典型激光器简介

1赵风周物理学院2020年2月激光原理与技术LASERPrinciplesandTechnology2第三章典型激光器1960年，休斯顿飞机公司的梅曼博士研制成功世界上第一台红宝石激光器为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，为光学领域注入了生机，产生了量子光学、非线性光学等现代光学分支3第一节概述1.1激光器的基本结构激光器的基本结构：工作物质、激励源、光学谐振腔工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射放大的源泉激励源为工作物质中实现粒子数反转分布提供能源41.2激光器的分类及主要输出特性1、按照激光工作物质划分(1)固体激光器以固体激光介质作为工作物质固体工作物质通常是在基质材料中掺入少量金属离子(激活离子)，激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间激活离子：三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过渡金属离子、锕系金属离子典型代表：红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石激光器(Nd3+:YAG)、钕玻璃激光器、钛宝石激光器(Ti3+:Al2O3)5激励：固体激光器多采用光激励，光源主要有闪光灯和半导体激光二极管波长范围：位于可见光-近红外波段，激光谱线数千条特点：输出能量大，运转方式多样，固体激光器结构紧凑、牢固耐用、易与光纤耦合传输应用：工业、国防、科研、医学等领域——激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等6(2)气体激光器以气体和金属蒸气作为工作物质根据工作气体性质，分为原子激光器、分子激光器、离子激光器①原子激光器：跃迁发生在气体原子不同激发态之间。主要采用氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锰、锌、铅等金属原子蒸汽。代表He-Ne激光器②分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代表CO2激光器7③准分子激光器：分子激光器的一种。准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的不稳定缔合物。激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等典型代表：XeF准分子激光器④离子激光器：工作物质是已电离的气体离子，跃迁发生在气体离子的不同激发态之间。采用的气体离子主要有惰性气体离子、分子气体离子、金属蒸汽离子等。典型代表：Ar+激光器8激励：主要是气体放电激励，还有电子束激励、热激励、化学反应激励波长范围：位于真空紫外-远红外波段，激光谱线上万条特点：输出光束质量高(方向性单色性好)，连续输出功率大(CO2激光器等)，器件结构简单，造价低廉应用：计量、材料加工、激光通信、能源等1961年，第一台气体激光器——He-Ne激光器问世9(3)液体激光器工作物质：有机化合物液体(染料)和无机化合物液体常用的染料有：吐吨类染料、香豆类激光染料、恶嗪激光染料、花青类染料激励：主要有激光激励和闪光灯激励两种形式波长范围：紫外-近红外波段(300nm~1.3mm)，通过混频技术可以将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段特点：波长连续可调，器件结构简单、价格低廉；染料溶液稳定性比较差1966年世界上第一台染料激光器——氯铝钛花青染料激光器问世，采用红宝石激光激励10(4)半导体激光器半导体激光二极管，或激光二极管(LaserDiode,LD）工作物质：半导体材料。①IIIA-VA族化合物半导体，GaAs、InP、等②IIB-VIA族化合物半导体，CdS等③IVA-VIA族化合物半导体，PbSbTe等类型：同质结、异质结(单、双)、量子阱激励：注入电流激励波长范围：近红外波段(920nm~1.65mm)特点：能量转换率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、寿命长(十万甚至百万小时)11应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光准直等等1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世12(5)化学激光器通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光引发、电引发、化学引发等波长范围：紫外-微米波段特点：功率高、能量输出高、无需外界提供激励源，可将化学能直接转化成激光能量，特别适合野外等无电源处应用：激光武器、同位素分离1964年，第一台光解离碘原子化学激光器问世13(6)自由电子激光器是一种新型激光器工作物质：相对论电子束——通过电子加速器加速的高能电子。自由电子激光器将相对论电子束的动能转变为激光辐射能激励：空间周期磁场或电磁场特点：能量转换效率、输出激光波长连续可调应用：在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的应用前景14(7)X射线激光器输出波长位于X射线波段(1-10nm)工作物质：高度电离的等离子体激励：光激励，须特殊的X射线源(8)光纤激光器工作物质：掺入某些激活离子的光纤，或利用光纤本身的非线性光学效应激励：半导体激光二极管激励特点：总增益高、阈值低、能量转换率高、很宽的波长调谐范围，器件结构紧凑1963年，第一台光纤激光器——Nd2O3光纤激光器问世152、按照激光工作方式划分连续输出和脉冲输出两种工作方式：连续激光器、脉冲激光器3、按照激光技术的应用划分调Q激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器4、按照谐振腔类型划分非稳腔激光器、平面腔激光器、球面腔激光器等等16第二节固体激光器固体激光器在激光器家族中具有最长的历史。我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝石激光器”，1961年8月诞生于中国科学院长春光机所。激光器的设计师是王之江教授。王之江教授因此被中国光学界尊称为“中国激光之父”。“小球照明红宝石激光器”在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步，主要表现在激励氙灯采用直管式，而非螺旋形；红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球心附近。这种结构可以获得更高的激励效率。直至今天，闪光灯激励的固体激光器还大都采用这种方式172.1固体工作物质固体工作物质由固体基质材料和少量掺杂离子(金属离子)两部分构成。其中固体工作物质的物理性能由基质材料体现，而其光谱特性则由掺杂离子决定。基质材料有晶体和玻璃两大类。晶体又分为氧化物晶体和氟化物晶体。氧化物晶体有单一氧化物和混合氧化物。单一氧化物晶体如Al2O3；混合氧化物晶体如石榴石型晶体YAG、YAP。氟化物晶体也有单一氟化物，如CaF2晶体和混合氟化物；如LiYF4晶体。玻璃则有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。18掺杂离子种类①三价稀土金属离子：如钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm+)、铕(Eu3+)、镝(Dy3+)、钬(Ho3+)、铒(Er3+)、镱(Yb3+)等。②二价稀土金属离子：如钐(Sm2+)、铒(Er2+)、铥(Tm2+)、镝(Dy2+)等。③过渡金属离子：如钛(Ti3+)、铬(Cr3+)、镍(Ni3+)、钴(Co3+)等。④锕系金属离子：多具有放射性，不易制备，只有铀(U3+)曾有所应用。19固体工作物质特点与要求固体工作物质达数百种，从中已获得激光谱线数千条。在一般固体工作物质中，参与受激辐射作用的离子浓度约为1025～1026m-3，比气体工作物质高3～4个数量级以上，且固体工作物质激光上能级的寿命也比较长，因此固体激光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部寄生振荡，端面镀有增透膜20光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成圆环形。圆环的个数就是光圈数。光圈不满一个时，可分为两种，一种是光圈变成直线了,习惯称其为零个光圈；另一种是成弧线的，习惯称其为半个光圈。局部光圈：就是局部不规则度所对应的局部偏差。主要看局部条纹偏移量和理想条纹间隔之间的比值。21固体工作物质的谱线加宽固体工作物质的谱线加宽有均匀加宽和非均匀加宽均匀加宽由晶格热振动引起，而非均匀加宽则由晶格缺陷引起。因机理复杂，很难从理论上求得固体工作物质谱线加宽线型函数的具体表达形式，一般是通过实验求出它的谱线宽度。红宝石晶体在低温时，谱线加宽主要是由晶格缺陷引起的非均匀加宽，室温时，以晶格热振动引起的均匀加宽为主Nd3+:YAG因晶体质量比红宝石好，故由晶格缺陷引起的非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主22钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱和特性与均匀加宽工作物质相似。231.红宝石晶体红宝石晶体是各向异性晶体，有三种生长方向:生长轴平行于光轴，为0o红宝石晶体，无偏振特性；生长轴垂直于光轴，为90o红宝石晶体，产生线偏振光；生长轴与光轴成60o，为60o红宝石晶体，产生线偏振光。实际使用中，多用60o红宝石晶体。(1)物理性质红宝石晶体是在Al2O3中掺入少量的Cr2O3，由Cr3+部分取代Al3+而成，其激活离子为Cr3+。掺入Cr2O3的重量比为0.03%～0.07%，一般为0.05%。晶体颜色为淡红色。24(2)晶体的激光性质①能级结构晶体的激光性质主要取决于Cr3+。Cr的外层电子组态为3d54s1，掺入Al2O3后失去3个电子，剩下3d壳层上3个外层电子(3d3)。红宝石晶体的光谱特性即是由这3个电子跃迁形成的，晶体与激光跃迁有关的部分能级结构如图晶体的激光性质主要指其能级结构、吸收光谱和荧光光谱252E能级为激光上能级，也是亚稳能级(Cr3+在该能级的寿命约为3ms)。由于晶格场的作用，该能级分裂为2Ā和Ē两个个子能级(能级差29cm-1)。粒子由这两个能级向基态跃迁时产生692.9nm和694.3nm两条谱线。4A2能级为激光下能级，也是基态能级4F1与4F2为两个吸收能级。粒子在其上的寿命约为纳秒量级，很快通过辐射跃迁弛豫到激光上能级。Cr3+的能级结构属三能级系统，因而器件阈值比较高，只能以脉冲方式运转26②吸收光谱27③荧光光谱红宝石晶体有两条强荧光谱线，分别称为R1线和R2线。R1线中心波长为694.3nm，Ē→4A2能级的自发辐射跃迁R2线中心波长为692.9nm，2Ā→4A2能级的自发辐射跃迁红宝石激光器通常只产生694.3nm激光，692.9nm不能形成振荡，主原因为：(a)跃迁到激光上能级Ē和2Ā上的粒子数服从玻尔兹曼分布，Ē能级上约占53%，2Ā能级上占47%；(b)R1线的荧光强度高于R2线，使R1线的受激辐射几率高于R2线，R1线先达到阈值形成激光振荡。由于2Ā与E两能级之间能级差很小，粒子交换频繁，Ē上的粒子跃迁后，2Ā能级上的子迅速转移到该能级，从而进一步抑制了R2线的振荡。当激光脉冲持续时间大于10-9s时，激光上能级的粒子都会通过R1线的受激辐射而返回基态。28(3)温度对红宝石晶体的影响红宝石晶体的性能易受温度的影响，主要表现在以下几方面:①温度上升导致红宝石激光中心波长向长波方向移动。这是由于温度上升使晶格场变化加剧，能级发生位移，造成激光上、下能级差缩小所致②温度上升导致荧光线宽加宽，量子效率下降。红宝石晶体低温下性能优良。温度升高将使其荧光谱线展宽，量子效率下降，从而导致器件阈值上升，效率下降，严重时会引起“温度猝灭”。因此，红宝石激光器在室温条件下以脉冲方式运转29(4)红宝石晶体的主要特点主要优点为:机械强度和化学稳定性高，能承受很高的激光功率密度，易生成较大尺寸;亚稳态寿命长，储能大，可获得大能量输出;荧光谱线较宽，易获得大能量单模输出;低温性能优良，输出可见光。缺点:能级结构属三能级系统，器件阈值高；晶体性能随温度变化明显，室温下不适于做连续和高重频器件。302.Nd