《激光基本原理和與技術(shù)》第三章典型激光器

1、激光基本原理和與技術(shù)第三章 典型激光器（第三章）3.1 概述3.1.2 激光器基本結(jié)構(gòu)3.1.2 激光器分類按激光工作物質(zhì)分氣體激光器固體激光器液體激光器（代表染料激光器）半導(dǎo)體激光器（LD）光纖激光器化學(xué)激光器自由電子激光器X射線激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院4按化學(xué)組成分原子激光器分子激光器離子激光器自由電子激光器準(zhǔn)分子激光器 (p102)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院5按激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式分連續(xù)脈沖單脈沖重復(fù)頻率準(zhǔn)連續(xù)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院6按激光調(diào)制方式分自由運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)Q鎖模穩(wěn)頻可調(diào)諧激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院7按諧振腔類型分平面腔球面腔激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院

2、8 3.2 氣體激光器工作物質(zhì)：氣體；特點(diǎn)：工作物質(zhì)數(shù)目最多、激勵方式最多樣化、激光發(fā)射波長分布區(qū)域最廣分類：原子氣體、分子氣體和電離化離子氣體，分別稱為原子氣體激光器、分子氣體激光器和離子氣體激光器。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院3.2.1 氣體放電激勵基礎(chǔ)9 產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，所采用的氣體主要是幾種惰性氣體（如氦、氖、氬、氪、氙等），有時也可采用某些金屬原子（如銅、鋅、鎘、銫、汞等）蒸汽，或其他元素原子氣體等。原子氣體激光器的典型代表是氦一氖氣體激光器。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院原子氣體激光器：10 產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，所采用的主要分子氣體工作

3、物質(zhì)有CO2、CO、N2、H2、HF和水蒸氣等。分子氣體激光器的典型代表是二氧化碳（CO2）激光器的氮分子（N2）激光器。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院分子氣體激光器：11 是利用電離化的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要的有惰性氣體離子和金屬蒸汽離子，這方面的代表型器件是氬離子（Ar+）激光器、氪離子（Kr+）激光器以及氦一鎘離子激光器等。離子氣體激光器：激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院12氣體激光器的激勵方式氣體放電：在高電壓作用下，氣體分子（或原子）發(fā)生電離而導(dǎo)電。直流連續(xù)放電（輝光放電：高電壓小電流，如He-Ne,CO2； 弧光放電：小電壓大電流，如Ar+）高頻放電(射頻氣體放電)脈沖放電

4、（如準(zhǔn)分子激光器，脈沖輝光放電和脈沖弧光放電；直流脈沖放電和脈沖交流放電；短脈沖放電和長脈沖放電）激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院13工作物質(zhì)被激發(fā)的過程和類型第一類非彈性碰撞：快速電子于氣體粒子碰撞： Ae(快速) Ae(慢) Ae(快速) Ae(慢)第二類非彈性碰撞：共振能量轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)共振能量轉(zhuǎn)移： A B A BE 電荷轉(zhuǎn)移： A B A B E 潘寧效應(yīng)： A B A B E激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院14氣體原子激光器輸出譜線：，等，以為最常見。功率在mW級，最大1W光束質(zhì)量好，發(fā)散角可小于1mrad單色性好，帶寬20Hz穩(wěn)定性高應(yīng)用很廣泛：測量，激光照排，激光治療

5、 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院3.2.2 He-Ne激光器15He-Ne激光器三個部分組成 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)(He-Ne氣體)：激勵能源：高壓放電后，電子撞擊工作物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光學(xué)諧振腔：（凹）反射率接近100，即完全反射，另一個（平）反射率約為98 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院16一、HeNe激光器的結(jié)構(gòu)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。放電管中充入He:Ne=5:110:1，當(dāng)電極加上高電壓后， 氣體放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室HeNe激光管的陽極一般用鎢棒制成，

6、陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院17按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。HeNe激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院18內(nèi)腔式:優(yōu)點(diǎn)是使用時不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便，陰極與毛細(xì)管同軸放置，其結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。 缺點(diǎn)是在工作過程中放電管受熱變形時,諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。穩(wěn)定性,陰極濺射物質(zhì)污染窗片,壽命低外腔式:優(yōu)點(diǎn):諧振腔反射鏡與放電管是分離，可增加儲氣量。線偏振的激光.缺點(diǎn)：反射鏡與放電管相

7、分離，相對位置易改變，需要調(diào)整，使用不方便. 體積大，安裝不方便，易破碎。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院19 二、氦和氖原子的能級圖He原子有兩個電子，基態(tài):1S0,He受激時，一個電子從1S激發(fā)到2S，成為激發(fā)態(tài)。 He原子有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級，分別記為23S1、21S0。Ne原子有10個電子，基態(tài):1S0；電子分布1S22S22P6,激發(fā)態(tài):1S、2S、3S、2P、3P等，它們對應(yīng)的外層電子組態(tài)分別為2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院20 三、HeNe激光器的激發(fā)過程在HeNe激光器中，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過程如下： 第一是共振轉(zhuǎn)

8、移。由能級圖可見，He原子的21S0、23S1態(tài)分別與Ne原子的3S、2S態(tài)靠得很近，二者很容易進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)95%第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過程中，基態(tài)Ne原子與具有一定動能的電子進(jìn)行非彈性碰撞，直接被激發(fā)到2S和3S態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過程激發(fā)的速率要小得多。第三是串級躍遷，Ne與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和3S態(tài)，與前述兩過程相比，此過程貢獻(xiàn)最小。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院21電子碰撞激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移s2s1Nes3s12s32Hep2p3激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院22 根據(jù)能量躍遷選擇定則，Ne原子

9、可以產(chǎn)生很多條譜線，其中最強(qiáng)的譜線有三條，即、和，對應(yīng)躍遷能級分別為3S22P4,3S23P4和2S22P4。2P和3P態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向1S態(tài)躍遷很快。lS態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么HeNe激光器中要有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因。 從能級圖可見，HeNe激光器是典型的四能級系統(tǒng)。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院23 四、HeNe激光器的輸出特性(1)譜線競爭: He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線： 3Sm ， 2Sm ， 3Sm 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。和兩條激光

10、譜線有共同的激光上能級3S,而后者增益系數(shù)比較高,如果不進(jìn)行抑制,則的輻射在腔內(nèi)振蕩過程中將消耗大量的3S2態(tài)原子。抑制輻射(2) 輸出功率特性 P114圖激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院24激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院25激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院263.2.3 CO2激光器C02激光器的主要特點(diǎn)是輸出功率大,能量轉(zhuǎn)換效率高,輸出波長() ，激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應(yīng)用。 以C02、N2、CO、He等的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在C02分子的電子基態(tài)的兩個振動-轉(zhuǎn)動能級之間?；旌蠚怏w的作用是提高激光器的輸出功率和效率。氣體激光器，分子激光器,波長 911um，最常見

11、10.6um,效率高,光束質(zhì)量好,功率范圍大（幾瓦幾萬瓦）,運(yùn)行方式多樣,結(jié)構(gòu)多樣：封閉型，流動型，大氣壓型，氣動型，波導(dǎo)型激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院27一、 CO2激光器的結(jié)構(gòu)典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)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。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院28CO2激光器工作原理對稱振動形變振動反對稱振動激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院29二、 CO2激光器的激發(fā)過程C02激光器中,通過以下三個過程將C02分子激發(fā)到0001能級 1.直接電子碰撞 電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級。這一過

12、程可表示為 C02(0000)+e C02(0001)+e 2.級聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到000n能級,基態(tài)C02分子與高能級C02分子碰撞后躍遷到激光上能級,此過程可表示為 C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1) 3.共振轉(zhuǎn)移 由于N2分子(v=0)能級和電子碰撞后躍遷到v=1的振動能級。這是一個壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)CO2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。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30C02

13、分子0001能級與N2分子v=1能級十分接近,能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外,N2分子的v=24能級與C02分子00020004也十分接近,相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移,處于00020004的C02分子與基態(tài)C02分子碰撞可將它激勵至0001能級。在以上三種激發(fā)途徑中,共振轉(zhuǎn)移的幾率最大,作用也最為顯著。C02分子激光躍遷下能級的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。 一旦實(shí)現(xiàn)了(0001)與 (1000)、 (0200) 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)生波長的激光光00010200躍遷產(chǎn)生波長的激光。 由于以上躍遷具有同一上能級,而且00011000躍遷的幾率大得多,所以C02

14、激光器通常只輸出激光。若要得到的激光振蕩,則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制激光振蕩。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院31上能級的激發(fā)下能級的激發(fā)弛豫過程輔助氣體N2 CO He Xe H2 H2O各作用見P125激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院32三、 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)。 實(shí)驗(yàn)指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。 例如：管徑為 2030mm 時，最佳放電電流為3050mA 管徑為5090mm 時，最佳放電電流為120150mA(1) 放電特性 CO2激光

15、器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過40，這就是說，將有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。 (2) 溫度效應(yīng) 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院33CO2激光器類型(P127-131)封離型縱向激勵CO2激光器(P122)高功率軸快流CO2激光器高功率橫流CO2激光器橫向激勵高氣壓CO2激光器（TEA）波導(dǎo)CO2激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院34CO2激光

16、器運(yùn)行方式激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院353.2.4 Ar離子激光器氣體離子激光器主要波長488 nm，514.5 nm常見功率幾十瓦，最高500 W能量轉(zhuǎn)換效率低激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院36一、 Ar激光器的結(jié)構(gòu) Ar激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。如圖所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu) 。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院 1-石墨陽極，2-石墨片，3-石英環(huán)，4-水冷套，5-放電管，6-陰極，7-保熱瓶，8-加熱燈絲，9-布氏窗，10-磁場，11-儲氣瓶，12-電磁真空充氣瓶閥，13-鎮(zhèn)氣瓶，14-波紋管，15-氣壓檢測器。 37二、 Ar激光器的激發(fā)機(jī)理

17、Ar激光器與激光輻射有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)如圖所示 Ar+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：通過氣體放電，將氬原子Ar電離,再通過放電激勵將Ar+激發(fā)到激光上能級 圖為Ar+離子與激光產(chǎn)生過程有關(guān)的能級圖。中性Ar原子在放電過程中，與快速電子碰撞后電離,形成處在基態(tài)P5上的Ar+離子。該基態(tài)Ar+離子再與高速電子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)。當(dāng)激光上下能級間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時，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38 激光躍遷上能級(3P44P )粒子的積聚主要通過三種途徑實(shí)現(xiàn): (1)基態(tài)Ar+與電子碰撞后直接躍遷到3P44P 能級;(2)基態(tài)Ar+與電子碰撞后躍遷至高于

18、3P44P 的其他能級,再通過級聯(lián)輻射躍遷至3P44P 能級;(3)基態(tài)Ar+和電子碰撞躍遷至低于3P44P 的亞穩(wěn)態(tài)能級后再次與電子碰撞并躍遷至3P44P 能級。 由于Ar原子的電離能量(15eV)和激光躍遷上能級的激發(fā)能量(20eV)較高,正常運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的平均電子動能(電子溫度)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150Pa以下。但低壓強(qiáng)意味著Ar原子密度小,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。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院39三、 Ar激光器的工作持性 (1)多譜線工作 激光躍遷發(fā)生在Ar+的電子組態(tài)3P44P和3P44S之間。前者的壽命約為10-8s

19、,后者通過自發(fā)輻射迅速消激發(fā),其壽命約為10-9s。由于3p44P和3P44s電子組態(tài)均對應(yīng)若干子能級,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,對應(yīng)每條譜線都有一個閾值電流 。其中以488nm和譜線最強(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。(2)輸出功率與放電電流的關(guān)系 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)律與其它激光器有所不同。 放電電流較小時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。激光原理與技術(shù)物理與電子工程

20、學(xué)院403.2.5 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子指在激發(fā)態(tài)能夠暫時結(jié)合成的不穩(wěn)定分子高重復(fù)率可調(diào)諧量子效率高波長短，紫外到可見區(qū)主要的準(zhǔn)分子激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院41準(zhǔn)分子激光器工作原理躍遷過程泵浦要求電子束泵浦機(jī)理脈沖放電泵浦機(jī)理激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院423.3 固體激光器一、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43固體激光器特點(diǎn)運(yùn)行方式多樣：CW，PW，QCW，調(diào)Q，鎖模，高平均功率，高重復(fù)率，高單脈沖能量及高峰值功率

21、。工作物質(zhì)譜線多，達(dá)數(shù)千條，分布于可見到近紅外區(qū)，通過頻率變換技術(shù)可到紫外區(qū)系統(tǒng)簡單，制造容易，傳輸靈活，可接光纖結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用，價(jià)格適宜激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院441960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院45第一臺紅寶石激光器的拆卸圖激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院46二、紅寶石激光器 （1）紅寶石晶體 Cr3+: Al203, 激活是Cr3+,基質(zhì)是剛玉晶體。紅寶石屬六方晶系,無色透明的負(fù)單軸晶體。 紅寶石是在Al2O3中摻入適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,

22、相應(yīng)的Cr3+密度為ntot19cm-3。 紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+。原子Cr的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻入Al2O3 變成Cr3+, 最外層電子組態(tài)為3d3。光譜特性是Cr3+的3d殼層上三個電子躍遷。Cr3+在很強(qiáng)的晶格場作用下,其能級發(fā)生很大的變化,呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級分裂和重新組成的情況。紅寶石中Cr3+的工作能級屬三能級系統(tǒng)。4A2是基態(tài)又是激光下能級,其簡并度g1=4,2E是亞穩(wěn)態(tài),它是由能量差為29cm的2A和E二能級組成,其簡并度都為2。4F1和4F2是兩個吸收能帶。圖 紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院47紅寶石的吸收光譜如圖所示。由4A2

23、向4F1躍遷吸收紫藍(lán)光,峰值波長在附近,稱為紫帶或U帶。由4A2向4F2躍遷吸收黃綠光,峰值波長在附近,稱為綠帶或Y帶。這是兩個很強(qiáng)很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約左右。圖 紅寶石中鉻離子的吸收光譜圖 紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu) 紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線(R1和R2線),分別為E和2A能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的,室溫下對應(yīng)的中心波長分別為和。通常紅寶石激光器中只有 R1線才能形成激光輸出。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院48 紅寶石突出的缺點(diǎn)是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。 但具有很多優(yōu)點(diǎn),如:機(jī)械強(qiáng)度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;熒光

24、譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,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。圖 紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院49 Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。一般含Nd3+量為1%原子比,此時Nd3+的密度為1.381020cm-3,顏色為淡紫色。實(shí)際制備時是將一定比例的A1203、Y2O3和Nd2

25、O3在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶系,是各向同性晶體。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(Nd3)，其吸收光譜如圖所示圖 Nd3:YAG 晶體的吸收光譜圖 Nd3:YAG 的能級結(jié)構(gòu)YAG中Nd3與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)如右圖 所示。它屬于四能級系統(tǒng)。 50比的熒光約強(qiáng)四倍的譜線先起振,進(jìn)而抑制譜線起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生激光。只有采取選頻措施，才能實(shí)現(xiàn)波長的激光振蕩。 四、釹玻璃激光器 繼1960年第一臺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Nd2O3制成的。最

26、佳摻入Nd2O3量為1%5%重量比。對應(yīng)3%的摻入量,Nd3+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。 玻璃的制備工藝比較成熟,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)12m,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,用于集成光路中的光放大或振蕩。 釹玻璃最大的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱率太低,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)的器件,且在應(yīng)用時要特別注意防止自身破壞。51E4:含三個吸收帶(抽運(yùn)能帶) *(吸收特定波長的光而躍遷到這三個吸收帶) (中心波長5900A)(. 7500

27、A)(. 8000A)E3:三條激光譜線公共的激光上能級 E2: 含二條激光譜線的二個激光下能級(四能級系統(tǒng)), 即( ,對應(yīng)1.37m 譜線)( ,對應(yīng)1.062m譜線) 釹玻璃的能級結(jié)構(gòu)和躍遷光譜 52E1:基態(tài), 一條激光譜線的激光下能級(三能級系統(tǒng)): ( 對應(yīng)0.92m譜線) 躍遷譜線: 1.062m:四能級系統(tǒng), 躍遷幾率大, 通?？捎^察到; 1.37m: 四能級系統(tǒng), 躍遷幾率較小, 不一定可觀 察到;0.92m:三能級系統(tǒng), 難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 一般不 出現(xiàn).533.3.2 固體激光器的泵浦系統(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。惰性氣體放電燈(燈內(nèi)充入氙

28、山、氪等惰性氣體)、金屬蒸氣燈(燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）、鹵化物燈(碘鎢燈、鑷鎢燈等)、半導(dǎo)體激光器、日光泵(用聚光鏡將日光會聚到激光棒中)等。脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射效率較其他燈都高,是紅寶石釹玻璃和Nd:YAG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,其輻射光譜與Nd:YAG泵浦吸收帶相匹配,故在連續(xù)和小能量脈沖Nd:YAG器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用220V電壓即可,使用簡單、方便,在功率小于1OW的連續(xù)Nd:YAG器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多用高壓蒸氣燈,它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小,產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹

29、配,可用于小型摻鐵激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。 在各種泵浦光源中,以惰性氣體放電燈應(yīng)用最普遍。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和聚光器。 二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個基本條件。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.54 1 惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氣體組成。見圖 (a)。 電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率,又不易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,高功率燈的電極要設(shè)計(jì)成水冷結(jié)構(gòu),見圖(b),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(Xe)、氪(kr)氣體。 2 氙燈在低電流密度放電(如連續(xù)燈放電和小能量脈沖燈放電)時,輻射的特征譜線的峰值波伏在、和1um附近。氪燈在低電流密度放電時,輻射的特征譜線的峰值波長在、和um附近。55三、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冷卻、氣體冷卻和