第3講 典型激光器介紹及光線傳輸矩陣

激光原理與技術(shù)第三講（上）典型激光器介紹3.1

典型激光器介紹固體激光器：紅寶石、Nd:YAG氣體激光器：原子、分子、離子液體激光器：染料激光器新型激光器：光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、化學(xué)激光器23.1典型激光器介紹33.1

典型激光器介紹紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)

Nd3＋:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)4固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。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。泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(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。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(gè)橢圓。固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常 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。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。3.1

典型激光器介紹5固體激光器的基本特性能量轉(zhuǎn)換效率低，要經(jīng)過(guò)電、光、原子、激光的途徑來(lái)形成受激輻射放大；運(yùn)行方式有連續(xù)、脈沖、調(diào)Q、放大、調(diào)制等；輸出光譜有數(shù)千條，覆蓋了可見(jiàn)光、近紅外光、紫外（利用晶體實(shí)現(xiàn)倍頻）；輸出峰值功率極高（鎖模）---太瓦、飛秒；3.1

典型激光器介紹6QuantelFrequency-DoubledNd-YAG3.1

典型激光器介紹單脈沖能量：500mJ脈沖寬度：5ns峰值功率：108W=0.1GW重復(fù)頻率：10Hz平均功率：5W73.1

典型激光器介紹氣體激光器的分類原子---產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體原子，所采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體，有時(shí)也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子氣體，或銫、鎘、銅、錳、錫等金屬原子蒸氣。分子（準(zhǔn)分子）---產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體分子，所采用的分子氣體有：CO、N2、O2、CO2、N2O和水蒸氣等；準(zhǔn)分子激光器的工作氣體在常態(tài)下為原子，當(dāng)受到激發(fā)時(shí)，可暫時(shí)形成壽命很短的分子，稱為準(zhǔn)分子，這種分子也能產(chǎn)生激光。常采用的準(zhǔn)分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。離子---利用電離后的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要有惰性氣體離子和金屬蒸氣離子。離子激光器的典型代表是氬離子(Ar+)和氦-鎘(He-Cd)離子激光器83.1

典型激光器介紹氣體激光器的工作原理電激勵(lì)---氣體放電在高電壓下，氣體分子發(fā)生電離導(dǎo)電(叫做氣體放電)，被電場(chǎng)加速的電子與氣體原子(或分子、離子)碰撞，使后者激發(fā)到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一過(guò)程稱為放電激勵(lì)。氣體放電可采用直流或交流的連續(xù)放電、射頻放電(高頻放電)、脈沖放電等形式。直流和交流放電又分為縱向放電和橫向放電兩種。

除放電激勵(lì)外，還可用電子槍產(chǎn)生的高速電子去激勵(lì)氣體，使之躍遷到高能級(jí)，這稱為電子束激勵(lì)。93.1

典型激光器介紹氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如右圖所示。He-Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。103.1

典型激光器介紹He-Ne激光器11封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖3.1

典型激光器介紹二氧化碳激光器下圖是一種典型的結(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。

與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖123.1

典型激光器介紹13分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示意圖3.1

典型激光器介紹Ar+離子激光器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。如下圖所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)。

143.1

典型激光器介紹153.1

典型激光器介紹氣體激光器的輸出特性輸出功率大---氣體激光器容易實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的大體積均勻分布，且工作物質(zhì)的流動(dòng)性好，因此能獲得很大功率輸出。例如高功率電激勵(lì)CO2激光器連續(xù)輸出功率已達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦以上。效率高---大部分的氣體激光器既能連續(xù)工作又能脈沖工作。目前，CO2激光器的電光轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25％，而CO激光器在低溫條件下可達(dá)到50％。譜線范圍寬---目前有數(shù)百種氣體和蒸氣可以產(chǎn)生激光，已經(jīng)觀測(cè)到的激光譜線近萬(wàn)余條，譜線覆蓋范圍從亞毫米波到真空紫外波段，甚至X射線、射線波段。光束質(zhì)量?jī)?yōu)---工作物質(zhì)均勻一致保證了氣體激光束的優(yōu)良光束質(zhì)量，在光束的相干性、單色性方面優(yōu)于固體、半導(dǎo)體激光器，如He-Ne激光的單色性很高，Δλ很容易達(dá)到10-9～10-11nm，其發(fā)散角只有l(wèi)～2毫弧度。163.1典型激光器介紹自由電子激光器自由電子激光器的工作物質(zhì)是自由電子束，它和普通激光器的根本區(qū)別在于：輻射不是基于原子、分子或離子的束縛電子能級(jí)間的躍遷。自由電子激光器的工作原理磁韌致輻射帶電粒子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用會(huì)作加速運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生輻射，當(dāng)速度接近光速的電子作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)輻射出光子，由于這種輻射是1947年在同步加速器上被發(fā)現(xiàn)的，因而被命名為同步輻射（Synchrotronradiation）；切倫科夫輻射 當(dāng)電子在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果它們的速度比光在介質(zhì)中的相速度大，電子也會(huì)產(chǎn)生光輻射，其波長(zhǎng)隨著電子速度而變化，雖然光很弱，但卻是單色性很好的輻射光。173.1

典型激光器介紹自由電子激光的特點(diǎn)

高功率：平均功率可達(dá)到1MW；高效率：理論效率可達(dá)到50%；寬波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍：原則上輸出波長(zhǎng)可以覆蓋從微波、紅外、可見(jiàn)光到真空紫外波，甚至到X射線整個(gè)譜區(qū)。

上海光源全波段：從遠(yuǎn)紅外到硬X射線連續(xù)可調(diào)高強(qiáng)度：總功率為600千瓦；優(yōu)良的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)：其脈沖寬度僅為幾十皮秒，相鄰脈沖間隔可調(diào)為幾納秒至微秒量級(jí)；183.1

典型激光器介紹化學(xué)激光器1.化學(xué)激光器是指基于化學(xué)反應(yīng)來(lái)建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生受激輻射的一類激光器?；瘜W(xué)激光器的工作物質(zhì)可以是氣體或液體，但目前大多數(shù)是用氣體。2.化學(xué)激光器具有如下三方面的特點(diǎn)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光。輸出的激光波長(zhǎng)豐富。高功率、高能量激光輸出。19激光原理與技術(shù)第三講（下）光線傳輸矩陣激光光學(xué)研究