1-3-激光器的基本組成及典型激光器介紹

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1-3典型激光器簡介16八月2024一、激光器的基本組成（Essentialelementsofalaser)?激光工作物質(zhì)Alasermedium（核心部分）?泵浦系統(tǒng)Apumpingprocess（光能、電能、原子能、化學(xué)能）?光學(xué)諧振腔Asuitableopticalfeedbackelements

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1-3典型激光器簡介?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)。?二能級系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)????亞穩(wěn)能級：需要一個(gè)可以有較長壽命且能貯存大量粒子的能級，經(jīng)過不斷激發(fā)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)，這樣的能級稱為“亞穩(wěn)能級”。?可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的系統(tǒng)可歸結(jié)為三能級系統(tǒng)和四能級系統(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。

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1-3典型激光器簡介粒子數(shù)的正常分布？處于低能級上的粒子數(shù)在熱平衡情況下總是多于高能級上的粒子數(shù)，受激吸收占優(yōu)勢。粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布？高能級上的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？把大量的粒子從低能級“搬運(yùn)”到高能級的過程，稱為泵浦或激勵(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(Apumpingprocessisrequiredtoexciteatomsinthelasermediumintotheirhigherquantum-mechanicalenergylevels.)2、泵浦系統(tǒng)—粒子搬遷的動力

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1-3典型激光器簡介?激勵(lì)不僅要快，還有強(qiáng)有力；?激勵(lì)作用是通過消耗一定的能量來實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生受激輻射所需要的最小激勵(lì)能量稱為激光器的閾值（threshold）；?激勵(lì)方式（Practicallasermaterialscanbepumpedinmanyways.）：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)，簡稱光激勵(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。

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1-3典型激光器簡介光激勵(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、太陽能和激光；放電激勵(lì)---在放電過程中，氣體分子（或原子，離子）與被電場加速的電子碰撞，吸收電子能量后躍遷到高能級，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上氣體粒子數(shù)增加，然后突然降低氣體溫度，因高、低能級的熱馳豫時(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)過程中釋放的能量來激勵(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激勵(lì)工作物質(zhì)，也可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

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1-3典型激光器簡介諧振腔的作用：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；對輸出的模式、功率、光束發(fā)散角等均有很大影響。

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1-3典型激光器簡介工作物質(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(CWorcontinuouswavelasers)和脈沖工作(Pulsedlasers)；激光技術(shù)---調(diào)Q激光器(Q-switchedlasers)、鎖模激光器(Modelockedlasers)、倍頻激光器(Frequencydoublinglasers)、可調(diào)諧激光器(Tunablelasers)、單模和多模激光器(Single-modeandMulti-modelasers)等。二、激光器的分類

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1-3典型激光器簡介(1)氣體激光器:以氣體或金屬蒸氣為發(fā)光粒子

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1-3典型激光器簡介?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。是目前種類最多、激勵(lì)方式最多樣化、激光波長分布區(qū)域最寬、應(yīng)用最廣泛的一類激光器。

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1-3典型激光器簡介?氦一氖氣體激光器：原子激光器類，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），輸出功率和波長能控制得很穩(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-neongaslaser)

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1-3典型激光器簡介?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是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率;?最強(qiáng)的譜線有三條：0.6328

m（紅色）、3.39

m和1.15

m，常用的為0.6328

m?四能級系統(tǒng).

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1-3典型激光器簡介（2）固體激光器(Solid-statelasers)?激光介質(zhì):由摻雜于固體基質(zhì)中的金屬離子（也稱激活離子）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：過渡族金屬離子、三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土金屬離子、錒系離子，覆蓋的波長275~3022nm。

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1-3典型激光器簡介基質(zhì)材料分為玻璃和晶體兩大類。?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+ionsinyttriumaluminumgarnet)、釹玻璃激光器(Neodymium-glasslaser);?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)、國防、醫(yī)療、科研等方面。

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1-3典型激光器簡介?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。

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1-3典型激光器簡介一般固體激光器：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(ContinuousWave)和脈沖(PulsedWave)兩種工作方式；

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1-3典型激光器簡介紅寶石激光器(RubyLaser)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是大量能級組成的能帶。光放大在E2和E1間產(chǎn)生，波長為694.3nm。三能級系統(tǒng)。激光n1>>n2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n2>n1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光放大器光強(qiáng)繼續(xù)增加到某一閾值滿足振蕩條件

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1-3典型激光器簡介半導(dǎo)體激光器

(Semiconductorlaserorlaserdiode)?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而形成的，稱為載流子。）?具有小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、激光唱片、光盤、數(shù)顯、準(zhǔn)直等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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1-3典型激光器簡介液體激光器?有機(jī)化合物液體（染料）激光器（簡稱染料激光器）和無機(jī)化合物液體激光器（簡稱無機(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)變化過程及微觀動力學(xué)。

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1-3典型激光器簡介染料激光器(Dyelasers)一種波長連續(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，也是能波長連續(xù)可調(diào)的原因。可采用光柵、棱鏡、法布里一珀羅干涉儀、雙折射濾光片等調(diào)諧元件；主要采用光泵浦，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變化，Nd:YAG激光器泵浦時(shí)，調(diào)諧范圍最大，達(dá)300~1400nm；對比：固體可調(diào)諧激光器：摻鈦藍(lán)寶石激光器。

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1-3典型激光器簡介其它激光器光纖激光器化學(xué)激光器氣動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

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1-3典型激光器簡介光纖激光器(Fiberlasers)?屬于固體激光器。?光纖的典型結(jié)構(gòu)為多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層。(core,claddingandcoating)

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50

m，包層直徑125

m。?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4~10

m范圍，包層直徑125

m。

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1-3典型激光器簡介?一般將稀土元素離子摻雜在纖芯中。主要通過其它激光器激勵(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。同期美國麻省寶麗來公司研究發(fā)展了包層泵浦方式，解決了這一難題。

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1-3典型激光器簡介?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