激光輻射及應(yīng)用課件：激光器

激光器3.1傳統(tǒng)激光器3.2新型激光器習(xí)題

3.1傳統(tǒng)激光器

激光器的分類方法有許多種,按照產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)的不同可以分成氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器、化學(xué)激光器、自由電子激光器等。根據(jù)這些類型激光器在軍事上的應(yīng)用程度和范圍,本章著重介紹氣體激光器、固體激光器和光纖激光器等。

3.1.1氣體激光器

氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣為工作物質(zhì)的激光器。氣體的光學(xué)均勻性好,激活粒子的譜線窄,使得氣體激光器的方向性、單色性都遠(yuǎn)比固體激光器好。但氣體的激活粒子密度遠(yuǎn)比固體小,需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一般比較龐大。

氣體工作物質(zhì)吸收譜線寬度小,不宜采用發(fā)射連續(xù)譜的非相干光源泵浦,通常采用氣體放電泵浦方式。在放電過程中,通過高速電子與粒子碰撞將粒子激發(fā)到高能態(tài),形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此外,氣體激光器還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦及核泵浦等方式。

1.中性原子氣體激光器

中性原子氣體激光器是利用稀有氣體和金屬蒸氣作為工作物質(zhì)的氣體激光器。典型代表是氦氖(He－Ne)激光器和銅(Cu)蒸氣激光器。

HeNe激光器是繼紅寶石激光器出現(xiàn)后最先(1961年)制成的氣體激光器。圖3-1(a)是內(nèi)腔式He－Ne激光器示意圖,屬四能級(jí)系統(tǒng);圖3-1(b)是能級(jí)圖。Ne是激活粒子,He是輔助氣體,起提高泵浦效率的作用。陽極和陰極通電后,通過毛細(xì)管輝光放電形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在可見和紅外波段可產(chǎn)生多條激光譜線,其中最強(qiáng)的是632.8nm、1.15μm和3.39μm三條譜線,632.8nm譜線應(yīng)用最多。放電管長數(shù)十厘米的HeNe激光器輸出功率為毫瓦量級(jí)(亮度很高,不可用眼睛直視),1~2m時(shí)輸出功率可達(dá)幾十毫瓦至百毫瓦。由于具有光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單、體積不大、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此在準(zhǔn)直、定位、全息照相、醫(yī)學(xué)、精密計(jì)量等方面得到了廣泛應(yīng)用,但近年來逐漸被大功率紅光半導(dǎo)體激光器取代。圖3-1內(nèi)腔式He－Ne激光器

2.分子氣體激光器

利用分子氣體作為工作物質(zhì)的激光器稱為分子氣體激光器。原子構(gòu)成分子,分子能級(jí)由分子的總能量決定,分子的總能量包括四個(gè)部分:電子繞核運(yùn)動(dòng)的能量、分子中原子的振動(dòng)能量、分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量和分子平動(dòng)能量。除平動(dòng)外,前三種運(yùn)動(dòng)能量都是量子化的,電子運(yùn)動(dòng)能量最高,原子振動(dòng)次之,分子轉(zhuǎn)動(dòng)最小。這些能量狀態(tài)綜合起來構(gòu)成分子復(fù)雜的能級(jí)結(jié)構(gòu),分子在相應(yīng)的能級(jí)之間躍遷而獲得激光發(fā)射。

CO2激光器是分子氣體激光器中最重要、結(jié)構(gòu)最多、應(yīng)用最廣泛的激光器,也是四能級(jí)系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是輸出功率大、能量轉(zhuǎn)換效率高(15%~20%),輸出波長(10.6μm)正好處于大氣窗口,因此廣泛應(yīng)用于激光加工和醫(yī)療(光刀),也可用于大氣通信、激光雷達(dá)以及激光武器等方面。

CO2激光器以CO2、N2和He等混合氣體為工作物質(zhì),CO2分子是激活粒子,N2的作用是提高激光上能級(jí)的激勵(lì)效率,He則有助于激光下能級(jí)的抽空。

(1)縱向慢流CO2激光器?？v向慢流CO2激光器的典型結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。氣體從放電管一端流入,由另一端抽走,氣流、電流均與腔軸方向一致。氣體流動(dòng)的目的是排除CO2分子與電子碰撞時(shí)分解出來的CO氣體,并補(bǔ)充新鮮氣體。在最佳輝光放電條件下,激光器輸出功率與放電管長度成比例,通常用每米功率大小作為評(píng)價(jià)參量,目前水平為50~60W/m。圖3-2縱向慢流CO2激光器

(2)封離型CO2激光器?？v向慢流CO2激光器工作時(shí)離不了氣瓶,使用上有些不便。封離型CO2激光器則類似HeNe激光器,充好氣后兩端封死,可以隨意搬動(dòng)。克服CO2氣體分解的辦法是加入少量的H2O或H2氣體作催化劑,促使CO和O重新結(jié)合為CO2分子。器件結(jié)構(gòu)及輸出功率水平與縱向慢流激光器相似,其工作壽命已超過數(shù)千小時(shí)至一萬小時(shí)。

(3)橫向激勵(lì)大氣壓CO2激光器。這種激光器簡稱TEACO2激光器,其中TE表示橫向放電激勵(lì)(與激光輸出方向垂直),A表示大氣壓。由于氣壓高,放電不穩(wěn)定,因此它通常采用脈沖工作方式。器件可以做得很大,也可以做得很小。輸出能量與工作體積成比例,單位體積輸出能量高達(dá)10~50J/L,總能量和峰值功率分別高達(dá)10000J和20TW(1TW=1012W)。小型TEACO2激光器主要用于激光測(cè)距機(jī)。

(4)氣動(dòng)CO2激光器。氣動(dòng)CO2激光器采用熱泵浦方式。CO2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激光上、下能級(jí)均具有較高的粒子數(shù)密度?；旌蠚怏w通過噴管絕熱膨脹時(shí)氣體溫度急劇下降,但由于上能級(jí)壽命較下能級(jí)長,粒子數(shù)密度減少的速率較下能級(jí)慢,于是在膨脹區(qū)的相當(dāng)大的范圍內(nèi)可形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。氣動(dòng)CO2激光器的輸出功率已高達(dá)80kW。CO2分子的振動(dòng)如圖3-3所示。各種CO2激光器分子振動(dòng)能級(jí)如圖3-4所示。CO2激光器主要發(fā)射波長為10.6μm和9.6μm,對(duì)人眼是無害的。圖3-3-CO2分子的振動(dòng)圖3-4分子振動(dòng)能級(jí)圖

3.1.2固體激光器

固體激光器通常是指以均勻摻入少量激活離子的光學(xué)晶體或光學(xué)玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。真正發(fā)光的是激活離子,晶體或玻璃則作為提供一個(gè)合適配位場(chǎng)的基質(zhì)材料,使激活離子的能級(jí)特性產(chǎn)生對(duì)激光運(yùn)轉(zhuǎn)有利的變化。

激活離子按元素周期表中所列可分為三類:

①過渡金屬元素,如鉻、錳、鈷、鎳、釩等;

②稀土元素如釹、鉺、銩、鏑、鈥、鐠等;

③個(gè)別放射性元素,如鈾等。每種激活離子可具有與之相配位的一種或幾種基質(zhì)材料。晶體已有上百種,玻璃有上百種,但真正實(shí)用的基質(zhì)材料只有紅寶石、釔鋁石榴石晶體以及硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、氟化物玻璃等幾種?？傮w來講,最常用且商品化的激光工作物質(zhì)是紅寶石(Cr+3:Al2O3)、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)和釹玻璃等。

1.光泵激勵(lì)

固體激光器普遍采用光激勵(lì)方式,以非相干的氣體放電燈為激勵(lì)光源。通常脈沖激光器采用脈沖氙燈,連續(xù)激光器采用氪弧燈作光泵。放電燈的發(fā)射光譜覆蓋很寬的波長范圍,其中只有與激光工作物質(zhì)吸收波長相匹配的波段的光可有效地用于光激勵(lì),產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。采用非相干激勵(lì)的固體激光器結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。

為了使氣體放電燈發(fā)出的非相干光有效地射入激光工作物質(zhì),聚光裝置是必不可少的,并且通常采用橢圓柱聚光腔。在內(nèi)壁鍍有高反射層的橢圓柱聚光腔中,燈與激光棒分別置于兩個(gè)焦軸上,這樣從燈發(fā)出的光經(jīng)聚光腔反射就會(huì)聚在激光棒上。相互平行的全反射鏡和部分反射鏡(激光輸出鏡)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。

圖3-5固體激光器結(jié)構(gòu)

2.紅寶石激光器與釹激光器

紅寶石激光器是世界上第一臺(tái)可見光激光器。釹激光器包括Nd3+:YAG和釹玻璃激光器,是目前發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最成功的一種激光器。激光器的發(fā)光特性主要由激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。紅寶石是三能級(jí)系統(tǒng),Nd3+:YAG是四能級(jí)系統(tǒng),如圖3-6所示。圖3-6三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)

紅寶石激光器屬三能級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn),閾值泵浦能量高,紅寶石晶體導(dǎo)熱性差,通常只能以脈沖方式工作。由于它輸出可見光,在動(dòng)態(tài)全息、醫(yī)學(xué)等方面仍有應(yīng)用價(jià)值。Q開關(guān)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脈沖的峰值功率可達(dá)吉瓦(GW)級(jí),脈寬可達(dá)10fs。

Nd3+:YAG激光器屬四能級(jí)系統(tǒng),其閾值泵浦能量比紅寶石和釹玻璃激光器小得多,Nd3+:YAG晶體導(dǎo)熱性好,易于散熱,因此不僅可以單次脈沖運(yùn)轉(zhuǎn),還可以高重復(fù)率或連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其最大連續(xù)輸出功率已超過1000W,每秒5000次重復(fù)頻率激光器的輸出峰值功率已達(dá)千瓦以上,每秒幾十次重復(fù)頻率的Q開關(guān)激光器的峰值功率可達(dá)幾百兆瓦。

釹玻璃也是四能級(jí)系統(tǒng),能級(jí)結(jié)構(gòu)與Nd3+:YAG類似,只是泵浦吸收帶稍寬,熒光壽命較長,熒光線寬較寬,易于積累激光上的能級(jí)粒子,又容易制成光學(xué)均勻性能優(yōu)良的大尺寸材料,因此可用于大能量高功率激光器。大能量釹玻璃激光器的輸出能量已達(dá)上萬焦耳。其熒光線寬較寬,適于制成鎖模激光器。釹玻璃鎖模激光器可產(chǎn)生脈寬小于1ps的超短光脈沖。釹玻璃激光器在激光核聚變實(shí)驗(yàn)中已獲得重要應(yīng)用。只是由于釹玻璃導(dǎo)熱率低,振蕩閾值又較Nd3+:YAG高,因此不宜用于連續(xù)和高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2新型激光器

3.2.1二極管泵浦固體激光器傳統(tǒng)的固體激光器是由寬帶弧光燈泵浦的,這些燈發(fā)出的輻射光譜帶很寬。由于激光介質(zhì)僅吸收窄譜帶的光,因此大部分輻射沒有利用上。二極管激光器經(jīng)調(diào)定可在一特定的波長下發(fā)射光,因此二極管泵浦固體激光器對(duì)泵浦光的利用率大大超過了燈泵浦固體激光器。

泵浦效率的改進(jìn)除了使效率以數(shù)量級(jí)提高外,同時(shí)也令激光介質(zhì)的廢熱減少,從而改善了激光器輸出特性,提高了光束質(zhì)量。由于激光介質(zhì)的廢熱減少,因此對(duì)制冷的要求也相應(yīng)降低。但是,由于激光介質(zhì)損耗的存在,二極管泵浦固體激光器也不可避免地存在熱效應(yīng)的問題。低功率的二極管泵浦固體激光器通常僅需一個(gè)導(dǎo)熱面(如鋁、銅)提供適當(dāng)?shù)臒峤粨Q,當(dāng)二極管泵浦固體激光器向高功率發(fā)展時(shí),一般需要在閉環(huán)再循環(huán)制冷系統(tǒng)下工作。

隨著二極管泵浦固體激光器功率的提高,熱管理成為二極管泵浦固體激光器需要關(guān)注的主要問題,為處理廢熱而導(dǎo)致激光器能耗大大增加,因此雖然二極管泵浦固體激光器的光─光效率和電─光效率較高,但其插頭效率不一定高。二極管泵浦固體激光器的優(yōu)點(diǎn)主要有:可定標(biāo)放大到高平均功率,已達(dá)到數(shù)千瓦,具有發(fā)展前途;有較高的光─光效率和電─光效率;可靠性高、壽命長;由于不用閃光燈,需要的維修少;結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、剛性好。

二極管泵浦固體激光器的光束質(zhì)量除與諧振腔、泵浦光和腔模匹配等因素有關(guān)外,最主要的問題就是激光介質(zhì)的選擇及其幾何構(gòu)型和散熱方式。常用于二極管泵浦固體激光器的激光介質(zhì)有Nd3+:YAG晶體和Yb:YAG晶體等。Yb:YAG晶體的泵浦波長為940nm,它具有高光─光效率、寬吸收帶寬(波長匹配易于實(shí)現(xiàn))、低量子缺陷、高斜率效率、較長的上能級(jí)輻射壽命(達(dá)1ms)等優(yōu)點(diǎn)。Yb:YAG晶體的主要缺點(diǎn)是要求泵浦功率密度高,同樣增益下Yb:YAG晶體的泵浦功率比Nd3+:YAG晶體高3倍。

Nd:YV04晶體與Nd3+:YAG晶體相比具有較大的吸收系數(shù)(提高效率)和增益橫截面,在入射泵浦功率固定時(shí)具有較大的腔內(nèi)小信號(hào)環(huán)路增益,降低了Q開關(guān)脈沖的最小可能脈寬。在選擇激光介質(zhì)時(shí),要綜合考慮激光功率、泵浦耦合方式和散熱方式等因素,同時(shí),也要合理設(shè)計(jì)激光介質(zhì)的幾何構(gòu)型。二極管泵浦激光器按照其激光介質(zhì)幾何構(gòu)型的不同分為棒式、板條式、薄片式(圓盤式)和光纖式。

由于棒式和板條式激光器存在比較嚴(yán)重的廢熱問題,為了減小熱效應(yīng),現(xiàn)在二極管泵浦激光器主要采用薄片式激光器和光纖式激光器。

1.棒式和板條式激光器

棒式激光器的優(yōu)點(diǎn)是器件結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定,便于加工,缺點(diǎn)是光束質(zhì)量較差。為了減小熱效應(yīng)帶來的激光器光束質(zhì)量和效率的降低,并且向更高輸出功率和高光束質(zhì)量發(fā)展,1969年W.S.Martin等人提出采用矩形板條式的激光介質(zhì)。1975年G.J.Hulme等提出采用“之”字形板條式激光介質(zhì),進(jìn)一步降低了激光介質(zhì)的熱效應(yīng),改善了二極管泵浦固體激光器的光束質(zhì)量,如圖3-7所示為二極管陣列泵浦“之”字形板條激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

理論上“之”字形板條式激光器的熱效應(yīng)能完全補(bǔ)償,前提是板條泵浦均勻,激光介質(zhì)側(cè)面無限大,溫度梯度為嚴(yán)格垂直于泵浦面的一維分布。但實(shí)際上有限尺寸的板條存在周側(cè)面絕熱不徹底而造成的側(cè)向溫度梯度問題,以及因板條憾面與板條中心應(yīng)力分布不同而導(dǎo)致的熱聚焦等問題。因此板條激光器雖然前景看好,但由于其熱問題難以控制,技術(shù)比較復(fù)雜,所以尚處于研究之中。

圖3-7二極管陣列泵浦“之”字形板條激光器

2.薄片式激光器

當(dāng)激光器的介質(zhì)棒的長度縮短到遠(yuǎn)小于其直徑時(shí),稱為圓盤式激光器或薄片式激光器。薄片式激光器激光晶體的廢熱不是由其圓周排除,而是由薄片表面排除的,因此在激光晶體內(nèi)部建立的溫度場(chǎng)的等溫線垂直于激光晶體的光軸,由溫度場(chǎng)引起的折射率變化實(shí)際上與徑向無關(guān),光束沿光軸傳輸時(shí)幾乎沒有徑向相移,因此薄片式激光器在高輸出功率情況下,也能得到高光束質(zhì)量。由于薄片式激光器的熱透鏡效應(yīng)可忽略,對(duì)同一種構(gòu)型的諧振腔而言,其光束質(zhì)量幾乎與功率大小無關(guān)。

可通過改進(jìn)諧振腔構(gòu)型,在不引入功率或效率損耗的情況下提高系統(tǒng)的光束質(zhì)量,因此薄片式激光器能同時(shí)獲得高光束質(zhì)量和高功率輸出的激光。另外,薄片式激光器可通過增大薄片的泵浦尺寸或采用多薄片折疊腔來實(shí)現(xiàn)功率的定標(biāo)放大,其輸出功率將隨著泵浦尺寸的增大或薄片個(gè)數(shù)的增加而線性放大。薄片式激光器克服了傳統(tǒng)棒式激光器和板條式激光器的缺點(diǎn),較好地解決了固體激光熱效應(yīng)的問題,同時(shí)具有高效率和高光束質(zhì)量。

圖3-8給出了一種適用于高功率二極管泵浦激光器的二極管泵浦薄片激光介質(zhì)結(jié)構(gòu)。薄片式激光晶體的一個(gè)端面固定在熱沉(如銅微通道冷卻器)上,薄片端面和熱沉之間有一鍍有高反膜的熱傳導(dǎo)層,大大降低了薄片式激光介質(zhì)的溫升。薄片式激光介質(zhì)的冷卻端面鍍?nèi)茨?另一端面鍍?cè)鐾改?薄片式激光介質(zhì)與輸出鏡構(gòu)成了激光諧振腔。

圖3-8二極管泵浦薄片結(jié)構(gòu)示意圖

3.泵浦耦合方式

泵浦光導(dǎo)入方式分為光纖導(dǎo)入泵浦和直接泵浦方式。由于存在耦合損耗,光纖導(dǎo)入方式的效率不高,為此,現(xiàn)在致力于研究更簡單易行的直接導(dǎo)入方式。二極管泵浦激光器按照泵浦光和激光束方向的不同排列分為側(cè)泵浦和端泵浦。在側(cè)泵浦中,泵浦光垂直于激光束,熱流也垂直于激光束。如圖3-9所示為棒式激光器的側(cè)泵浦示意圖。圖3-9棒式激光器的側(cè)泵浦

側(cè)泵浦結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了熱透鏡效應(yīng)的產(chǎn)生,因而降低了光束質(zhì)量和效率。但是,側(cè)泵浦方式更易于實(shí)現(xiàn)功率的定標(biāo)放大,因此側(cè)泵浦的最大優(yōu)點(diǎn)是具有較高的輸出功率。側(cè)泵浦和端泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)及熱補(bǔ)償分別如圖3-10和圖3-11所示。圖3-10側(cè)泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)及熱補(bǔ)償圖3-11端泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)及熱補(bǔ)償

4.冷卻系統(tǒng)

為了保證高功率二極管泵浦激光器的正常運(yùn)行并獲超好的光束質(zhì)量,必須對(duì)激光介質(zhì)進(jìn)行制冷。制冷方式有多種,其中水冷方式是最常用的制冷方式之一,采用循環(huán)冷卻水帶走激光晶體產(chǎn)生的廢熱,保持激光晶體的正常工作溫度。美國利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室、TRW和SDL等公司研制了基于湍流原理的沖擊式冷卻器和基于層流原理的硅微通道冷卻器,因?yàn)殂~的導(dǎo)熱性比硅的好,冷卻效率較高。

另外,銅微通道冷卻器較硅微通道冷卻器而言,具有工藝相對(duì)簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn),因此銅微通道冷卻器應(yīng)用于高功率二極管泵浦激光器的前景較好。在激光系統(tǒng)中,將激光晶體板條安裝在氣動(dòng)葉片上,堆疊葉片元件,在葉片之間形成冷卻通道。利用近聲速的氮?dú)饬魍ㄟ^氣動(dòng)葉片的冷卻通道,去除激光晶體板條上產(chǎn)生的廢熱。

3.2.2飛秒鈦寶石激光器的工作原理

飛秒(10-15s)激光技術(shù)是人類目前在實(shí)驗(yàn)室條件下所能獲得超短脈沖的技術(shù)手段。其在瞬間發(fā)出的功率比全世界發(fā)電總功率還大。這是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光,使人們獲得了飛秒級(jí)的時(shí)間分辨率。飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過程。典型的飛秒激光器的主要結(jié)構(gòu)包括泵浦源、增益介質(zhì)和光諧振腔三個(gè)組成部分,如圖3-12所示。由泵浦源所發(fā)射的泵浦激光入射到鈦寶石晶體上,產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子;平面鏡M1和半透鏡OC構(gòu)成諧振腔,腔內(nèi)兩個(gè)曲率半徑相同的凹面鏡M2、M3起到聚焦的作用;此外,在激光腔內(nèi)還要有專門的色散補(bǔ)償裝置———切成布儒斯特角的棱鏡組P1、P2。圖3-12飛秒鈦寶石激光振蕩器

1.摻鈦藍(lán)寶石晶體的特性

Ti3+:S晶體是摻鈦的Al2O3單晶,其空間結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。它屬六角晶系,空間群及物理化學(xué)性質(zhì)與紅寶石相似,穩(wěn)定性好,熱導(dǎo)率約為Nd:YAG的3-倍,熔點(diǎn)高(2050℃),硬度大(9級(jí)),折射率為1.76。在晶體結(jié)構(gòu)中,Ti3+離子在Al2O3-置換具有三角對(duì)稱的C位上的Al3+離子,置于一個(gè)正八面體的中心,Ti3+離子受到周圍六個(gè)O2-離子形成的立方場(chǎng)的作用。圖3-13-鈦寶石晶體結(jié)構(gòu)

Ti離子電子能級(jí)與周圍藍(lán)寶石晶格的振動(dòng)能級(jí)間的耦合使激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂成E1/2和E3/2兩個(gè)能級(jí),基態(tài)能級(jí)分裂成2E1/2、1E1/2及E3/2三個(gè)能級(jí),如圖3-14所示。這些振動(dòng)能級(jí)間的能量間隔很小,因此,大量的振動(dòng)能級(jí)構(gòu)成了準(zhǔn)連續(xù)的能帶,使得基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級(jí)分布范圍很寬,如圖3-15所示。因此,Ti的吸收躍遷譜帶都很寬,分布較寬的基態(tài)能級(jí)是Ti:S激光器可調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。圖3-14摻鈦藍(lán)寶石晶體中Ti離子的能級(jí)圖圖3-15摻鈦藍(lán)寶石晶體的能級(jí)躍遷圖

Ti:S晶體的藍(lán)綠吸收帶對(duì)于不同偏振具有不同吸收截面,π表示的電矢量與晶體的光軸(C軸)平行,Σ表示光的電矢量與C軸垂直,晶體對(duì)π偏振光吸收要大得多,為使Ti:S晶體對(duì)泵浦光有最大的吸收,應(yīng)使泵浦光的波矢k垂直于C軸,讓電矢量E平行于C軸。圖3-16表示Ti:S晶體吸收譜范圍為430~580nm,峰值為490nm,所以用藍(lán)綠波段的光。圖3-16鈦寶石晶體的吸收光譜

圖3-17是其室溫下熒光譜,峰值波長約為745nm,熒光譜有很強(qiáng)的偏振特性,π偏振光強(qiáng)度大于Σ偏振光。根據(jù)熒光強(qiáng)度與增益系數(shù)的關(guān)系,可以得到相應(yīng)的增益曲線。增益峰值波長在795nm附近,增益波長范圍為650~1200nm,帶寬約為122nm,這是所有激光增益介質(zhì)中最寬的。由于這種寬的熒光光譜,使它構(gòu)成的鎖模激光器具有極窄的脈寬。

圖3-17鈦寶石晶體的熒光光譜

2.自鎖模原理

獲得超短脈沖的主要方法就是運(yùn)用調(diào)Q或鎖模技術(shù)。在飛秒量級(jí)的激光技術(shù)中,獲得超短脈沖的主要方法是鎖模技術(shù)。鎖模激光器脈寬可達(dá)10-11~10-14s,相應(yīng)地具有很高的峰值功率。這部分內(nèi)容詳見5.3節(jié)。從時(shí)域角度看,任何帶有被動(dòng)性質(zhì)的鎖模激光器,腔內(nèi)都存在這樣的元件,它們首先從噪聲中選取強(qiáng)度較大的脈沖作為脈沖序列的種子,然后利用其鎖模器件的非線性效應(yīng)使脈沖的前后沿的增益小于1,而使脈沖中間的增益大于1,脈沖在腔內(nèi)往返過程中,不斷被整形放大,脈沖寬度被壓縮,直到穩(wěn)定鎖模。摻鈦藍(lán)寶石激光器自鎖模屬于被動(dòng)鎖模。

在摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中,摻鈦藍(lán)寶石介質(zhì)折射率的非線性效應(yīng)可表示為

式中,n0為與光強(qiáng)無關(guān)的折射率,n2為非線性折射率,I(t)為脈沖的光強(qiáng)。由于光強(qiáng)的高斯分布,當(dāng)其通過介質(zhì)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生自聚焦效應(yīng)。取介質(zhì)的某一小段ΔL,則自聚焦效應(yīng)的焦距為

式中:ωm

為入射到該介質(zhì)的光斑大小;α為一常量,大約為5.6~6.7;Δnm

為入射光軸線上折射率的變化,

式中,Im(t)為入射到ΔL介質(zhì)上光束近軸的光強(qiáng)。從脈沖包絡(luò)的時(shí)域上看,脈沖前后沿的光強(qiáng)小于脈沖中間的光強(qiáng)。

由于增益的存在,脈沖在腔內(nèi)循環(huán)時(shí),強(qiáng)度小的脈沖不斷被抑制而消失,強(qiáng)度大的脈沖不斷增強(qiáng),而且使其前后沿不斷損耗,脈沖中間部分被放大,脈沖寬度被壓縮。當(dāng)光脈沖通過摻鈦藍(lán)寶石晶體時(shí),又引起了很大的二階正群速色散(GVD)和三階色散。在這一階段中,增益介質(zhì)的自振幅調(diào)制和增益放大仍起主要作用,只是由于脈沖功率增大,不可避免地要產(chǎn)生自相位調(diào)制和很大的正群速色散,不利于進(jìn)一步壓縮脈沖,而要用合適的負(fù)色散去補(bǔ)償,才可以得到最短的脈沖寬度。

3.群速色散及色散補(bǔ)償

光在真空中的傳播速度約為300000km/s,在一束超短光脈沖的波包中含有許多不同波長(不同頻率)的光子。它們?cè)谝粋€(gè)波包中同步傳播。如果這束波包在一個(gè)折射率與波長有關(guān)的介質(zhì)中傳播,則其傳播速度為

群速色散的作用可使光脈沖展寬,也可使光脈沖壓縮。由于超短脈沖具有寬的光譜帶寬,存在群速色散時(shí),將使光脈沖在時(shí)間域內(nèi)產(chǎn)生頻率啁啾。對(duì)觀察者而言,頻率隨時(shí)間的增加而升高,稱為正啁啾;頻率隨時(shí)間的增加而降低,稱為負(fù)啁啾。在超短脈沖的產(chǎn)生、放大與壓縮技術(shù)中最常用的群速色散補(bǔ)償器有棱鏡組補(bǔ)償器、光柵對(duì)補(bǔ)償器、多層介質(zhì)膜補(bǔ)償器等。

4.飛秒激光放大

在某些激光應(yīng)用中,往往要求激光具有很高的能量(或功率),如激光核聚變至少需要高達(dá)上萬焦耳的能量,激光雷達(dá)需要大功率的調(diào)制激光等。但欲獲得高能激光,僅靠激光(振蕩)器來獲取一般是很困難的,這是因?yàn)樘岣呒す馄鞯妮敵龉β?能量)和其他指標(biāo)(如光束發(fā)散角、單色性、脈寬、調(diào)制性能等)要求是相矛盾的。故要保持激光束優(yōu)良的特性,又要獲得具有高功率的激光,就要在原有的振蕩器激光的基礎(chǔ)上運(yùn)用激光放大器。

激光放大器按其放大脈沖信號(hào)寬度的不同,可以分為長脈沖激光放大器(也稱連續(xù)激光放大器)、脈沖激光放大器和超短脈沖激光放大器三種。在超短脈沖(即脈沖寬度τ<10-10s)的激光放大情況下,為避免畸變和元件的損傷而限制輸出能量,飛秒脈沖放大常采取特殊的方法———啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)。此內(nèi)容超出本書范圍,這里不再介紹,可參看相關(guān)書籍。

3.2.3-光纖激光器

光纖激光器就是利用光纖制作的激光器。用于光纖激光器和光纖放大器的光纖多為單包層光纖,普通的摻稀土單模光纖的纖芯只有數(shù)微米,抽運(yùn)光很難有效耦合到光纖纖芯中。因此,光纖激光器通常被認(rèn)為是一種低功率的光子器件。近年來隨著新型雙包層光纖的出現(xiàn)和包層抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展,光纖激光器的功率輸出呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長。最近,單模光纖激光器的激光輸出功率已達(dá)到千瓦量級(jí)以上。目前,研究較多的光纖激光器主要為摻稀土光纖激光器。摻稀土光纖激光器所使用的光纖基質(zhì)材料主要有石英玻璃和多組分玻璃兩大類,而多組分玻璃又包括氟化物玻璃、磷酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃以及混合系統(tǒng)玻璃等。

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

最簡單的光纖是由折射率略低于纖芯的包層包裹著纖芯組成的。如圖3-18所示,這種光纖通常稱為階躍折射率光纖,纖芯和包層的折射率分別記做n1和n2。描述光纖特性的兩個(gè)參量是纖芯、包層相對(duì)折射率差Δ以及歸一化頻率ν,它們的計(jì)算公式為

式中,k0=2π/λ;a為纖芯半徑;λ為光波波長。圖3-18階躍折射率光纖的橫截面和折射率分布示意圖

1)雙包層光纖

在光纖通信中廣泛應(yīng)用的單模光纖只有一個(gè)纖芯和一個(gè)包層。常規(guī)的光纖激光器采用普通的單模光纖做增益介質(zhì),耦合效率極低,很難得到高功率。包層抽運(yùn)技術(shù)的出現(xiàn),極大提高了抽運(yùn)光的耦合效率,使光纖激光器擺脫了低功率、低應(yīng)用價(jià)值的困境,推動(dòng)了高功率光纖激光器的發(fā)展。包層抽運(yùn)技術(shù)是通過雙包層光纖來實(shí)現(xiàn)的,雙包層光纖的結(jié)構(gòu)如圖3-19所示,它由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層組成,折射率從纖心到外包層依次減小。圖3-19雙包層光纖結(jié)構(gòu)、折射率分布和傳光原理示意圖

2)雙包層光纖中的摻雜稀土離子

作為雙包層光纖激光器的增益介質(zhì),雙包層光纖纖芯中摻雜的稀土元素離子的類型和濃度決定了光纖激光器輸出激光的特性。所謂稀土元素,即在元素周期表中位于第5行第3列的元素,也稱鑭系元素。它們?cè)趽诫s于石英或其他玻璃材料中時(shí),通常形成正三價(jià)的離子,如鉺(Er)、釹(Nd3+)、銩(Tm3+)、鈥(Ho3+)、鐿(Yb3+)等。不同的摻雜稀土離子決定了光纖激光器輸出激光的波長。

鐿離子(Yb3+)具有無激發(fā)態(tài)吸收、無濃度淬滅的優(yōu)點(diǎn),并且具有很高的吸收截面、較寬的吸收光譜(800~1100nm)以及較寬的發(fā)射光譜(975~1200nm),這都是由Yb3+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定的。Yb3+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)較簡單,僅由基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2兩個(gè)能級(jí)族組成,如圖3-20所示。圖3-20Yb3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖

由于Yb3+具有這種簡單的能級(jí)結(jié)構(gòu),使得在泵浦波長處和信號(hào)波長處均不存在激發(fā)態(tài)吸收。激發(fā)態(tài)吸收是上能級(jí)離子吸收泵浦光子向更高能級(jí)躍遷的一種物理過程,是一種能量的無效消耗,不利于激光的產(chǎn)生和放大。

量上轉(zhuǎn)換過程以及由多光子非輻射弛豫導(dǎo)致的濃度淬滅。Yb3+離子摻雜到石英玻璃光纖中時(shí),由于基質(zhì)材料中電場(chǎng)分布不均勻,其能級(jí)由于斯塔克效應(yīng)發(fā)生分裂,能級(jí)結(jié)構(gòu)見圖3-21,基態(tài)能級(jí)有4個(gè)斯塔克分裂,即圖3-21中的a、b、c(包括兩個(gè)子能級(jí))能級(jí)。與激光躍遷有關(guān)的激發(fā)態(tài)能級(jí)有三個(gè)斯塔克分裂,即圖3-21中的d、e、f能級(jí),其中斯塔克能級(jí)d和e分別對(duì)應(yīng)于975nm和915nm吸收峰。圖3-21石英玻璃基質(zhì)中Yb3+離子的能級(jí)躍遷機(jī)制

室溫下并非所有Yb3+的斯塔克能級(jí)都參與躍遷,從斯塔克能級(jí)d到能級(jí)2F7,可發(fā)生兩種不同類型的激光躍遷:一種為三能級(jí)躍遷(從d到a的三能級(jí)躍遷,對(duì)應(yīng)于短波長區(qū)域,即發(fā)射波長為975nm區(qū)域;另一種為準(zhǔn)四能級(jí)躍遷(從e到b、c躍遷),發(fā)射波長范圍為1010~1200nm。圖3-21給出了石英玻璃基質(zhì)中Yb3+離子的能級(jí)躍遷機(jī)制。

Yb3+離子的吸收截面和發(fā)射截面直接影響著摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器的輸出光譜特性。圖3-22給出了石英玻璃基質(zhì)中Yb3+離子的吸收截面和發(fā)射截面譜線。離子有兩個(gè)吸收峰,分別對(duì)應(yīng)于波長915nm和975nm。其中,915nm處的吸收峰對(duì)應(yīng)的吸收截面相對(duì)較小,但其譜線較寬(約50nm),利用吸收譜寬的特性,Yb3+離子可以作為激光激活離子,與其他稀土元素離子(如Er3+、Ho3+等)共摻,作為中間介質(zhì)吸收能量并傳輸給其他摻雜離子,在此過程中Yb3+離子不直接發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生激光,僅作為一個(gè)能量傳遞工具。975nm處的吸收峰對(duì)應(yīng)的譜寬相對(duì)較窄(約8nm),但其吸收截面很大,約為915nm處譜寬的4倍。圖3-22石英基質(zhì)中鐿離子的吸收(實(shí)線)截面和發(fā)射(虛線)截面

從圖3-22中還可以看出,Yb3+離子在975nm和1030nm處有兩個(gè)發(fā)射峰,其中,短波長躍遷對(duì)應(yīng)于三能級(jí)系統(tǒng),長波長躍遷對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)四能級(jí)系統(tǒng)。研究測(cè)量表明,Yb3+離子的吸收截面和發(fā)射截面依賴于基質(zhì)材料的組分,當(dāng)改變光纖中各組分大小時(shí),發(fā)射譜在990~1020nm范圍有明顯的變化,與圖3-22所示譜線的偏移達(dá)30%左右;同時(shí),由于存在不均勻展寬,發(fā)射光譜也會(huì)隨泵浦光波長的改變而改變。

光纖激光器和其他激光器一