激光原理與應(yīng)用講第五章

激光原理與應(yīng)用講第五章第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日本章主要內(nèi)容：

1.固體激光器2.氣體激光器3.染料激光器4.半導(dǎo)體機(jī)光器5.其他激光器第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)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(gòu)成的。圖5-1是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖固體激光器的特點(diǎn)：輸出能量大（可達(dá)數(shù)萬焦耳），峰值功率高（連續(xù)功率可達(dá)數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達(dá)幾十太瓦），結(jié)構(gòu)緊湊牢固。

第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日紅寶石激光器屬于典型的三能級(jí)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(qiáng)度比R2大，在振蕩過程中總占優(yōu)勢(shì)，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(jí)結(jié)構(gòu)第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)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(jìn)行熔化結(jié)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晶體的吸收光譜第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5-5)所示，屬于四能級(jí)系統(tǒng)。

YAG激光器的兩條熒光譜線中心波長(zhǎng)分別為1.35μm和1.06μm，后者強(qiáng)度約為前者的4倍，因此激光輸出為1.064μm。

圖(5-5)Nd3＋:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.1.4新型固體激光器1.半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器

圖(5-7)半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)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(diǎn)包括：能量轉(zhuǎn)換效率高、產(chǎn)生的無功熱量小、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等。

半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)，有如圖(5-7)所示。

第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日調(diào)諧波長(zhǎng)：700-900nm5.1.4新型固體激光器2.可調(diào)諧固體激光器

實(shí)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(zhǔn)連續(xù)熒光光譜帶，在諧振腔內(nèi)插入適當(dāng)?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調(diào)諧激光器。

第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.1.4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(zhǔn)連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應(yīng)用和激光加工應(yīng)用所追求的目標(biāo)。

從二十世紀(jì)七十年代起開始研制的板條形固體激光器，就是針對(duì)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(yīng)力雙折射等固有矛盾而提出的一種結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)如圖(5-8)所示。

圖(5-8)板條形固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日小結(jié)：固體激光器的特點(diǎn)：輸出能量大，峰值功率高，結(jié)構(gòu)緊湊牢固。紅寶石激光器輸出的典型波長(zhǎng)：694.3nm。YAG激光器輸出的典型波長(zhǎng)：1064nm。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)圖(5-9)He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)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(diǎn)是：輸出光束的質(zhì)量好（包括：?jiǎn)紊浴⑾喔尚?、光束方向和穩(wěn)定性）。

第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D(5-10)與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖2.He-Ne激光器的激發(fā)機(jī)理

其激光譜線主要有三條:3S2P632.8nm2S2P1.15m3S3P3.39m

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器圖(5-10)

是與產(chǎn)生激光有關(guān)的He原子核Ne原子的部分能級(jí)圖，Ne原子的激光上能級(jí)是3S和2S能級(jí)，激光下能級(jí)是3P和2P能級(jí)。

其他譜線還包括黃光和橙光。

第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日3.He-Ne激光器的輸出特性

(1)譜線競(jìng)爭(zhēng):

He-Ne激光器三條強(qiáng)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(zhǎng)選擇。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器圖(5-x)多層介質(zhì)膜反射鏡第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日(2)輸出功率特性:

He-Ne激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。圖(5-11)是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線：圖(5-11)輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線在最佳充氣條件下，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(qiáng)

，即存在最佳充氣條件；若放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強(qiáng)為p，

則存在一個(gè)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(xì)管直徑d成反比。第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程

圖(5-12)封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖5.2.2二氧化碳激光器圖(5-12)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。

第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖如圖(5-13)所示。

圖(5-13)與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖2.CO2激光器的輸出特性相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)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(guān)。

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:000102009.6m0001100010.6m5.2.2二氧化碳激光器第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.2.3Ar+離子激光器1.Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)

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。如圖(5-14)所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)。

圖(5-14)分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示意圖第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.2.3Ar+離子激光器2.Ar＋激光器的激發(fā)機(jī)理

Ar＋激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5-15)所示

圖(5-15)與產(chǎn)生激光有關(guān)的Ar+的能級(jí)結(jié)構(gòu)Ar＋激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)閾值電流：

波長(zhǎng) 閾值電流488.0nm4.5A514.5nm7A476.5nm8A496.5nm9A501.7nm12A472.7nm14AAr＋激光器中通常需要加入選頻元件來實(shí)現(xiàn)單一頻率輸出第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日小結(jié)：氣體激光器的特點(diǎn)是：輸出光束的質(zhì)量好。He-Ne激光器輸出的典型波長(zhǎng)：632.8nm。CO2激光器輸出的典型波長(zhǎng)：9.6μm

和10.6μm。Ar+激光器輸出的典型波長(zhǎng)：488nm，514.5nm。第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.3.1染料激光器的激發(fā)機(jī)理染料分子能級(jí)圖是如圖(5-17)所示的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)。

需要避免三重態(tài)“陷阱”效應(yīng)圖(5-17)染料分子能級(jí)圖圖(5-18)染料的吸收-熒光光譜圖染料激光器的特點(diǎn)是：波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。

第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.3.2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，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(zhǔn)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(jié)構(gòu)示意圖。圖(5-19)三鏡腔式染料激光器第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.3.3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(kuò)束和色散作用。圖(5-20)光柵-反射鏡調(diào)諧腔第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D(5-21)棱鏡調(diào)諧腔5.3.3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。第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.3.3染料激光器的調(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(guó)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(5－22)給出的典型染料激光器就是利用雙折射濾光片進(jìn)行調(diào)諧的。圖(5-22)典型染料激光器原理示意圖第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日小結(jié)：染料激光器的特點(diǎn)是：波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，輸出功率較大，光束質(zhì)量較好。

第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.4.1半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.純凈(本征)半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對(duì)溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個(gè)充滿電子的價(jià)帶和一個(gè)完全沒有電子的導(dǎo)帶組成，如圖(5-24)。

圖(5-24)本征半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、價(jià)格便宜。

第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.4.1半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件3.雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系,圖(5-25)給出了溫度極低時(shí)的情況。

圖(5-25)費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系2.熱平衡時(shí)，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，能級(jí)E被電子占據(jù)的幾率為

第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5.4.2PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)未加電場(chǎng)時(shí)，電子和空穴的擴(kuò)散與漂移作用使得的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到同一水平，如圖(5-26)。

圖(5-26)PN能帶在P-N結(jié)上加以正向電壓V時(shí)，形成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)和，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，如圖(5-27)。

圖(5-27)正向電壓V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D(5-28)GaAs激光器的結(jié)構(gòu)5.4.3半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和光束特點(diǎn)圖(5-28)顯示了GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。

圖(5-30)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。圖(5-