激光原理与技术15

激光原理与技术西安电子科技大学物理与光电工程学院刘继芳第六章典型激光器简介§6.1激光器分类1.固体激光器连续激光器、脉冲激光器红宝石(世界上第一台激光器)、YAG、钛宝石一、按激光器工作物质的状态2.气体激光器He-Ne、Ar+、N2、He-Cd、铜蒸汽3.半导体激光器GaAs、IP、GaN、4.光纤激光器二、按激光器输出方式三、按泵浦方式光激励、电激励、其他第六章典型激光器简介一、He-Ne激光器§6.2电泵浦气体激光器最早研制成功的气体激光器在可见光和红外可产生多条谱线，最强633nm、1.15m、3.39m气体放电泵浦方式输出功率依放电管长度mW~数十mW工作物质Ne，辅助气体He提高泵浦效率He:Ne~5:1相关激光产生的He、Ne能级如图170160150140130120能量/(103cm-1)21S023S1He11S011S0电子碰撞激励Ne3S2S2525141014103P2P1S3.39m632.8nm1.15m自发辐射跃迁共振能量转移无辐射跃迁633nm：3S22P4He-Ne多产生633nm激光阴极发射e向阳极运动同时被电场加速基态He与e非弹性碰撞激发到21S01.15m：2S22P43.39m：3S23P421S0为亚稳态，可积累大量He基态Ne与21S0的He(He*)非弹性碰撞激发到3S2——共振能量转移3S2寿命100ns，2P4寿命10ns3S22P4间形成集居数反转§6.2电泵浦气体激光器波长选择：为获得强的632.8nm输出，采用以下方法抑制3.39m辐射的产生：632.8nm和3.39m两条谱线有相同上能级，其间存在强烈的竞争。由于G3，较长的632.8nmHe-Ne激光器，虽然反射镜对632.8nm具有高的反射率，仍然会产生较强的3.39m波长的放大的自发辐射和激光，这将使上能级集居数减少而导致632.8nm激光功率下降。632.8nm、1.15m、3.39m那一条谱线起振，由谐振腔介质膜反射镜的反射波长选择。借助腔内棱镜色散使3.39m激光不能起振；在腔内插入对3.39m波长的光吸收元件(如甲烷吸收盒)；借助轴向非均匀磁场使3.39m谱线线宽增加，从而使其增益下降。§6.2电泵浦气体激光器影响He-Ne输出功率的因素除尺寸、腔损耗和输出耦合外，还有：气体放电电流参数、充气气压、He、Ne比例、毛细管的管径。气体比例：Ne原子比例过小无疑会使输出功率减小，但Ne的电离电位较低，其比列过大会因电离过多而使电子数目增加，在较小的电场下就能维持一定的放电电流，低电场导致电子温度下降使激发速率降低，从而输出功率随之降低。输出功率：气压与管径：输出功率与充气压强p和管径d有关，存在一使输出功率最大的最佳pd值。最佳pd值约为(4.8~5.3)102Pa·mm。放电参数：输出功率并不随放电电流的增加单调上升，其间存在一输出功率最大的最佳放电电流。这是因为在放电管中，不仅存在激发过程，也不可避免的存在消激发过程。§6.2电泵浦气体激光器二、Ar+激光器3530252015105能量/eVArAr+基态3P5a72nmcb3P44P3P44S激光亚稳态Ar原子电子组态3P6Ar原子与电子碰撞基态Ar+(3P5)Ar+激发态3P44P、3P44S有若干电子组态，其间跃迁有9条谱线。最强：488nm、515.5nm集居数翻转途径：a.基态Ar+直接与电子碰撞4Pb.基态Ar+与电子碰撞高于4P能级再级联辐射4Pc.基态Ar+电子碰撞低于4P的亚稳态再与电子碰撞4P§6.2电泵浦气体激光器Ar电离能量(15eV)和激光上能级的激发能量(20eV)较高，激光运转所要求的平均电子动能(温度)很高。为提高放电电流密度，加轴向磁场，利用洛仑兹力约束电子和离子。，为了提高电子温度，充气压强一般150Pa。这导致Ar密度小，为了提高电离和激发速率，须增加放电管内的电子密度。故Ar+激光器必须采用大电流弧光放电激发(电流密106A/m2)。Ar+激光器的输出功率随放电电流的增加而迅速增长，但放电电流过大也会因多重电离出现和高温引起谱线加宽而导致输出功率下降。反射镜磁场陶瓷管放电电源回气孔激光钨盘冷却水§6.2电泵浦气体激光器分子总能量：量子化的(1)电子绕核运动动能CO2激光器的特点：输出功率大，能量转换效率高，输出波长(10.6m)正好处于大气窗口。应用于激光加工、医疗、大气通信及其它军事领域。电子能级:振动能级:转动能级=104:102:1三、CO2激光器CO2激光器工作物质：CO2、N2、He混合气体激光跃迁发生在CO2电子基态的两个振动转动能级之间N2提高激光上能级的激励效率He帮助抽空激光下能级的。(2)原子振动动能(3)分子转动动能(3)分子平动动能§6.2电泵浦气体激光器CO2有三种振动方式：对称、弯曲、反对称振动，如图。用量子数表示几率大激发过程：00011000:10.6m图示为与激光有关的振动能级0000态CO2与e碰撞直接0001321lOCOOCOOCOν1ν2ν33000200010000能量/(102m-1)ΔE18cm-1ν=1ν=00001100002000110000010.6m9.6m碰撞碰撞碰撞00010200:9.6m0000态CO2与e碰撞000n0001=0e碰撞=1亚稳态0000态CO2与N2(=1)碰撞0001§6.2电泵浦气体激光器CO2激光器谐振腔一般采用平凹腔。高反射镜采用金属镜输出耦合镜用Ge、GaAs等材料制成CO2种类较多，主要有4种：纵向流动、横向流动、封离型、波导主要是碰撞过程激光下能态抽空过程：1000、0200态CO2与0000态CO2碰撞0100，且1000、0200、0100态达热平衡，满足玻尔兹曼分布0100态CO2与0000态CO2碰撞返回基态的概率很小0100态CO2与基态He碰撞大大减小该能级寿命CO2激光器种类§6.2电泵浦气体激光器1.纵向慢流CO2激光器结构类似于内腔式He-Ne激光器，气体从放电管的一端流入，另一端抽出。气流、放电电流均和光轴方向一致。气体流动的目的是排除CO2与电子碰撞是分解出来的CO气体，并补充新鲜气体。放电电流密度和气体压强均有一使输出功率最大的最佳值。在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为50~60W/m。气流方向与光轴垂直，气体流动截面大，流动路径短，因此较低的流动速度就可达到纵向快流的同样冷却效果。而且其最佳压强可达1.3104Pa，提高激光输出功率。一般采用纵向放电。此类激光器单位长度的输出功率可达每米数千瓦，总输出功率已达1~20kW。2.横向流动CO2激光器§6.2电泵浦气体激光器在放电气体中加入催化剂O2促使CO2分子分解的CO和O重新结合为CO2选用不和O2起作用的阴极材料以保证激光器中有足够的O2与CO重新结合为CO2通常也加入少量的H2O或H2作催化剂封离型光器的输出功率水平与纵向慢流激光器相当。由BeO或玻璃制成的放电管径仅1~4mm放电管管壁对小角度掠射光的反射率很高，于是可低损耗地传输波导模。可采用纵向放电方式，也可采用横向射频激励。气压可高达(1.5~2.5)104Pa，输出功率为50W/m，适于制作输出功率小于30W的小型封离型激光器。3.封离型CO2激光器4.波导型CO2激光器§6.2电泵浦气体激光器1.灯泵浦泵浦方式：一般采用光泵浦方式！但又可细分为：脉冲激光器采用脉冲氙灯§6.3固体激光器连续激光器采用氪灯或碘钨灯全反射镜工作物质聚光镜部分反射镜激光灯通常采用椭圆或紧包聚光腔椭圆聚光腔的结构如图所示：内壁镀有高反射层的椭圆柱聚光腔中，激光棒和激励灯置于两个焦点上紧包腔中，激光棒和激励灯贴近平行放置，外裹一紧包圆柱腔，内壁镀高反射层。灯泵浦椭圆腔光泵浦灯结构§6.3固体激光器端面泵浦方式如图：半导体激光器电光转换效率高，发射谱线正好对准某些激光材料的吸收峰，泵浦效率高。2.半导体激光器(LD)泵浦LDM1M2工作物质侧面泵浦方式如图：全反射镜反射板输出镜LD阵列工作物质§6.3固体激光器端面泵浦结构侧面泵浦结构§6.3固体激光器红宝石是在Al2O3中掺入少量的Cr2O3生长成的晶体。激活铬离子(Cr3+)与激光产生有关的能级结构如图所示，属三能级结构。一、红宝石(Cr3+:Al2O3)其激发态E3为4F1和4F2能带，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。荧光谱线有两条：中心波长分别为0.6943m和0.6929m。图2.4-3红宝石中Cr3+的能级结构图2.4-4红宝石中Cr3+的吸收光谱曲线能级结构Cr3+吸收光谱Nd3+:YAG是将一定比例的A12O3、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3+)，与激光产生有关的能级结构如图所示，属于四能级系统。4I11/2相应于基态E1。其激光上能级E3为4F3/2，激光下能级为4I13/2、4I11/2，荧光谱线波长为1.35m、1.06m。二、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)Nd3+:YAG的能级结构能量(103cm1)1012864204F3/24I15/24I13/24I11/24I9/21.06m1.35m由于1.06m比1.35m波长的荧光强约4倍，所以在激光振荡中，将只产生1.06m的激光。Nd3+:YAG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。YAG是目前能在室温下连续工作的惟一实用固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd3+:YAG的量，远远超过其它固体工作物质。三、其它常用的固体工作物质钕玻璃是在玻璃基质中掺入一定比例的Nd2O3制成的。它的激活粒子是钕离子(Nd3+)，其能级结构、光谱持性与Nd3+:YAG大致相同，激光振荡谱线也是1.06m。1.钕玻璃因容易制成大尺寸、光学均匀性好的材料，而在大能量、大功率激光器中有着广泛的应用。缺点是导热率太低，热膨胀系数太大，不适于作连续和高重复率工作的激光器件。Nd3+：YAP的主要特点是能掺入较高的钕或其它稀土离子，具有较高的储能能力和转换效率，并且晶体的生长速度快。其缺点是破坏阈值低，热畸变较严重。3.氟化钇理(YLF)Nd3+:YAP的物化、机械等性能的可与Nd3+:YAG相媲美。它的激光谱线波长是1.0795m和1.0645m。晶体的主要特点是适于多种稀土离子掺杂和敏化，能在室温下实现从可见蓝光到中红外光多种波长的激光跃迁。2.掺钕铝酸钇(Nd3+:YAP)掺入激活离子铽(Tb3+)，并以钆(Gd)敏化，便能产生0.5445m的蓝色激光(利于水下传输)，效率约为0.03％；掺入激活离子钬(Ho3+)，并以铒(Er3+)和铥(Tm3+)为敏化离子时，能产生2.0654m的中红外激光(处于大气窗口)，效率可达(1～4)％。五磷酸钕是适应固体激光器小型化的需要而发展起来的一种高掺杂浓度的激光晶体。YLF的主要缺点是机械性能和热性能较差，晶体生长的工艺难度较大。4.五磷酸钕(NdPP)特点是Nd3+既是基质的一部分，又是激活离子，最佳掺钕浓度比Nd3+:YAG高出30倍，且浓度淬灭的影响很小，具有高效、低阈值等优点。一种国产的五磷酸钕染料调Q手持式激光器，五磷酸钕晶体尺寸为2.5×2.5×2.5(mm3)，激光头重量只有46克，输出脉冲峰值功率达3MW。还有其他晶体材料，数量有数十种，各有优缺点。1.半导体激光器的基本结构半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。一、半导体激光器的工作原理§6.4半导体激光器外形结构内部结构半导体材料是一种单晶体，其能带结构由价带、禁带和导带组成。与其它激光工作物质相似，半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和自发辐射过程。2.激光产生