激光器介紹分解學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1激光器介紹激光器介紹(jisho)分解分解第一頁，共63頁。激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第1頁/共63頁第二頁，共63頁。3激光(jgung)原理與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第2頁/共63頁第三頁，共63頁。4激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第3頁/共63頁第四頁，共63頁。5激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第4頁/共63頁第五頁，共63頁。6激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第5頁/共63頁第六頁，共63頁。7激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院氣體放電激勵(lì)基礎(chǔ)氣體放電激勵(lì)基礎(chǔ)第6頁/共63頁第

2、七頁，共63頁。8激光(jgung)原理與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院原子氣體激光器：原子氣體激光器：第7頁/共63頁第八頁，共63頁。9激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院分子氣體激光器：分子氣體激光器：第8頁/共63頁第九頁，共63頁。10離子離子(lz)氣體激光器：氣體激光器：激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第9頁/共63頁第十頁，共63頁。11激光原理(yunl)與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第10頁/共63頁第十一頁，共63頁。12激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第11頁/共63頁第十二頁，共63頁。13激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與

3、電子工程學(xué)院激光器激光器第12頁/共63頁第十三頁，共63頁。14激光原理(yunl)與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第13頁/共63頁第十四頁，共63頁。15激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第14頁/共63頁第十五頁，共63頁。16按諧振腔與放電管的放置方式不同按諧振腔與放電管的放置方式不同(b tn)可分內(nèi)腔式、外腔可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。式和半內(nèi)腔式。HeNe激光器由于激光器由于(yuy)增益低，諧振腔一般用平凹腔，平增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。，凹面鏡為全反射鏡。激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工

4、程學(xué)院第15頁/共63頁第十六頁，共63頁。17激光(jgung)原理與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第16頁/共63頁第十七頁，共63頁。18激光原理(yunl)與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第17頁/共63頁第十八頁，共63頁。19激光原理(yunl)與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第18頁/共63頁第十九頁，共63頁。20632.8nm共振共振(gngzhn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移s2s1Nes3s12s32Hep2p3激光(jgung)原理與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第19頁/共63頁第二十頁，共63頁。21激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第20頁/共63頁第二十一頁，共63頁。22激光原

5、理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第21頁/共63頁第二十二頁，共63頁。23激光(jgung)原理與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第22頁/共63頁第二十三頁，共63頁。24激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第23頁/共63頁第二十四頁，共63頁。25激光(jgung)原理與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第24頁/共63頁第二十五頁，共63頁。26典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置(fngzh)(fngzh)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。在可供調(diào)節(jié)的

6、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。 激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第25頁/共63頁第二十六頁，共63頁。27對(duì)稱對(duì)稱(duchn)振動(dòng)振動(dòng)形變形變(xngbin)振動(dòng)振動(dòng)反對(duì)反對(duì)(fndu)稱振動(dòng)稱振動(dòng)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第26頁/共63頁第二十七頁，共63頁。28C02激光器中激光器中,通過以下通過以下(yxi)三個(gè)過程將三個(gè)過程將C02分子激發(fā)到分子激發(fā)到0001能級(jí)能級(jí) 1.直接電子碰撞直接電子碰撞 電子與基態(tài)電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)到激光分子碰撞使其激發(fā)到激光(jgung)上能級(jí)。這一過程可表示為上能級(jí)。這一過程可表

7、示為 C02(0000)+e C02(0001)+e 2.級(jí)聯(lián)躍遷級(jí)聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到分子碰撞使其躍遷到000n能級(jí)能級(jí),基態(tài)基態(tài)C02分子與高能級(jí)分子與高能級(jí)C02分子碰撞后躍遷到激光上能級(jí)分子碰撞后躍遷到激光上能級(jí),此過程可表示為此過程可表示為 C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1) 3.共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移 由于由于N2分子分子(v=0)能級(jí)和電子碰撞后躍遷到能級(jí)和電子碰撞后躍遷到v=1的振動(dòng)能級(jí)。這是一個(gè)壽命較長的亞的振動(dòng)能級(jí)。這是一個(gè)壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，因而可積累較多的穩(wěn)態(tài)能級(jí)，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)分

8、子，基態(tài)CO2分子與亞穩(wěn)態(tài)分子與亞穩(wěn)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級(jí)。這一過程可表示為分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級(jí)。這一過程可表示為 C02(0000)+N2(v=1)C02(0001)+N2(v=0)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第27頁/共63頁第二十八頁，共63頁。29C02分子分子0001能級(jí)與能級(jí)與N2分子分子v=1能級(jí)十分接近能級(jí)十分接近,能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外,N2分子的分子的v=24能級(jí)與能級(jí)與C02分子分子00020004也十分接近也十分接近,相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移,處于處于00020004的的C02分子與基態(tài)分

9、子與基態(tài)(j ti)C02分子碰撞可將它激勵(lì)至分子碰撞可將它激勵(lì)至0001能級(jí)。能級(jí)。在以上三種激發(fā)途徑在以上三種激發(fā)途徑(tjng)中中,共振轉(zhuǎn)移的幾率最大共振轉(zhuǎn)移的幾率最大,作用也最為顯著。作用也最為顯著。C02分子激光躍遷分子激光躍遷(yuqin)下能級(jí)的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。下能級(jí)的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。 一旦實(shí)現(xiàn)了一旦實(shí)現(xiàn)了(0001)與與 (1000)、 (0200) 之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過受激輻射，產(chǎn)生之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過受激輻射，產(chǎn)生: 00011000躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生10.6um波長的激光光波長的激光光00010200躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生9.6um波長的

10、激光。波長的激光。 由于以上躍遷具有同一上能級(jí)由于以上躍遷具有同一上能級(jí),而且而且00011000躍遷的幾率大得多躍遷的幾率大得多,所以所以C02激光器通常只輸出激光器通常只輸出10.6m激光。若要得到激光。若要得到9.6um的激光振蕩的激光振蕩,則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制10.6um激光振蕩。激光振蕩。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第28頁/共63頁第二十九頁，共63頁。30上能級(jí)的激發(fā)上能級(jí)的激發(fā)下能級(jí)的激發(fā)下能級(jí)的激發(fā)弛豫過程弛豫過程輔助輔助(fzh)氣體氣體N2 CO He Xe H2 H2O各作用見各作用見P125激光原理(yunl)與

11、技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第29頁/共63頁第三十頁，共63頁。31三、三、 COCO2 2激光器的輸出特性激光器的輸出特性 相應(yīng)于相應(yīng)于CO2CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。CO2CO2激光器的最佳放電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)。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)。 實(shí)驗(yàn)指出：隨著實(shí)驗(yàn)指出：隨著(su zhe)(su zhe)管徑增大，最佳放電電流也增大。管徑增大，最佳放電電流也增大。 例如：管徑為例如：管徑為 20 2030mm 30mm 時(shí)，最佳放電電流為時(shí)，最佳放電電流

12、為303050mA50mA 管徑為管徑為505090mm 90mm 時(shí)，最佳放電電流為時(shí)，最佳放電電流為120120150mA150mA(1) 放電放電(fng din)特性特性 CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過40，這就是說，這就是說，將有，將有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增

13、益系數(shù)下降反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子分子(fnz)的分解，降低放電的分解，降低放電管內(nèi)的管內(nèi)的CO2分子分子(fnz)濃度。濃度。 (2) 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第30頁/共63頁第三十一頁，共63頁。32激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第31頁/共63頁第三十二頁，共63頁。33激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第32頁/共63頁第三十三頁，共63頁。34激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第33頁/共63頁

14、第三十四頁，共63頁。35一、一、 Ar激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)(jigu) Ar激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管(qgun)等幾部分組成等幾部分組成。如圖所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)。如圖所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu) 。 激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院 1-石墨陽極，石墨陽極，2-石墨片，石墨片，3-石英環(huán)，石英環(huán)，4-水冷套，水冷套，5-放電管，放電管，6-陰極，陰極，7-保熱瓶保熱瓶，8-加熱燈絲，加熱燈絲，9-布氏窗，布氏窗，10-磁場，磁場，11-儲(chǔ)氣瓶，儲(chǔ)氣瓶，12-電磁真空充氣瓶閥，電磁真空充氣瓶閥，13-鎮(zhèn)氣瓶

15、，鎮(zhèn)氣瓶，14-波紋管，波紋管，15-氣壓檢測器氣壓檢測器。 第34頁/共63頁第三十五頁，共63頁。36二、二、 Ar Ar激光器的激發(fā)激光器的激發(fā)(jf)(jf)機(jī)理機(jī)理 Ar激光器與激光輻射有關(guān)激光器與激光輻射有關(guān)(yugun)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖所示的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖所示 Ar+激光器的激活粒子是激光器的激活粒子是Ar+， Ar+激光器的激發(fā)過程分兩步進(jìn)行：激光器的激發(fā)過程分兩步進(jìn)行：通過氣體放電，將氬原子通過氣體放電，將氬原子Ar電離電離(dinl),再通過放電激勵(lì)將再通過放電激勵(lì)將Ar+激發(fā)激發(fā)到激光上能級(jí)到激光上能級(jí) 圖為圖為Ar+離子與激光產(chǎn)生過程有關(guān)的能級(jí)離子與激光產(chǎn)生過程有關(guān)的能級(jí)圖

16、。中性圖。中性Ar原子在放電過程中，與快速電原子在放電過程中，與快速電子碰撞后電離子碰撞后電離,形成處在基態(tài)形成處在基態(tài)P5上的上的Ar+離子離子。該基態(tài)。該基態(tài)Ar+離子再與高速電子碰撞，被激離子再與高速電子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)。當(dāng)激光上下能級(jí)間產(chǎn)生粒子數(shù)發(fā)到高能態(tài)。當(dāng)激光上下能級(jí)間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，即可生產(chǎn)激光。反轉(zhuǎn)時(shí)，即可生產(chǎn)激光。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第35頁/共63頁第三十六頁，共63頁。37 激光躍遷上能級(jí)激光躍遷上能級(jí)(3P44P )粒子的積聚主要通過三種途徑實(shí)現(xiàn)粒子的積聚主要通過三種途徑實(shí)現(xiàn): (1)基態(tài)基態(tài)(j ti)Ar+與電子碰撞后直接躍遷到與電子碰撞后直接躍遷

17、到3P44P 能級(jí)能級(jí);(2)基態(tài)基態(tài)Ar+與電子與電子(dinz)碰撞后躍遷至高于碰撞后躍遷至高于3P44P 的其他能級(jí)的其他能級(jí),再通過級(jí)聯(lián)輻射躍遷至再通過級(jí)聯(lián)輻射躍遷至3P44P 能級(jí)能級(jí);(3)基態(tài)基態(tài)(j ti)Ar+和電子碰撞躍遷至低于和電子碰撞躍遷至低于3P44P 的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)后再次與電子碰撞并躍遷至的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)后再次與電子碰撞并躍遷至3P44P 能級(jí)。能級(jí)。 由于由于Ar原子的電離能量原子的電離能量(15eV)和激光躍遷上能級(jí)的激發(fā)能量和激光躍遷上能級(jí)的激發(fā)能量(20eV)較高較高,正常運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的平均電子動(dòng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的平均電子動(dòng)能(電子溫度電子溫度)很高。為了提高電子溫

18、度很高。為了提高電子溫度,氬離子激光器中的充氣壓強(qiáng)一般在氬離子激光器中的充氣壓強(qiáng)一般在150Pa以下。但低壓強(qiáng)意味著以下。但低壓強(qiáng)意味著Ar原子密度小原子密度小,為了提高電離和激發(fā)速率為了提高電離和激發(fā)速率,必須增加放電管內(nèi)的電子密度。必須增加放電管內(nèi)的電子密度。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第36頁/共63頁第三十七頁，共63頁。38三、三、 Ar激光器的工作激光器的工作(gngzu)持性持性 (1)多譜線工作多譜線工作(gngzu) 激光躍遷發(fā)生在激光躍遷發(fā)生在Ar+的電子組態(tài)的電子組態(tài)3P44P和和3P44S之間。前者的壽命約為之間。前者的壽命約為10-8s,后者通過后者通過(tngg

19、u)自發(fā)輻射迅速消激發(fā)自發(fā)輻射迅速消激發(fā),其壽命約為其壽命約為10-9s。由于。由于3p44P和和3P44s電子組態(tài)均對(duì)應(yīng)若干子能級(jí)電子組態(tài)均對(duì)應(yīng)若干子能級(jí),所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生9條藍(lán)綠激光譜線條藍(lán)綠激光譜線,對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)閾值電流對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)閾值電流 。其中以。其中以488nm和和514.5nm譜線最強(qiáng)。在諧振腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件譜線最強(qiáng)。在諧振腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件,可以獲得單譜線激光。可以獲得單譜線激光。(2)輸出功率與放電電流的關(guān)系輸出功率與放電電流的關(guān)系 由于由于Ar激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它

20、激光器有所不同。激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同。 放電電流較小時(shí)輸出功率與放電電流較小時(shí)輸出功率與放電電流成四次方的關(guān)系，隨著放電電流的增大，輸出功率與放電電流成平方的關(guān)系。這是因?yàn)?，隨著電流密度的增大，使氣體溫度升高，激光譜線變寬，因而其增益隨電流增長的速度變慢。放電電流成四次方的關(guān)系，隨著放電電流的增大，輸出功率與放電電流成平方的關(guān)系。這是因?yàn)?，隨著電流密度的增大，使氣體溫度升高，激光譜線變寬，因而其增益隨電流增長的速度變慢。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第37頁/共63頁第三十八頁，共63頁。39主要主要(zhyo)的準(zhǔn)分子激的準(zhǔn)分子激光器光器

21、激光原理(yunl)與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第38頁/共63頁第三十九頁，共63頁。40躍遷過程躍遷過程泵浦要求泵浦要求電子束泵浦機(jī)理電子束泵浦機(jī)理(j l)脈沖放電泵浦機(jī)理脈沖放電泵浦機(jī)理(j l)激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第39頁/共63頁第四十頁，共63頁。413.3 3.3 固體固體(gt)(gt)激光器激光器一、固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)(wzh)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖是長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)。 固體(gt)激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第40頁/共63頁第四十一頁，共63頁。42

22、激光(jgung)原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第41頁/共63頁第四十二頁，共63頁。431960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明發(fā)明(fmng)第一臺(tái)激光器第一臺(tái)激光器激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第42頁/共63頁第四十三頁，共63頁。44第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸(chixi)圖圖激光(jgung)原理與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第43頁/共63頁第四十四頁，共63頁。45二、紅寶石激光器二、紅寶石激光器 （1）紅寶石晶體）紅寶石晶體(jngt) Cr3+: Al203, 激活是激活是Cr3+,基質(zhì)是剛玉晶體基質(zhì)是剛玉晶體(jngt)

23、。紅寶石屬六方晶系。紅寶石屬六方晶系,無色透明的負(fù)單軸晶體無色透明的負(fù)單軸晶體(jngt)。 紅寶石是在紅寶石是在Al2O3中摻入適量的中摻入適量的Cr3+,使使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。摻入而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在的最佳量一般在0.05%(重量比重量比)左右左右,相應(yīng)的相應(yīng)的Cr3+密度為密度為ntot=1.58x1019cm-3。 紅寶石的光譜特性主要取決于紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+。原子。原子Cr的外層電子組態(tài)為的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻入摻入Al2O3 變成變成Cr3+, 最外層電子組態(tài)為最外層電子組態(tài)為3d3。光譜特性是光譜特性是Cr3+的的3

24、d殼層上三個(gè)電子躍遷。殼層上三個(gè)電子躍遷。Cr3+在很強(qiáng)的晶格場作用下在很強(qiáng)的晶格場作用下,其能級(jí)發(fā)生很大的變化其能級(jí)發(fā)生很大的變化,呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級(jí)分裂和重新組成的情況。呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級(jí)分裂和重新組成的情況。紅寶石中紅寶石中Cr3+的工作能級(jí)屬三能級(jí)系統(tǒng)。的工作能級(jí)屬三能級(jí)系統(tǒng)。4A2是基態(tài)是基態(tài)(j ti)又是激光下能級(jí)又是激光下能級(jí),其簡并度其簡并度g1=4,2E是亞穩(wěn)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài),它是由能量差為它是由能量差為29cm的的2A和和E二能級(jí)組成二能級(jí)組成,其簡并度都為其簡并度都為2。4F1和和4F2是兩個(gè)吸收能帶。是兩個(gè)吸收能帶。圖 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)激光原理(yunl)與技術(shù)

25、物理與電子工程學(xué)院第44頁/共63頁第四十五頁，共63頁。46紅寶石的吸收光譜如圖所示。由紅寶石的吸收光譜如圖所示。由4A2向向4F1躍遷吸收紫藍(lán)光躍遷吸收紫藍(lán)光,峰值峰值(fn zh)波長在波長在0.41um附近附近,稱為紫帶或稱為紫帶或U帶。由帶。由4A2向向4F2躍遷吸收黃綠光躍遷吸收黃綠光,峰值峰值(fn zh)波長在波長在0.55m附近附近,稱為綠帶或稱為綠帶或Y帶。這是兩個(gè)很強(qiáng)很寬的吸收譜帶帶。這是兩個(gè)很強(qiáng)很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約吸收帶寬均約0.1um左右。左右。圖 紅寶石中鉻離子的吸收光譜圖 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu) 紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線(R1和和R2

26、線線),分別分別(fnbi)為為E和和2A能態(tài)向能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的躍遷產(chǎn)生的,室溫下對(duì)應(yīng)的中心波長分別室溫下對(duì)應(yīng)的中心波長分別(fnbi)為為0.6943um和和0.6929um。通常紅寶石激光通常紅寶石激光(jgung)器中只有器中只有 R1=0.6943m線才能形成激光線才能形成激光(jgung)輸出。輸出。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院第45頁/共63頁第四十六頁，共63頁。47 紅寶石突出的缺點(diǎn)是閾值高紅寶石突出的缺點(diǎn)是閾值高(因是三能級(jí)因是三能級(jí))和性能易隨溫度變化。和性能易隨溫度變化。 但具有很多優(yōu)點(diǎn)但具有很多優(yōu)點(diǎn),如如:機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高,能承受很高的激光功率密度能承受很

27、高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲(chǔ)能大儲(chǔ)能大,可得到大能量輸出可得到大能量輸出;熒光譜線較寬熒光譜線較寬,容易獲得容易獲得(hud)大能量的單模輸出大能量的單模輸出;低溫性能良好低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的感應(yīng)靈敏度較高目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻(xiàn)比較大的一種晶體。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻(xiàn)比較大的一種晶體

28、。圖 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)激光原理(yunl)與技術(shù)物理(wl)與電子工程學(xué)院第46頁/共63頁第四十七頁，共63頁。48 Nd3+:YAG的激活離子為的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是基質(zhì)是YAG晶體晶體(釔鋁石榴石晶體釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12)。Nd3+部分取代部分取代YAG中的中的Y3+便成為便成為Nd3+:YAG。一般含。一般含Nd3+量為量為1%原子原子(yunz)比比,此時(shí)此時(shí)Nd3+的密度為的密度為1.381020cm-3,顏色為淡紫色。實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的顏色為淡紫色。實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的A1203、Y2O3和和Nd2O3在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。在單晶爐中熔化結(jié)晶而

29、成。Nd3+:YAG屬立方晶系屬立方晶系,是各向同性晶體。是各向同性晶體。三、摻釹釔鋁石榴石三、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子(lz)(Nd3)，其吸收光譜如圖所示，其吸收光譜如圖所示圖 Nd3:YAG 晶體的吸收光譜圖 Nd3:YAG 的能級(jí)結(jié)構(gòu)YAG中中Nd3與激光產(chǎn)生與激光產(chǎn)生(chnshng)有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如右圖有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如右圖 所示。它屬于四能級(jí)系統(tǒng)。所示。它屬于四能級(jí)系統(tǒng)。 第47頁/共63頁第四十八頁，共63頁。491.06um比比1.35um的熒光約強(qiáng)四倍的熒光約強(qiáng)四倍,1.06um的譜線先起振

30、的譜線先起振,進(jìn)而抑制進(jìn)而抑制1.35um譜線起振譜線起振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常激光器通常(tngchng)只產(chǎn)生只產(chǎn)生1.06um激光。只有采取選頻措施，才能實(shí)現(xiàn)激光。只有采取選頻措施，才能實(shí)現(xiàn)1.35um波長的激光振蕩。波長的激光振蕩。 四、釹玻璃激光器四、釹玻璃激光器 繼繼1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問世后年第一臺(tái)紅寶石激光器問世后,1961年便出現(xiàn)了釹玻璃激光器。釹玻璃是在某種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的年便出現(xiàn)了釹玻璃激光器。釹玻璃是在某種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。最佳摻入制成的。最佳摻入Nd2O3量為量為1%5%重量比。對(duì)應(yīng)重量比。對(duì)應(yīng)3%的摻入量的摻

31、入量,Nd3+的濃度為的濃度為31020/cm3。Nd3+在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。 玻璃的制備工藝比較成熟玻璃的制備工藝比較成熟,易獲得良爭好的光學(xué)均勻性易獲得良爭好的光學(xué)均勻性,玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達(dá)玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達(dá)12m,直徑直徑30100mm,可用來制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維可用來制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路中的光放大用于集成光路中的光放大(fngd)或振蕩?；蛘袷?。 釹玻璃最大的缺點(diǎn)釹玻璃最

32、大的缺點(diǎn)(qudin)是導(dǎo)熱率太低是導(dǎo)熱率太低,熱脹系數(shù)太大熱脹系數(shù)太大,因此不適于作連續(xù)器件和高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的因此不適于作連續(xù)器件和高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的器件器件,且在應(yīng)用時(shí)要特別注意防止自身破壞。且在應(yīng)用時(shí)要特別注意防止自身破壞。第48頁/共63頁第四十九頁，共63頁。50E4:含三個(gè)吸收帶含三個(gè)吸收帶(抽運(yùn)能帶抽運(yùn)能帶) *(吸收特定波長吸收特定波長(bchng)的光而的光而躍遷到這三個(gè)吸收帶躍遷到這三個(gè)吸收帶) 2/52G2/92F2/74F(中心波長中心波長5900A)(. 7500A)(. 8000A)E3:三條激光譜線公共的激光三條激光譜線公共的激光上能級(jí)上能級(jí) 2/34FE2: 含二條含二條(r

33、 tio)激光譜線的激光譜線的二個(gè)激光下能級(jí)二個(gè)激光下能級(jí)(四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)), 即即2/314I2/34F2/314I( ,對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)1.37m 譜線譜線)2/114I( ,對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)1.062m譜線譜線) 2/34F2/114I釹玻璃釹玻璃(b l)(b l)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷光譜的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷光譜 第49頁/共63頁第五十頁，共63頁。51E1:基態(tài)基態(tài), 一條一條(y tio)激光譜激光譜線的激光下能級(jí)線的激光下能級(jí)(三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)): 2/94I2/34F2/94I( 對(duì)應(yīng)0.92m譜線) 躍遷譜線躍遷譜線: 1.062m:四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng), 躍遷幾率大躍遷幾率大, 通?？?/p>

34、觀通常可觀(kgun)察到察到; 1.37m: 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng), 躍躍遷幾率較小遷幾率較小, 不一定可觀不一定可觀(kgun) 察到察到;0.92m:三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng), 難難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 一般不一般不 出現(xiàn)出現(xiàn).第50頁/共63頁第五十一頁，共63頁。52固體固體(gt)(gt)激光器的泵浦系統(tǒng)激光器的泵浦系統(tǒng) 一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。惰性氣體一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。惰性氣體放電燈放電燈( (燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體) )、金屬、金屬(jnsh)(jnsh)蒸氣燈蒸氣燈( (

35、燈內(nèi)充入汞、燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬鈉、餌等金屬(jnsh)(jnsh)蒸氣）、鹵化物燈蒸氣）、鹵化物燈( (碘鎢燈、鑷鎢燈等碘鎢燈、鑷鎢燈等) )、半導(dǎo)體激光、半導(dǎo)體激光器、日光泵器、日光泵( (用聚光鏡將日光會(huì)聚到激光棒中用聚光鏡將日光會(huì)聚到激光棒中) )等。脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射等。脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射效率較其他燈都高效率較其他燈都高, ,是紅寶石釹玻璃和是紅寶石釹玻璃和Nd:YAGNd:YAG脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的一種燈脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的一種燈. .氪燈在低電流密度下工作時(shí)氪燈在低電流密度下工作時(shí), ,其輻射光譜與其輻射光譜與Nd:YAGNd:YAG泵浦吸收帶相匹配泵浦吸

36、收帶相匹配, ,故在連續(xù)故在連續(xù)和小能量脈沖和小能量脈沖Nd:YAGNd:YAG器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用220V220V電壓即可電壓即可, ,使用簡使用簡單、方便單、方便, ,在功率小于在功率小于1OW1OW的連續(xù)的連續(xù)Nd:YAGNd:YAG器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多用高壓蒸氣燈用高壓蒸氣燈, ,它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小體積小, ,產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配, ,可用于

37、小型摻鐵激光器?？捎糜谛⌒蛽借F激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。 在各種在各種( ( zhn zhn) )泵浦光源中泵浦光源中, ,以惰性氣體放電燈應(yīng)用最普遍。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈以惰性氣體放電燈應(yīng)用最普遍。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和聚光器。和聚光器。 二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件。有很高的發(fā)光效率輻射的光譜特性應(yīng)與激光二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件。有很高的發(fā)光效率輻射的光譜特性應(yīng)與激光各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配. .第51頁/共63頁第五十二頁，共63頁。53 1 1 惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)一般

38、都是由電極、燈管和充入的氣體組成。見圖和充入的氣體組成。見圖 (a) (a)。 電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率, ,又不易又不易(b y)(b y)濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有鎢，釷鎢濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢，鋇鎢和鈰鎢, ,高功率燈的電極要設(shè)計(jì)成水冷結(jié)構(gòu)高功率燈的電極要設(shè)計(jì)成水冷結(jié)構(gòu), ,見圖見圖(b),(b),燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性能好燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙(Xe)(Xe)、氪、氪(kr)(kr)氣體氣體。 2 2 氙燈在低電流密度放電氙燈在低電

39、流密度放電( (如連續(xù)燈放電和小能量脈沖燈放電如連續(xù)燈放電和小能量脈沖燈放電) )時(shí)時(shí), ,輻射的特征譜線的峰輻射的特征譜線的峰值波伏在值波伏在0.840.84、0.90.9和和1um1um附近附近(fjn)(fjn)。氪燈在低電流密度放電時(shí)。氪燈在低電流密度放電時(shí), ,輻射的特征譜線的峰輻射的特征譜線的峰值波長在值波長在0.760.76、0.820.82和和0.9um0.9um附近附近(fjn)(fjn)。第52頁/共63頁第五十三頁，共63頁。54三、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體三、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體(yt)(yt)冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。 四、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入四、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入(ch r)(ch r)濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。 第53頁/共63頁第五十四頁，共63頁。55固體固體(gt)(gt)激光器的輸出特性激光器的輸出特性1.