第十一次課激光原理

1、第五章第五章 典型的激光器件典型的激光器件問題問題1：激光器能發(fā)：激光器能發(fā)出多少種波長？有出多少種波長？有哪些分類方式？哪些分類方式？ 按激光工作物質(zhì)：按激光工作物質(zhì)： 固體激光器固體激光器 氣體激光器氣體激光器 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 染料激光器染料激光器 自由電子激光器自由電子激光器 按化學(xué)組成：按化學(xué)組成： 原子激光器原子激光器 分子激光器分子激光器 離子激光器離子激光器 自由電子激光器自由電子激光器 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器已記錄到的激光振蕩波長有一萬種以上。已記錄到的激光振蕩波長有一萬種以上。 激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式: 連續(xù)連續(xù) 脈沖脈沖 單脈沖單脈沖 重復(fù)頻率重復(fù)頻率 準(zhǔn)連續(xù)

2、準(zhǔn)連續(xù) 激光調(diào)制方式激光調(diào)制方式 自由運(yùn)轉(zhuǎn)自由運(yùn)轉(zhuǎn) 調(diào)調(diào)Q 鎖模鎖模激光器的分類：四種分類方式激光器的分類：四種分類方式激光器按工激光器按工作物質(zhì)分類作物質(zhì)分類氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器：半導(dǎo)體激光器：GaAs 激光器激光器原子激光器原子激光器：He-Ne 激光器激光器分子激光器：分子激光器：CO2 激光器激光器離子激光器：離子激光器：Ar+ 激光器激光器玻璃基質(zhì)：玻璃基質(zhì)：Nd:glass晶體基質(zhì)：晶體基質(zhì)： Nd:YAG 、 ruby液體激光器液體激光器化學(xué)激光器化學(xué)激光器自由電子激光器自由電子激光器問題問題2 2：固體激光器有哪些特點(diǎn)？：固體激光器有哪些特點(diǎn)？1

3、 1、工作方式：、工作方式：連續(xù)，脈沖連續(xù)，脈沖2 2、發(fā)射波長：、發(fā)射波長：0.2750.2753.33.3m m（從紫外到紅外）（從紫外到紅外）3 3、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：輸出能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用輸出能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用4 4、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)：激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)泵浦源泵浦源聚光腔聚光腔諧振腔諧振腔冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)5 5、閾值、閾值21nG工作物質(zhì)工作物質(zhì) 受激輻射截面受激輻射截面2211gnnngn其中，為激光工作介質(zhì)中的折射率紅寶石紅寶石2.5E-20 cm2Nd3+:YAG2788E-20 cm2Nd3+:Glass3E-20 cm26 6、偏振

4、特性、偏振特性u偏振性主要取決于工作物質(zhì)偏振性主要取決于工作物質(zhì) 各向同性介質(zhì)在應(yīng)力及熱效應(yīng)作用下導(dǎo)致應(yīng)力雙折射，各向同性介質(zhì)在應(yīng)力及熱效應(yīng)作用下導(dǎo)致應(yīng)力雙折射，激光輸出具有部分偏振特性。激光輸出具有部分偏振特性。u在諧振腔中有偏振元件，激光輸出也會具有偏振性在諧振腔中有偏振元件，激光輸出也會具有偏振性7 7、光譜特性、光譜特性 多縱模工作多縱模工作 空間燒孔效應(yīng)空間燒孔效應(yīng) 高增益高增益 多模充分利用了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有利于鎖模多模充分利用了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有利于鎖模 高注入，高輸出伴隨激光線寬增加高注入，高輸出伴隨激光線寬增加8 8、光束質(zhì)量、光束質(zhì)量,2021MM 實(shí)實(shí)際際光光束束的的束束腰腰和

5、和遠(yuǎn)遠(yuǎn)場場發(fā)發(fā)散散角角乘乘積積理理想想光光束束的的束束腰腰和和遠(yuǎn)遠(yuǎn)場場發(fā)發(fā)散散角角乘乘積積越越小小光光束束質(zhì)質(zhì)量量越越好好9、工作物質(zhì)、工作物質(zhì)基質(zhì)基質(zhì)+激活離子激活離子基質(zhì)基質(zhì) 氧化物：氧化物：Al2O3，YAG，YAP 磷酸鹽，硅酸鹽：磷酸鹽，硅酸鹽： CaWO4 鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽：鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽： YVO4 氟化物氟化物: YLF 玻璃：磷酸鹽、硅酸鹽玻璃：磷酸鹽、硅酸鹽 稀土離子稀土離子釹（釹（Nd3） 實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了100多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射 以以0.9um，1.06um，1.35um為中心，可實(shí)現(xiàn)若干頻率為中心，可實(shí)現(xiàn)若干頻率的受

6、激發(fā)射的受激發(fā)射鉺（鉺（Er3） 實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。 1.531.66um內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長。內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長。 常用的常用的Er3:YAG經(jīng)敏化，最易起振，輸出波長為經(jīng)敏化，最易起振，輸出波長為2.9um。鈥（鈥（Ho3） 摻摻Er：Tm：Ho的的YAG和和YLF，輸出波長，輸出波長1.9-2.1um 摻摻Cr代替代替Er敏化，敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收激光器可有效吸收閃光燈泵浦能量。輸出波長閃光燈泵浦能量。輸出波長2.1um。激活離子激活離子銩（銩（Tm3）

7、 與與Cr或或Ho一起實(shí)現(xiàn)一起實(shí)現(xiàn)YAG，YLF的高效閃光燈及二的高效閃光燈及二極管泵浦激光輸出。極管泵浦激光輸出。 二極管泵浦二極管泵浦Tm：YAG實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)2.01um輸出輸出 二極管泵浦二極管泵浦Tm：Ho：YAG實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)2.09um輸出輸出 高效閃光燈泵浦高效閃光燈泵浦Cr：Tm：YAG實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)1.945um和和1.965um的可調(diào)輸出的可調(diào)輸出鐠鐠Pr3，釓，釓Gd3，銪，銪Eu3，鐿，鐿Yb3，鈰，鈰Ce3 二極管泵浦的二極管泵浦的Yb:YAG激光器激光器 二極管泵浦的摻二極管泵浦的摻Y(jié)b的光纖激光器的光纖激光器釤釤Sm2，鏑，鏑Dy2，銩，銩Tm2 液氮冷卻的作用下，液氮冷卻的作用

8、下，CaF2中產(chǎn)生過激光作用。中產(chǎn)生過激光作用。 錒系離子錒系離子 摻摻0.05%鈾（鈾（U）的）的CaF2成功用于激光器，輸出成功用于激光器，輸出2.6um。 過渡金屬過渡金屬鉻（鉻（Cr3+) 紅寶石（紅寶石（Cr3+：AL2O3），紫翠寶石（綠寶石，金），紫翠寶石（綠寶石，金綠寶石，翠綠寶石，綠寶石，翠綠寶石，Cr3：BeAl2O4） 鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，Ti3：AL2O3） Nd:YAG泵浦的泵浦的Co2+:MgF2激光器。激光器。敏化劑敏化劑 在晶體中除了發(fā)光中心的激活離子外，再摻入一種或多種在晶體中除了發(fā)光中心的激活離子外，再摻入一種或多種施主離子，主要作用是施主離

9、子，主要作用是吸收激活離子不吸收的光譜能量，吸收激活離子不吸收的光譜能量，并將吸收到的能量轉(zhuǎn)移給激活離子并將吸收到的能量轉(zhuǎn)移給激活離子。 雙摻或多摻雜晶體生長困難，工藝復(fù)雜。雙摻或多摻雜晶體生長困難，工藝復(fù)雜。 目前已實(shí)現(xiàn)激光振蕩的不同基質(zhì)目前已實(shí)現(xiàn)激光振蕩的不同基質(zhì)摻雜體系的摻雜體系的工作物質(zhì)工作物質(zhì)有有200多種。多種?；趦?nèi)反射的泵浦構(gòu)型基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型 A、泵浦方式、泵浦方式10、泵浦耦合技術(shù)、泵浦耦合技術(shù)M1M2M2M1B、耦合光學(xué)系統(tǒng)耦合光學(xué)系統(tǒng)10、泵浦耦合技術(shù)泵浦耦合技術(shù)聚光腔材料選擇聚光腔材料選擇 金屬：鋁金屬：鋁輕型系統(tǒng)輕型系統(tǒng) 銅銅熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高熱膨脹系數(shù)小，

10、導(dǎo)熱率高 不銹鋼不銹鋼不生銹，光潔度高，熱導(dǎo)率低不生銹，光潔度高，熱導(dǎo)率低 玻璃：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕玻璃：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕 陶瓷：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕陶瓷：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕金屬材料的反射率金屬材料的反射率 LD泵浦泵浦全固態(tài)激光器（全固態(tài)激光器（DPSSL）的技術(shù)發(fā)展）的技術(shù)發(fā)展光束參數(shù)積光束參數(shù)積激光束激光束腰半徑與其腰半徑與其半發(fā)散角的半發(fā)散角的乘積，即乘積，即W0 燈泵浦固體激光器Lamp Pumped Solid - State LaserLPSSL或LPL二極管泵浦固體激光器（Diode Pumped Solid State Lase

11、rDPSSL或DPL 15基于全固態(tài)激光器的激光電視基于全固態(tài)激光器的激光電視問題問題3：摻釹釔鋁石榴石（：摻釹釔鋁石榴石（ Nd :YAG）激光器是怎樣工作的呢？）激光器是怎樣工作的呢？工作方式工作方式：連續(xù)、高重復(fù)率脈沖連續(xù)、高重復(fù)率脈沖 因可摻進(jìn)較高濃度的釹，故工作物質(zhì)單位體積能提供較高因可摻進(jìn)較高濃度的釹，故工作物質(zhì)單位體積能提供較高的激光功率，激光器也可作的比較小，若半導(dǎo)體激光器作泵浦的激光功率，激光器也可作的比較小，若半導(dǎo)體激光器作泵浦源的源的器件體積更小器件體積更小。工作物質(zhì)為工作物質(zhì)為 的四能級系統(tǒng)的四能級系統(tǒng)3NdYAG基質(zhì)晶體基質(zhì)晶體激活離子激活離子Nd3:Y3Al5O12

12、立方晶系，光學(xué)各向同性立方晶系，光學(xué)各向同性摻雜濃度摻雜濃度1.38E20(cm-3)受激輻射截面受激輻射截面88E-20(cm2)波長波長1064nm熒光壽命熒光壽命230us量子效率量子效率1譜線線寬譜線線寬4.5(埃埃)Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器（摻釹釔鋁石榴石）激光器 能級結(jié)構(gòu)能級結(jié)構(gòu)圖圖1 摻釹釔鋁石榴石激光器能級圖摻釹釔鋁石榴石激光器能級圖123047/2F43/2S49/2H45/2F43/2F413/2I415/2I411/2I49/2I1.883 m1.319 m1.06 m0.946 m12111cm525nm584nm750nm805nm870nm上能級壽上能級

13、壽命命0.23ms幾率最大幾率最大幾率小幾率小幾率次大幾率次大圖圖2 2 Nd3+ Nd3+：YAGYAG晶體在晶體在300K300K時(shí)的吸收譜時(shí)的吸收譜圖圖3 3 氙燈輻射光譜氙燈輻射光譜可輸出波長可輸出波長： = 1064nm、946nm、1319nm工作物質(zhì)工作物質(zhì)激光諧振腔激光諧振腔泵浦系統(tǒng)泵浦系統(tǒng)Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器結(jié)構(gòu)（摻釹釔鋁石榴石）激光器結(jié)構(gòu) 問題問題4 4：氣體激光器有哪些特點(diǎn)？：氣體激光器有哪些特點(diǎn)？1 1、工作物質(zhì)、工作物質(zhì): :各種混合氣體，光學(xué)均勻性好。各種混合氣體，光學(xué)均勻性好。2 2、發(fā)射譜線、發(fā)射譜線：已達(dá)數(shù)千種：已達(dá)數(shù)千種 (160nm4mm)

14、(160nm4mm)3 3、工作方式：、工作方式：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（大多數(shù)）連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（大多數(shù)）4 4、泵浦方式：、泵浦方式：氣體放電或電子碰撞氣體放電或電子碰撞5 5、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：單色性單色性、光束穩(wěn)定性光束穩(wěn)定性方面比固體、半導(dǎo)體、液體激方面比固體、半導(dǎo)體、液體激光器優(yōu)越。多數(shù)氣體激光器有瞬時(shí)功率不高的弱點(diǎn)。光器優(yōu)越。多數(shù)氣體激光器有瞬時(shí)功率不高的弱點(diǎn)。原因：原因：通常氣體氣壓低，單位體積內(nèi)粒子數(shù)較少。通常氣體氣壓低，單位體積內(nèi)粒子數(shù)較少。問題問題5 5：氦氖激光器是怎么工作的？：氦氖激光器是怎么工作的？工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：He Ne混合氣體，體積比混合氣體，體積比8:2，屬于四能級系統(tǒng)，屬于四能

15、級系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)問題：問題：布儒斯特窗的作用？布儒斯特窗的作用？內(nèi)腔式與外腔式的優(yōu)缺點(diǎn)？內(nèi)腔式與外腔式的優(yōu)缺點(diǎn)？內(nèi)腔式內(nèi)腔式半外腔式半外腔式工作過程工作過程形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(能級壽命上能級壽命上10-7s :下下10-8s)2、He與電子碰撞與電子碰撞1、放電：、放電：He電離產(chǎn)生電子電離產(chǎn)生電子3、能量共振轉(zhuǎn)移、能量共振轉(zhuǎn)移輔助氣體輔助氣體 工作氣體工作氣體224、受激輻射、受激輻射5、紫外輻射、紫外輻射6、下能級排空、下能級排空 通過通過Ne與管壁的碰撞，管壁發(fā)熱放電管很細(xì)（與管壁的碰撞，管壁發(fā)熱放電管很細(xì)（2-3mm），），加大碰撞幾率，利于碰撞發(fā)生。加大碰撞幾率，利于碰撞發(fā)生。v 輸出譜線輸出譜線：根據(jù)選擇的工作條件，可輸出根據(jù)選擇的工作條件，可輸出近紅外、紅光、近紅外、紅光、黃光、綠光。黃光、綠光。常見的有常見的有632.8nm632.8nm，1.15um1.15um，3.39um3.39um，最常，最常見的為見的為632.8nm632.8nm。v 功率功率在在mWmW級，最大級，最大1W1Wv 光束質(zhì)量光束質(zhì)量好，好，發(fā)散角發(fā)散角可小于可小于1mrad1mradv 單色性單色性好，帶寬可小于好，帶寬可小于20Hz20Hz，發(fā)射線寬由多普勒加寬決定發(fā)射線寬由多普勒加寬決定v