2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：激光器的發(fā)展歷史

激光器的發(fā)展歷史

內(nèi)腔式：諧振腔的兩端鏡焊接在玻璃外殼上，主要用于小功率短腔結(jié)構(gòu)。特點：使用方便，適合小功率，輸出激光為非偏振。外腔式：玻璃管兩端用布儒斯特窗玻璃封裝，諧振腔的兩端鏡外加，可以獨立調(diào)節(jié)。特點：輸出線偏振光，適合大功率，但需要經(jīng)常維護。半內(nèi)腔式：諧振腔的一個端鏡與玻璃殼焊接在一起，而另一個端鏡可自由調(diào)節(jié)。特點：輸出線偏振較好，適合中等功率，維護較容易。工作物質(zhì)：氬氣激活粒子：Ar+能級結(jié)構(gòu)：四能級激光發(fā)射：4p

4s發(fā)射

9條譜線，其中514.5nm(綠色)和488nm(藍色)兩條譜線增益最大,優(yōu)先起振.

2

離子氣體激光器：氬離子激光器（1）工作原理3p5Ar+3p44s3p43d3p44p3p44d3p45s3p6Ar泵浦:

低壓大電流弧光放電使氬原子電離，離子-離子,離子-電子碰撞而激發(fā).直接或分步激發(fā).（2）激光管結(jié)構(gòu)Ar+激光器在低氣壓和大電流(約為0.4托和15A)的弧光放電條件下工作，所以在結(jié)構(gòu)上有特殊的要求.放電管:要求耐高溫、傳熱性能好。大功率激光器放電管使用氧化鈹陶瓷(粉末有毒，加工困難，價格貴)。中小功率激光器放電管使用分段石墨.石墨片回氣管：使放電管氣壓平衡，有助于激光輸出。石墨片冷卻裝置：電源所提供的能量絕大部分是以熱的形式耗散在放電管壁上(功率約為5kW)，必須冷卻.線圈:提供軸向磁場，其作用是磁約束Ar+在放電管軸心，提高激發(fā)效率。（3）氬離子激光器特點與應(yīng)用：是可見光譜中連續(xù)輸出功率最大的激光器(幾瓦

150W).藍綠色激光有特殊應(yīng)用:1)大量作為染料激光器的泵浦源。

2)用于信息處理及醫(yī)學(xué)(眼科上用得最多,是焊接視網(wǎng)膜的理想光源。手術(shù)時,眼底視網(wǎng)膜能吸收綠光，能迅速形成局部加熱,將視網(wǎng)膜上蛋白質(zhì)變成凝膠狀態(tài)）。

3)大功率藍綠激光還能深入海水層,而不被海水吸收,因而可廣泛用于水下勘測作業(yè)。（1）工作原理工作物質(zhì)：CO2，N2，He

的混合氣體，總壓強10托。激活粒子：CO2分子能級結(jié)構(gòu)：

CO2的四能級3分子氣體激光器：二氧化碳激光器

——大功率高效率中紅外激光器.18cm-100000110100000010200CO2N2=0=110.61

9.5

碰撞(He)輸出波長：常輸出10.61

m泵浦：主要是N2輝光放電輔助泵浦.（N2作能量的共振轉(zhuǎn)移，He通過碰撞冷卻激發(fā)態(tài)的CO2，及時抽空激光下能級）,也有電子與CO2碰撞激發(fā),但以共振轉(zhuǎn)移為主.（2）CO2激光器的種類:縱向流動CO2激光器，橫向流動CO2激光器，封離式CO2激光器，波導(dǎo)CO2激光器。

（3）CO2激光器特點:

效率高（20~25

）,功率強（連續(xù)功率可達104W，比固體激光器強，但脈沖功率不如固體激光器）,工作穩(wěn)定,單色性好,波長適用于空間光通信(10.6

m正處“大氣窗口”中)。(1)工作原理工作物質(zhì):有機染料(如:若丹明)溶液泵浦方式：光泵浦能級結(jié)構(gòu)：染料分子的等效四能級結(jié)構(gòu)三、液體激光器:染料激光器激光通常為激光激發(fā)，把染料分子激發(fā)到S1能級,再往S0躍遷.單重態(tài)S1與三重態(tài)T1態(tài)間存在串躍，但不能產(chǎn)生輻射躍遷.(2)激光的猝滅S1

S0(激光)的發(fā)射能量與T1

T2的吸收能量接近，激光可被T1態(tài)吸收，這種現(xiàn)象稱為激光猝滅。消除激光猝滅方法：用短脈沖激光快速激發(fā)、振蕩、輸出；或者加入三重態(tài)猝滅劑(如氧氣)，迅速釋放T1態(tài)能量返回基態(tài)S0。(3)染料激光器的特點輸出波長可調(diào)(范圍可達100nm,但不如鈦寶石激光器)；

脈寬窄(可達fs級,與鈦寶石激光器相當);

輸出功率大(可與固體激光器比擬);

價格便宜；染料均勻性好。但有污染.激光(四)半導(dǎo)體激光器——以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。

泵浦方式：電流注入圖1-26，原子相互影響，使能級表現(xiàn)為能帶——導(dǎo)帶和價帶，熱平衡狀態(tài)下，電子基本處于價帶中，導(dǎo)帶是空著的，導(dǎo)帶和價帶之間無能級，稱為禁帶，圖中EF稱為費米能級，是全滿能級和全空能級的分界面，表征電子在能級中填充的情況。

由于電子基本處于價帶中，導(dǎo)帶是空著的，外來光作用下，受激吸收優(yōu)于受激輻射，故無法產(chǎn)生激光。圖1-27，非熱平衡狀態(tài)下，部分電子處于價帶中，部分電子處于導(dǎo)帶，這時，如果有外來光作用，誘導(dǎo)高能態(tài)電子往下躍遷，可能使得受激輻射優(yōu)于受激吸收，產(chǎn)生激光。但是，這對于常溫下的均勻的半導(dǎo)體材料是不可能的，這時必須引入兩個費米能級EFc

和EFv，必須采用重摻雜的PN結(jié)結(jié)構(gòu),并加上足夠的正向電壓。

重滲雜的p-n結(jié)形成過程中,電子從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，直至將