激光技術(shù)導(dǎo)論

激光技術(shù)導(dǎo)論第一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日2、1固體激光器

固體激光器通常是指以絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。

少量的過(guò)渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃，經(jīng)光泵激勵(lì)后產(chǎn)生受激輻射作用。參加受激輻射作用的離子密度一般為1025—1026m-3，較氣體工作物質(zhì)高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上．激光上能級(jí)的壽命為(10-4—10-3s)，因此易于獲得大能量輸出，進(jìn)行調(diào)Q可以獲得大功率脈沖輸出。

第二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日一、光泵激勵(lì)光激勵(lì)又可分為氣體放電燈激勵(lì)和半導(dǎo)體激光器激勵(lì)兩種方式。1、氣體放電燈激勵(lì)

以氣體放電燈為激勵(lì)光源是廣為采用的激勵(lì)方式，脈沖激光器采用脈沖氖燈，連續(xù)激光器采用氖燈或碘鎢燈。

第三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日氣體放電燈激勵(lì)的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，通常L約為15％，激光器的效率較低，常用的Nd：YAG激光器的效率約為1％—3％

第四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

2．半導(dǎo)體激光二極管激勵(lì)用與工作物質(zhì)吸收波長(zhǎng)相匹配的激光作激勵(lì)光源大大提高激光器效率。

Nd：YAG寬約30nm的810nm泵浦吸收帶中含多條吸收譜線，809nm的半導(dǎo)體激光二極管輸出光泵浦準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)此吸收帶中帶寬約2nm的809nm吸收譜線。總效率為7％—20％。小型化、全固態(tài)、長(zhǎng)壽命及熱效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。單個(gè)半導(dǎo)體激光器功率已越過(guò)1w，半導(dǎo)體激光器列陣功率達(dá)數(shù)百瓦。第五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日工作物質(zhì)的泵浦吸收譜線和已有大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長(zhǎng)匹配是構(gòu)成半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器的必要條件。適于構(gòu)成此類激光器的固體工作物質(zhì)有Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：YLF，Tm、Ho：YAG。為了使波長(zhǎng)準(zhǔn)確匹配，對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度加以控制。二、紅寶石激光器第七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

紅寶石是摻有少量Cr2O3(質(zhì)量比約為0.05％)的A1203晶體。

紅寶石激光器屬三能級(jí)系統(tǒng)，具有較高的泵浦能量閾值，所以通常只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)制紅寶石激光器輸出巨脈沖峰值功率可達(dá)10～50MW，脈寬為10～20ns；鎖模紅寶石激光器輸出超短光脈沖的峰值功率109w量級(jí)，脈寬達(dá)10ps；

應(yīng)用遠(yuǎn)不及釹激光器廣泛。在動(dòng)態(tài)全息、醫(yī)學(xué)等方面仍有應(yīng)用價(jià)值

第八頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第九頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日三、釹激光器

三價(jià)釹離子為激活粒子的釹激光器是使用最廣泛的激光器。Nd3+離子部分取代Y3Al5O12晶體中Y3+離子稱為摻釹億鋁石榴石(簡(jiǎn)稱Nd：YAG)。屬四能級(jí)系統(tǒng)，量子效率高、受激輻射截面大，閾值比紅寶石和釹玻璃激光器小得多，有高的熱導(dǎo)率，易于散熱。可以單脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，用于高重復(fù)率或連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，Nd：YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率超過(guò)1000w，每秒5000次的激光器的輸出峰值功為數(shù)千瓦，每秒幾十次重復(fù)頻率的調(diào)Q激光器的峰值功率達(dá)幾百兆瓦。第十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日釹玻璃是在硅酸鹽或磷酸鹽玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。Nd3+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)與Nd：YAG基本相同，只是能級(jí)的寬度和能量有些差異，泵浦吸收帶稍寬，熒光壽命較長(zhǎng)(0.6～0.9ms)，熒光線寬(250cm-1)，量子效率較低(0.3～0.7)，受激輻射截面約為Nd：YAG的1／30。激射波長(zhǎng)為1060nm，選模時(shí)可產(chǎn)生1370nm激光。釹玻璃的熒光壽命長(zhǎng)，易于積累高能級(jí)粒子。容易制成光學(xué)均勻性優(yōu)良的大尺寸材料，可用于大能量大功率激光器。第十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日輸出能量已達(dá)上萬(wàn)焦耳。熒光線寬較寬，適于制成鎖模器件，釹玻璃鎖模激光器可產(chǎn)生脈寬小于1ps的超短光脈沖。釹玻璃的熱導(dǎo)率低，振蕩閾值又較高，因此不宜用于連續(xù)和高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)。已實(shí)現(xiàn)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的摻Nd3+晶體達(dá)140多種四、鈦寶石激光器紅寶石和釹激光器產(chǎn)生的激光具有固定波長(zhǎng)，摻鈦寶石激光器則是一種可調(diào)諧固體激光器，在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(660—1180nm)連續(xù)可調(diào)。

第十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日鈦寶石的激光躍遷上能級(jí)壽命僅為3.8s，為了獲得足夠高的泵浦速率，鈦寶石激光器大多采用激光泵浦。第十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第二十頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日2.2氣體激光器

氣體激光器是以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)的激光器。氣態(tài)物質(zhì)的光學(xué)均勻性遠(yuǎn)比固體好，所以氣體激光器易于獲得衍射極限的高斯光束，方向性好。氣體工作物質(zhì)的譜線寬度遠(yuǎn)比固體小，激光的單色性好。氣體的激活粒子密度較固體為小，要較大體積的工作物質(zhì)才能獲得足夠的功率輸出，因此氣體激光器的體積比較大第二十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

氣體工作物質(zhì)吸收譜線寬度小，不采用光源泵浦，通常采用氣體放電泵浦方式

在放電過(guò)程中，受電場(chǎng)加速而獲得了足夠動(dòng)能的電子與粒子碰撞時(shí)，將粒子激發(fā)到高能態(tài)，因而在其一對(duì)能級(jí)間形成了集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布。除了氣體放電泵浦外，氣體激光器還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦及核泵浦等方式。第二十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日一、He-Ne激光器激光譜線最強(qiáng)的是632.8nm、1.15m和3.39m三條譜線。

放電管長(zhǎng)數(shù)十厘米的He-Ne激光器輸出功率為毫瓦量級(jí)，長(zhǎng)1-2m的激光器輸出功率可達(dá)數(shù)十毫瓦。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、價(jià)格低廉，在準(zhǔn)直、定位、全息、測(cè)量、精密計(jì)量、等方面得到了廣泛應(yīng)用。

第二十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日1．激勵(lì)機(jī)制

充有氦氖混合氣的毛細(xì)管放電使Ne原子一對(duì)或幾對(duì)能級(jí)間形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)?；旌蠚怏w中He的含量數(shù)倍于Ne，但激光躍遷只發(fā)生于Ne原子的能級(jí)間,輔助氣體He的作用是提高泵浦效率。

第二十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第二十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第二十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第二十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

2譜線競(jìng)爭(zhēng)

激光譜線(632.8nm、1.15m和3.39m)中哪一條起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。增益系數(shù)與波長(zhǎng)的二次方成正比，3.39m譜線的增益系數(shù)遠(yuǎn)大于632.8nm譜線，較長(zhǎng)的632.8nmHe-Ne激光器中，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的3.39m放大的自發(fā)輻射或激光，導(dǎo)致632.8nm激光功率下降。

第二十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日抑制3.39m輻射產(chǎn)生的方法：

腔內(nèi)棱鏡色散使3.39m激光不能起振；腔內(nèi)插入對(duì)3.39m波長(zhǎng)的光吸收元件；借助軸向非均勻磁場(chǎng)使3.39m譜線線寬增加，從而使其增益下降

第三十頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日3、放電參數(shù)對(duì)輸出功率的影響工作物質(zhì)尺寸、諧振腔損耗和輸出耦合會(huì)影響輸出功率。

放電電流及氣體壓強(qiáng)等放電參數(shù)也會(huì)影響增益系數(shù)，從而影響輸出功率。

He-Ne激光器的輸出功率并不隨氣體放電電流的增加單調(diào)地上升，存在使輸出功率最大的最佳放電電流，在放電管中，不僅存在激發(fā)過(guò)程，還存在著消激發(fā)過(guò)程

第三十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日輸出功率與充氣壓強(qiáng)p有關(guān)。若放電毛細(xì)管的直徑為d，存在一個(gè)使輸出功率最大的Pd值，約為(4.8-5.3)×102Pa·mm。

原因：壓強(qiáng)的下降使電子與原子的碰撞減少，從而導(dǎo)致電子溫度(平均動(dòng)能)上升，激發(fā)速率升高；毛細(xì)管管徑的減小則使電子和離子的管壁復(fù)合加劇，為維持放電電流不變必須加大電場(chǎng)，由此造成的電子溫度升高有利于激發(fā)。Pd值過(guò)低又會(huì)因He-Ne原子數(shù)量過(guò)少而使輸出功率減少。He-Ne氣的比例也會(huì)影響輸出功率。

第三十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日二、氬離子激光器

中性Ar原子的電子組態(tài)為3P6。放電過(guò)程中，Ar原子與快速電子碰撞后電離形成基態(tài)氬離子，其電子組態(tài)為3P5。發(fā)生電子組態(tài)3P44P和3P44s之間的躍遷。不同組態(tài)對(duì)應(yīng)若干子能級(jí)，連續(xù)工作氬離子激光器可產(chǎn)生9條藍(lán)綠激光譜線，以488nm和514.5nm譜線最強(qiáng)。腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件，可以獲得單譜線激光。

第三十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日氬原子的電離能(15.73eV)和氬離子的激發(fā)位能（大于15eV）都很大，必須有比較高的電子溫度，才能對(duì)激光上能級(jí)有效地激發(fā).為此使放電管內(nèi)的氣壓降低（約0.8托以下），并且要提高放電管的電子密度，采用低電壓大電流的弧光放電激發(fā)。氬離子激光器和氦氖激光器具有十分不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)。第三十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第四十頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日三、CO2激光器輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出波長(zhǎng)(10.6m)正好處于大氣窗口。廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應(yīng)用。

以CO2、N2和He的混合氣體為工作物質(zhì)。躍遷發(fā)生在CO2分子的電子基態(tài)兩個(gè)振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間。N2提高上能級(jí)的激勵(lì)效率，He有助于下能級(jí)的抽空。

第四十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日分子總能量：①電子繞核運(yùn)動(dòng)的能量②分子中原子的振動(dòng)能量③分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量④平動(dòng)能量。前三種能量都是量子化的。相鄰電子、振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間能量差比例104：102：1。第四十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日二氧化碳激光器的結(jié)構(gòu)縱向電激勵(lì)、閉合循環(huán)橫向激勵(lì)、橫向電激勵(lì)大氣壓、熱或化學(xué)激勵(lì)激光器等。激光器通常由三層套管組成，一是放電管，二是水冷管，三是儲(chǔ)氣室。

諧振腔由全反鏡和輸出鏡組成。高反射鏡可用金屬制成，也可在玻璃表面鍍以金膜,輸出鏡是由鍺單晶制成的平行平面鏡，因?yàn)樗鼘?duì)10.6μm的光吸收系數(shù)很小。第四十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第四十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第四十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第四十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日純二氧化碳激光器的輸出功率很低，僅毫瓦量級(jí)，在二氧化碳?xì)怏w中加入N2，He，Xe，H2O（或H2）等輔助氣體后，可使激光輸出大大增強(qiáng).增強(qiáng)激光工作物質(zhì)的受激輻射過(guò)程的兩個(gè)途徑：使激勵(lì)到上能級(jí)的粒子數(shù)增多，或使下能級(jí)迅速抽空.(1)N2分子氣體是CO2激光器中使用的主要輔助氣體。N2和CO2按適當(dāng)比例混合后，能使輸出功率提高一倍以上。N2的作用主要是增加激發(fā)到激光躍遷上能級(jí)的粒子數(shù)。第四十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日(2)在CO2+N2的激光器中，加入氦氣可以使激光輸出功率幾倍地增大。氦的熱導(dǎo)率比CO2、N2的熱導(dǎo)率約高一個(gè)數(shù)量級(jí)。加入氦后，能提高放電管內(nèi)熱量向管壁傳遞的速率，使管內(nèi)工作氣體的溫度明顯下降。有利于激光下能級(jí)的抽空，因而可增大激光躍遷能級(jí)間的粒子數(shù)分布的反轉(zhuǎn)程度，增加激光輸出功率。第四十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日（3）在CO2+N2+He的激光器中，加入適量的水蒸汽（H2O），也可使激光輸出功率顯著地增加。水蒸氣的作用：H2O分子的彎曲振動(dòng)的第一個(gè)激發(fā)能級(jí)很接近CO2分子的10o0能級(jí)（比基態(tài)高1388cm-1），與10o0態(tài)的CO2分子碰撞幾率很大，可是CO2分子“抽空”到基態(tài)。如果靠CO2分子間的碰撞來(lái)“抽空”，則需碰撞幾萬(wàn)次，適量H2O分子的存在，有利于CO2分子激光躍遷能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光輸出的增強(qiáng)。第四十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日（4）在CO2+N2+He的激光器中加進(jìn)適量氙氣Xe），也能使其增加輸出功率。加入Xe時(shí)在保持放電電流不變的情況下，管壓降減低20~30%，這表明，放電管內(nèi)等效電阻下降了同樣的百分?jǐn)?shù)。Xe的電離電位較低（約12.1eV），在氣體放電時(shí)，Xe氣容易電離，Xe氣的加入，增加激光管內(nèi)工作氣體電離度，使高能量的電子減少，低能量的電子增加，更有利于激勵(lì)CO2分子的00o1能級(jí)和N2分子的V=1能級(jí)，從而增加激光輸出功率。第五十頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日由于高能量的電子減少，減少了CO2分子分解的可能性，氙氣加入，還可使CO2激光器延長(zhǎng)壽命。在CO2激光器里加入氫氣（H2）、一氧化碳（CO）和氧氣（O2）延長(zhǎng)激光器的壽命。在二氧化碳激光器，除CO2分子本身外，還應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)母鞣N輔助氣體，以增強(qiáng)激光振蕩的受激輻射過(guò)程。第五十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

飽和光強(qiáng)與激光上、下能級(jí)壽命有關(guān)，而CO2能級(jí)壽命與激光器中的放電電流密度、氣體溫度、氣體總壓強(qiáng)和成分有關(guān)。

飽和光強(qiáng)Is與激光器的工作條件有關(guān)。

例如封離型CO2激光器的飽和光強(qiáng)一般在22—100W／cm2之間，而橫向流動(dòng)激光器的飽和光強(qiáng)可高達(dá)250W／cm2。

第五十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

CO2激光器的諧振腔大多采用平凹腔，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，也可在玻璃表面鍍以金膜，輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過(guò)紅外光的Ge、GaAs等材料制成輸出窗。

第五十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日1、縱向慢流CO2激光器

氣體從放電管一端流入，另一端抽走，氣流、電流和光軸方向一致。氣流目的排除CO2與電子碰撞時(shí)分解的CO2氣，補(bǔ)充新鮮氣體。

第五十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

放電電流密度和氣體壓強(qiáng)均有最佳值。電流密度增加時(shí)激光上能級(jí)激發(fā)速率增加，但由此造成的氣體溫度的升高又會(huì)增加下能級(jí)集居數(shù)，因而存在一最佳電流值。

氣體壓強(qiáng)增高時(shí)一方面反轉(zhuǎn)集居數(shù)增加，另一方面，氣體分子間更加頻繁的碰撞阻礙熱量向管壁的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致氣體溫度升高。

實(shí)驗(yàn)表明，電流密度與壓強(qiáng)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50-60W／m。

第五十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

2、封離型CO2激光器

放電過(guò)程中，部分CO2分子分解為CO和O，如不抽去陳氣，補(bǔ)充新鮮氣體，則CO2含量減少，CO含量增多，將導(dǎo)致輸出功率下降。

加入催化劑促使O和CO更新結(jié)合為CO2，并選用不與O2氣作用的陰極材料料以保證激光器中有足夠的氧氣和CO重新結(jié)合。加入少量H2O或H2作催化劑。封離型激光器的結(jié)構(gòu)和輸出功率的水平和縱向慢流激光器相似，壽命巳超過(guò)數(shù)千小時(shí)至一萬(wàn)小時(shí)。第五十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日3．縱向快流CO2激光器熱量主要靠氣體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)傳給管壁，再由沿管壁外表面流動(dòng)的冷卻液帶走。散熱效率較低，電流密度和壓強(qiáng)不能太大，限制了輸出功率。如果提高氣體流動(dòng)速度(約50m／s)．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。第五十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)1KW／m以上。1～3kw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(dòng)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(duì)稱性較好，具有更好的光束質(zhì)量。第五十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日4．橫向流動(dòng)CO2激光器

縱向快流CO2激光器需要很高氣體流速。若使氣體流流動(dòng)方向與光軸垂直，較低的流速就能達(dá)到縱向快流同樣的冷卻效果。在橫向流動(dòng)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(qiáng)高達(dá)1.3×104pa。有利于提高輸出功率，但碰撞使電子溫度降低，必須在強(qiáng)電場(chǎng)中才能維持足夠高的電子溫度。第五十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日在橫向流動(dòng)CO2激光器中，通常采用電場(chǎng)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。橫流激光器中單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)每米數(shù)千瓦，總輸出功率已高達(dá)1-20kw。第六十頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日5．橫向激勵(lì)大氣壓CO2激光器

高氣壓橫向激勵(lì)CO2激光器中，壓強(qiáng)高導(dǎo)致放電不穩(wěn)定。常采用脈沖放電激勵(lì)方式。快速脈沖放電時(shí)放電不穩(wěn)定，來(lái)不及充分發(fā)展，因此氣體壓強(qiáng)可增高至大氣壓或高于大氣壓。橫向激勵(lì)大氣壓激光器(簡(jiǎn)稱TEA激光器)單位體積輸出能量可高達(dá)20—50J／L，總能量和峰值功率可分別高達(dá)10kJ和20Tw。

第六十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日6、氣動(dòng)CO2激光器

氣動(dòng)CO2激光器采用熱泵浦方式。含有CO2的混合氣體在容器內(nèi)燃燒形成高溫高壓狀態(tài)．由于溫度很高，CO2的激光上、下能級(jí)均具有較高的集居數(shù)密度?；旌蠚怏w通過(guò)噴管絕熱膨脹時(shí)氣體溫度急劇下降，上能級(jí)的壽命較下能級(jí)長(zhǎng)，集居數(shù)密度減少的速率較下能級(jí)慢，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(dòng)CO2激光器的輸出功率可達(dá)80kw。

第六十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日7．波導(dǎo)CO2激光器

波導(dǎo)CO2激光器是一種小型激光器，由BeO或玻璃制成的放電管管徑1-4mm。由于放電管管壁對(duì)于小角度掠射光的費(fèi)涅耳反射率很高．可在橫向尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)的空心介質(zhì)波導(dǎo)中低損耗地傳輸波導(dǎo)模。采取縱向放電方式，也可采用橫向射頻激勵(lì)。放電孔徑小，氣體壓強(qiáng)可達(dá)(1.5-2.5)×104Pa，其單位長(zhǎng)度輸出功率為50W／m。

第六十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第六十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日四、N2分子激光器

脈沖放電激勵(lì)的N2分子激光器輸出紫外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十MW，脈寬小于10ns、重復(fù)頻率數(shù)十至數(shù)千赫。

用作可調(diào)諧染料激光器的泵浦源，光譜分析、檢測(cè)污染、醫(yī)學(xué)及光化學(xué)等增益高，集居數(shù)反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間短，無(wú)需諧振腔反饋，輸出放大自發(fā)輻射。第六十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日N2能級(jí)圖第六十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

激光躍遷發(fā)生在不同電子態(tài)的振動(dòng)能級(jí)之間，可以得到多條譜線，337.7nm激光譜線最強(qiáng)，357.7nm次之，315.9nm譜線最弱。放電時(shí)基態(tài)分子與電子碰撞躍遷激發(fā)態(tài)。上能級(jí)的激發(fā)比下能級(jí)大得多，但上能級(jí)的壽命(40ns)比下能級(jí)壽命(10μs)小得多，僅在激勵(lì)起始的很短時(shí)間內(nèi)能形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)，泵浦放電脈沖寬度必須遠(yuǎn)小于40ns

。第六十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第六十八頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日五、準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子是一種在激發(fā)態(tài)結(jié)合為分子，在基態(tài)離解為原子的不穩(wěn)定締合物。采用電子束或快速放電泵浦。加入He、Ne或Ar等緩沖氣體，使電子溫度下降，以便碰撞時(shí)產(chǎn)生更多的激發(fā)態(tài)粒子，而不產(chǎn)生過(guò)多的離子。與緩沖氣體分子的碰撞還可促使高振動(dòng)能級(jí)的準(zhǔn)分子向低振動(dòng)能級(jí)弛豫第六十九頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日躍遷發(fā)生在束縛態(tài)和自由態(tài)之間。準(zhǔn)分子躍遷到基態(tài)后立即解離，激光下能級(jí)總是空的。躍遷是寬帶的．可調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)。第七十頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日準(zhǔn)分子有異類或同類分子構(gòu)成，已成功運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)分子激光器的波長(zhǎng)第七十一頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

脈沖輸出能量可達(dá)百焦耳量級(jí)．峰值功率達(dá)數(shù)千兆瓦以上，平均功率可大于200w，重復(fù)頻率1kHz。光化學(xué)、同位素分離、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、光電子及微電子工業(yè)等方面獲得了廣泛應(yīng)用。第七十二頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日六、染料激光器激光工作物質(zhì)：溶于適當(dāng)溶劑中的有機(jī)染料由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動(dòng)引起的加寬，使得振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)幾乎相連。因此每個(gè)電子態(tài)實(shí)際上對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)能帶。染料激光器有很寬的調(diào)諧范圍

可從鎖模染料激光器得到很窄的脈沖．

可調(diào)波長(zhǎng)：（330nm～1850nm）連續(xù)可調(diào)。用于：激光光譜、同位素分離、醫(yī)學(xué)等第七十三頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日處于sl態(tài)的分子可向T1態(tài)躍遷，稱作系際交叉。而T1-T2躍遷的吸收波長(zhǎng)又恰好與s1一s0躍遷熒光波長(zhǎng)重疊，染料分子在T1態(tài)集聚不利于激光運(yùn)轉(zhuǎn)。s1-s0受激輻射的增益大于T1-T2躍遷造成吸收損耗才形成激光振蕩。第七十四頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

采用閃光燈、N2分子激光器、準(zhǔn)分子激光器或倍頻Nd：YAG激光器532nm激光等作脈沖染料激光器的泵浦光源．

連續(xù)染料激光器常用氬或氪離子激光器泵浦源。泵浦光的波長(zhǎng)必須小于染料激光器的輸出激光波長(zhǎng)。采用光柵、棱鏡、標(biāo)準(zhǔn)具及雙折射濾光片等波長(zhǎng)選擇元件對(duì)染料激光器進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧。第七十五頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日第七十六頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

可從鎖模染料激光器得到很窄的脈沖。若丹明G6的碰撞鎖模染料激光器可產(chǎn)生約30fs的超短脈沖，還可壓縮僅為6fs的超短光脈沖，是世界上最窄的光脈沖。波長(zhǎng)可調(diào)范圍（330nm-1.85μm）

第七十七頁(yè)，共八十八頁(yè)，2022年，8月28日

七、半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體二極管激光器：體積小、壽命長(zhǎng)，采用注入電流方式泵浦。其工