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 一般將稀土元素離子摻雜在纖芯中。主要通 過(guò)其它激光器激勵(lì)。為使結(jié)構(gòu)緊湊，優(yōu)先使用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源。 20世紀(jì)80年代后期，英國(guó)南安普敦大學(xué)的佩恩（D. N. Payne）等人發(fā)展了工作于最小通信損耗窗口1550nm光纖放大器。 由于泵光難以有效地耦合進(jìn)光纖芯中，限制了它作為高功率的光子源。同期美國(guó)麻省寶麗來(lái)公司研究發(fā)展了包層泵浦方式，解決了這一難題。 理學(xué)院 物理系 05 九月 2022 1-3 典型激光 理學(xué)院 物理系 09 九月 2022 1-3 典型激光器簡(jiǎn)介 雙包層結(jié)構(gòu)光纖包括兩個(gè)包層。纖芯被包在比其折射率低的內(nèi)層硅材料之中，內(nèi)層被具有更低折射率的外層聚合物所包含。內(nèi)層被設(shè)計(jì)成形狀和結(jié)構(gòu)適合于有效耦合端面泵浦的高功率半導(dǎo)體激光器的泵浦光。由于外層的限制，進(jìn)入內(nèi)層的泵光傳入光纖芯，激發(fā)摻雜的離子，產(chǎn)生較強(qiáng)的光束輸出。 易與光纖傳輸系統(tǒng)連接，大功率、寬波段、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、具有高性能性?xún)r(jià)比的光纖激光器，已經(jīng)或?qū)⒃诤教旌娇铡⑸茖W(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)