激光原理與應用講_第五章

1、激光原理與應用激光原理與應用本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 1. 固固 體體 激激 光光 器器2. 氣氣 體體 激激 光光 器器3. 染染 料料 激激 光光 器器4. 半半 導導 體體 機機 光光 器器5. 其其 他他 激激 光光 器器5.1.1 5.1.1 固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)1.固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構成的。圖5-1是長脈沖固體激光器的基本結構示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。 圖5-1 固體激光器的基本結構示意圖固體激光器的特點：固體激光器的特點：輸出能量大（可達數(shù)萬焦耳），峰值功率高（連續(xù)功率可達數(shù)千瓦，脈沖

2、峰值功率可達幾十太瓦），結構緊湊牢固。 5.1.1 5.1.1 固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)2.紅寶石激光器紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體,它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3)，如圖5-2所示。圖(5-2) 紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石激光器屬于典型的三能級系統(tǒng)，如圖5-3所示。紅寶石激光器熒光譜線為R1線（694.3nm）和R2（692.9nm）線，由于R1線的輻射強度比R2大，在振蕩過程中總占優(yōu)勢，所以紅寶石激光器的激光輸出為694.3nm。圖(5-3) 紅寶石中鉻離子的能級結構5.1.1 5.1.1

3、固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)3.摻釹釔鋁石榴石(Nd3：YAG) 工作物質(zhì)：將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進行熔化結晶而成的，呈淡紫色；它的激活粒子是釹離子(Nd3)，吸收光譜如圖(5-4)所示。圖(5-4) Nd3:YAG 晶體的吸收光譜YAG中Nd3與激光產(chǎn)生有關的能級結構如圖(5-5)所示，屬于四能級系統(tǒng)。 YAG 激光器的兩條熒光譜線中心波長分別為1.35m和1.06 m ， 后者強度約為前者的 4倍，因此激光輸出為1.064 m 。 圖(5-5) Nd3:YAG 的能級結構5.1.4 5.1.4 新型固體激光器新型固體激光器1

4、. 半導體激光器泵浦的固體激光器 圖(5-7) 半導體激光器泵浦固體激光器的結構示意圖半導體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比主要優(yōu)點包括：能量轉(zhuǎn)換效率高、產(chǎn)生的無功熱量小、壽命長、結構簡單、使用方便等。 半導體激光器泵浦固體激光器的結構，有如圖(5-7) 所示。 調(diào)諧波長：調(diào)諧波長：700-900nm700-900nm5.1.4 5.1.4 新型固體激光器新型固體激光器2. 可調(diào)諧固體激光器 實現(xiàn)激光器調(diào)諧基本要素：工作物質(zhì)能夠提供較寬的連續(xù)或準連續(xù)熒光光譜帶，在諧振腔內(nèi)插入適當?shù)恼{(diào)諧器件。 可調(diào)諧固體激光器主要有兩類，一類是色心激光器，一類是用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可

5、調(diào)諧激光器。 5.1.4 5.1.4 新型固體激光器新型固體激光器3. 高功率固體激光器 高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種連續(xù)、準連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應用和激光加工應用所追求的目標。 從二十世紀七十年代起開始研制的板條形固體激光器，就是針對克服工作物質(zhì)中的熱分布及其引起的一系列如折射率分布、應力雙折射等固有矛盾而提出的一種結構方案，其結構如圖(5-8)所示。 圖(5-8) 板條形固體激光器結構示意圖小結：小結：固體激光器的特點：輸出能量大，峰值功率高，結構緊湊牢固。固體激光器的特點：輸出能量大，峰值功率高，結構緊湊牢固。紅寶石激光器輸出的典型波長：紅寶石激光

6、器輸出的典型波長：694.3nm。YAG激光器激光器輸出的典型波長：輸出的典型波長：1064nm。5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器1. He-Ne激光器的結構圖(5-9) He-Ne激光器的基本結構形式 He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如圖(5-9)所示。 氣體激光器的特點是：氣體激光器的特點是：輸出光束的質(zhì)量好（包括：單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性）。 亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài) 電子碰撞電子碰撞 碰撞轉(zhuǎn)移碰撞轉(zhuǎn)移 亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)圖(5-10) 與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖2. He-Ne激光器的激發(fā)機理 其激光譜線主要有三條 :

7、3S2P 632.8nm2S2P 1.15m3S3P 3.39m 5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器圖(5-10 ) 是與產(chǎn)生激光有關的He原子核Ne原子的部分能級圖，Ne原子的激光上能級是3S和2S能級，激光下能級是3P和2P能級。 其他譜線還包括黃光和橙光。 He-Ne 激光管的工作原理激光管的工作原理 由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級)的概率比 Ne 原子被激發(fā)的概率大。 He 的23S，21S這兩個能級都是亞穩(wěn)態(tài)，集聚了較多的原子。由于Ne的 5S 和 4S與 He的 21S和 23S的能量幾乎相等，當兩種原子相碰時非常容易產(chǎn)

8、生能量的“共振轉(zhuǎn)移”；He 把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而 Ne則被激發(fā)到 5S 或 4S態(tài)。 正好Ne的5S，4S也是亞穩(wěn)態(tài)，下能級 4P，3P 的壽命比上能級5S，4S要短得多，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。要產(chǎn)生激光，除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設法減少下能級的粒要產(chǎn)生激光，除了增加上能級的粒子數(shù)外，還要設法減少下能級的粒子數(shù)子數(shù) 放電管做得比較細（毛細管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3 S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無輻射躍遷”而回到基態(tài)。 這樣可及時減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于Ne原子的下能級4P與3P態(tài)的“抽空”。 Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標明了最強

9、的三條:0.6328 1.15 m3.39 它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、 非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3. He-Ne激光器的輸出特性 (1) 譜線競爭: He-Ne激光器三條強的激光譜線(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器圖(5-x) 多層介質(zhì)膜反射鏡(2) 輸出功率特性 : He-Ne激光器的放電電流對輸出功率影響很大。圖(5-11)是實驗測得的輸出功率與放電電流的關系曲線 ：圖(5-11) 輸出功率與放電電流的關系曲線在最佳充氣條件下，

10、使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流 ；存在最佳混合比和最佳充氣總壓強 ，即存在最佳充氣條件；若放電毛細管的直徑為d， 充氣壓強為p， 則存在一個使輸出功率最大的最佳pd值；在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細管直徑d成反比。1. CO2激光器的結構和激發(fā)過程 圖(5-12) 封離式CO2激光器結構示意圖5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器圖(5-12)是一種典型的結構示意圖。構成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關的CO2分子能級圖如圖(5-13)所示。 圖(5-13) 與產(chǎn)

11、生激光有關的CO2分子能級圖2. CO2激光器的輸出特性 相應于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2 激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關。 CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高，最高接近40。其激光譜線主要有兩條 :00010200 9.6 m00011000 10.6m5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器5.2.3 Ar5.2.3 Ar+ +離子激光器離子激光器1. Ar激光器的結構 Ar激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。如圖(5-14)所示為石墨放電管的分段結構 。 圖(5-14) 分段石墨結構Ar+激光器示

12、意圖5.2.3 Ar5.2.3 Ar+ +離子激光器離子激光器2. Ar激光器的激發(fā)機理 Ar激光器與激光輻射有關的能級結構如圖(5-15)所示 圖(5-15) 與產(chǎn)生激光有關的Ar+的能級結構Ar激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對應每條譜線都有一個閾值電流： 波長 閾值電流488.0nm 4.5A514.5nm 7A476.5nm 8A496.5nm 9A501.7nm 12A472.7nm 14AAr激光器中通常需要加入選頻元件來實現(xiàn)單一頻率輸出小結：小結：氣體激光器的特點是：輸出光束的質(zhì)量好。氣體激光器的特點是：輸出光束的質(zhì)量好。He-Ne激光器輸出的典型波長：激光器輸出的典型波長：632.

13、8nm。CO2激光器激光器輸出的典型波長：輸出的典型波長：9.6 m 和和10.6m。Ar+激光器激光器輸出的典型波長：輸出的典型波長：488nm，514.5nm。5.3.1 5.3.1 染料激光器的激發(fā)機理染料激光器的激發(fā)機理染料分子能級圖是如圖(5-17)所示的準連續(xù)態(tài)能級結構。 需要避免 三重態(tài)“陷阱”效應圖(5-17) 染料分子能級圖圖(5-18) 染料的吸收-熒光光譜圖染料激光器的特點是：染料激光器的特點是：波長調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。 5.3.2 5.3.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦1.閃光燈脈沖泵浦 2.激光脈沖泵浦 能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，

14、主要有氮分子激光器，紅寶石激光器，釹玻璃激光器，銅蒸氣激光器，準分子激光器，以及這些激光的二次、三次諧波等。 圖(5-19)是目前經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器結構示意圖。 圖(5-19) 三鏡腔式染料激光器5.3.3 5.3.3 染料激光器的調(diào)諧染料激光器的調(diào)諧1. 光柵調(diào)諧 圖(5-20)是一種光柵-反射鏡調(diào)諧腔，光柵G具有擴束和色散作用。 圖(5-20) 光柵-反射鏡調(diào)諧腔圖(5-21) 棱鏡調(diào)諧腔5.3.3 5.3.3 染料激光器的調(diào)諧染料激光器的調(diào)諧2. 棱鏡調(diào)諧 圖(5-21)是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，棱鏡是一種色散元件。 5.3.3 5.3.3 染料激光器的調(diào)諧染料激光

15、器的調(diào)諧3. 雙折射濾光片調(diào)諧 利用雙折射濾光片調(diào)諧，是目前染料激光器廣泛采用的調(diào)諧方法，國內(nèi)外的Ar激光、YAG倍頻激光泵浦的染料激光器，都使用這種方法調(diào)諧。圖(522)給出的典型染料激光器就是利用雙折射濾光片進行調(diào)諧的。 圖(5-22) 典型染料激光器原理示意圖小結：小結：染料激光器的特點是：波長調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。染料激光器的特點是：波長調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。 5.4.1 5.4.1 半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1. 純凈(本征)半導體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個

16、完全沒有電子的導帶組成，如圖(5-24)。 圖(5-24) 本征半導體的能帶半導體激光器的特點是：半導體激光器的特點是：結構簡單、體積小、效率高、價格便宜。 5.4.1 5.4.1 半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件3. 雜質(zhì)半導體中費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關系,圖(5-25)給出了溫度極低時的情況。 圖(5-25) 費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關系2.熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為 1( )1FnE EkTfEe5.4.2 PN5.4.2 PN結和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)結和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)未加電場時，電子和空穴的擴散與漂移作用使得的費米能級達到同一水平，如圖(5-26)。 圖(5-26) PN能帶在P-N結上加以正向電壓V時，形成結區(qū)的兩個費米能級 和 ，稱為準費米能級，如圖(5-27)。 FEFE圖(5-27) 正向電壓V時形成的雙簡并能帶結構圖(5-28) GaAs激光器的結構5.4.3 5.4.3 半導體激光器的基本結構和光束特點半導體激光器的基本結構和光束特點圖(5-28)顯示了G