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激光器原理与技应用第三章典型激光器第一节概述第二节气体激光器第三节固体激光器第四节染料激光器主要内容：第一节概述一、激光器的基本结构激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构成。激光器的基本结构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作用源泉之所在。泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作物质类型不同,采用的泵浦方式不同。光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈,同时,谐振腔的参数影响输出激光束的质量。第一节概述二、分类及输出特性激光器种类繁多,习惯上主要按照以下两种方式划分:一种是工作物质,另一种是按照激光器工作方式。1按照激光工作物质1）气体激光器气体和金属蒸气作为工作物质。根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子,激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和镉、铜、锰、锌、铅等金属原子蒸气。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。第一节概述分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2激光器。准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁产生于其束缚态和自由态之间。采用的准分子气体主要有XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*等。其典型代表为XeF*准分子激光器。离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子,激光跃迁发生在气体离子的不同激发态之间。采用的离子气体主要有惰性气体离子、分子气体离子和金属蒸气离子三类。其典型代表为Ar+激光器。第一节概述激励方式气体激光器一般采用气体放电激励,还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等方式。波长范围：气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外—远红外波段特点：激光谱线上万条,具有输出光束质量高(方向性及单色性好)、连续输出功率大(如CO2激光器)等输出特性,其器件结构简单,造价低廉。第一节概述应用气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领域,如计量、材料加工、激光医疗、激光通信、能源等方面。1961年,第一台气体激光器—He-Ne激光器问世。2)．固体激光器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,如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子(称为激活离子),激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间。用作激活离子的元素可分为四类:三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过渡金属离子和锕系金属离子。固体激光器的典型代表是红宝石(Cr3+:Al2O3)激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)激光器、钕玻璃激光器和掺钛蓝宝石(Ti3+:Al2O3)激光器。第一节概述固体激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有闪光灯和半导体激光二极管两类。固体激光器的波长覆盖范围主要位于可见光—近红外波段,激光谱线数千条,具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲激光器,单脉冲输出能量可达数万焦)、运转方式多样等特点。器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输。固体激光器主要应用于工业、国防、科研、医学等领域,如激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。第一节概述3)．液体激光器液体激光器的工作物质分为二类:一类为有机化合物液体(染料),另一类为无机化合物液体。其中,染料激光器是液体激光器的典型代表。常用的有机染料有四类:吐吨类染料、香豆素类激光染料、恶嗪激光染料和花青类染料。染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和闪光灯泵浦染料激光器的波长覆盖范围为紫外到近红外波段(300nm～1.3μm),通过混频等技术还可将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段。激光波长连续可调谐是染料激光器最重要的输出特性。器件特点是结构简单、价格低廉。染料溶液的稳定性比较差是这类器件的不足。染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。1966年,世界上第一台染料激光器———由红宝石激光器泵浦的氯铝钛花青染料激光器问世。第一节概述4)．半导体激光器半导体激光器也称为半导体激光二极管,或简称激光二极管(LaserDiode,缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性,使半导体激光器的工作特性有其特殊性。半导体激光器以半导体材料为工作物质。常用的半导体材料主要有三类:(1)ⅢA—ⅤA族化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。(2)ⅡB—ⅥA族化合物半导体,如硫化镉(CdS)等。(3)ⅣA—ⅥA族化合物半导体,如碲锡铅(PbSnTe)等。根据生成pn结所用材料和结构的不同,半导体激光器有同质结、异质结(单、双)、量子阱等多种类型。半导体激光器采用注入电流方式泵浦。第一节概述半导体激光器波长覆盖范围一般在近红外波段(920nm～1.65μm),其中1.3μm与1.55μm为光纤传输的两个窗口。半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命长(一般可达数十万乃至百万小时以上)等突出特点。半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光准直及激光医疗等方面。1962年,世界上第一台半导体激光器———GaAs激光器问世。第一节概述5)．化学激光器化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光辐射的。工作物质可以是气体或液体,但目前主要是气体,如氟化氢(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。化学激光器采用化学能激励。为促成工作物质的化学反应,一般需采用一些引发措施,如光引发、电引发、化学引发等。化学激光器的波长覆盖范围为紫外到红外波段,直至微米波段,功率高、能量输出高,无需外界提供泵浦源,可将化学能直接转换成激光能量是其突出特点,特别适合于野外等无电源处工作。化学激光器主要应用于国防、科学研究等领域,如激光武器、同位素分离等。1964年,第一台光解离碘原子化学激光器问世。第一节概述6)．自由电子激光器自由电子激光器是一种新型激光器。自由电子激光器的工作物质是相对论电子束。所谓相对论电子束是指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。自由电子激光器的泵浦源为空间周期磁场或电磁场。具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐是自由电子激光器两个最显著的特点。自由电子激光器在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的应用前景第一节概述7）．X射线激光器X射线激光器输出激光波长位于X射线波段(1～10nm)。X射线激光器工作物质为高度电离的等离子体,采用光泵浦,但需要特殊的X射线泵浦源。第一节概述8)．光纤激光器工作物质:以掺入某些激活离子的光纤,或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器。分类：晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非线性光学效应光纤激光器。泵浦方式主要采用半导体激光二极管泵浦。特点：光纤激光器是一种新型的激光器件,具有总增益高、阈值低、能量转换效率高、很宽的波长调谐范围及器件结构紧凑等突出特点,在远距离光纤通信等领域显示出了广阔的应用前景。1963年,第一台光纤激光器—Nd2O3光纤激光器问世第一节概述二、按照激光器工作方式划分激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式,连续激光器脉冲激光器。按照激光技术的应用分为调Q激光器锁模激光器稳频激光器可调谐激光器等,按照谐振腔腔型的不同分为非稳腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等类型。第二节气体激光器一、气体放电激励基础所谓气体放电,是指在高电压作用下,气体分子(或原子)发生电离而导电。常用气体激光器的气体放电属于弱电离气体放电,其气体电离度一般不超过0.1%。1.分类1).直流连续放电直流连续放电是指在气体激光器放电管两电极间加上可调的直流电压。调节放电管两端的电压或电阻，测出相应的放电电流，即可得到放电管直流连续放电的伏－安特性曲线。第二节气体激光器Ｄ点所对应的管压降称为着火电压，也称起辉电压，或击穿电压。AD段为非自持放电阶段。放电电流虽然随端电压升高而增加,但其值很小。此时若去掉外界电离源,放电电流则很快减小直至放电终止。此阶段的放电电流范围一般在10-20-10-11A之间。第二节气体激光器D点以后,则为自持放电阶段,原因阴极产生二次电子发射DE段叫作自持暗放电,放电不稳定平坦的EF段。该区域的特点是电流增加,但管压降几乎保持不变,放电管内出现明暗相间的辉光,称之为正常辉光放电。辉光放电阶段,由于二次发射的电子随电场的增加而迅速增加,故当放电管端电压略有增加时,放电电流就增大很多。辉光放电的电流范围一般在10-4～10-1A之间FG段则为反常辉光放电阶段。此阶段管压降随着电流增加而增加。反常辉光放电阶段,阴极溅射很强烈,放电管一般应避免在此状态下工作。第二节气体激光器G点所对应的电压叫做弧光着火电压。过G点后,放电管管压降再次迅速下降,放电电流快速增大,放电管中发出耀眼的弧光,称之为弧光放电。弧光放电的GH段呈现出负阻特性,放电不稳定。HK段为稳定弧光放电阶段,放电电流一般大于10-1A。辉光放电高电压、小电流(几毫安至几十毫安)放电,是一种稳定的自持放电。He-Ne激光器与CO2激光器都是工作在辉光放电区域。第二节气体激光器弧光放电低电压大电流(几十安至几千安)的自持放电。弧光放电的着火电压一般比辉光放电的着火电压高,但对阴极表面积和电子逸出功都很小的放电管而言,其弧光着火电压也可低于辉光着火电压。弧光放电分类：热阴极弧光放电、冷阴极弧光放电人工阴极弧光放电Ar+激光器工作于弧光放电区域。第二节气体激光器2).高频放电高频放电也叫做射频气体放电。所谓射频,通常指频率在几兆到几百兆范围内的电磁波。当两电极间施加高频交变电场后,由于带电粒子在两电极之间的渡越时间远大于电场的变化周期,使得电子不能再做长距离的运动,而只能在某个固定位置附近振荡,并在振荡过程中与气体粒子碰撞,产生电离和激发,以维持放电。射频放电时,由于电子不断来回运动使电子飞越的路程增大,从而使电子与气体粒子碰撞的次数增加,电离能力极大提高,也使得作为电子来源的阴极的重要性大为减弱。因此,射频放电可以用内电极,也可以用外电极,甚至可以不用电极。20世纪70年代,射频气体放电技术成功地应用于大功率输出CO2激光器,并已展示出其广阔的应用前景。第二节气体激光器3).脉冲放电放电管两电极间施加脉冲电压时,即产生脉冲放电。按放电电流密度的大小,放电管内可产生脉冲辉光放电和脉冲弧光放电。按所加电压的交变状态,可分为直流脉冲放电和交流脉冲放电。按脉冲持续时间,又可分为短脉冲放电和长脉冲放电。准分子激光器采用脉冲放电方式。大功率高气压气体激光器多采用短脉冲放电方式。气体放电除上述三种放电方式外,还有火花放电和电晕放电等方式。第二节气体激光器2．气体放电中的粒子碰撞与激发、电离过程在气体放电中,带电粒子(电子和离子)与中性气体粒子(原子或分子)之间的碰撞决定着放电进行的情况。其中,有两种基本的碰撞过程影响着器件粒子数反转分布的建立和维持。第一种过程是电离,它对于维持放电是不可或缺的;第二种过程是激光上、下能级粒子的激发与消激发。粒子的碰撞一般可分为两类:弹性碰撞和非弹性碰撞。在气体激光器工作物质的激发与电离过程中,粒子的碰撞都属于非弹性碰撞。非弹性碰撞又可分为第一类非弹性碰撞和第二类非弹性碰撞。第二节气体激光器1）.第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞指一个粒子的动能转变为另一粒子内能的碰撞。其最常见的形式之一就是快速电子与气体粒子发生碰撞激发和电离。在碰撞过程中,快速电子失去能量,速度变慢,气体粒子得到能量被激发到