激光原理第5章典型激光器介紹

1、光電與信息工程學(xué)院光電與信息工程學(xué)院http:/朱朱 莉莉 莉莉福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院第第5章章 典型激光器介紹典型激光器介紹5.1 固體激光器固體激光器5.2 氣體激光器氣體激光器5.3 染料激光器染料激光器5.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器5.5* 其他激光器其他激光器（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院一、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)一、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)

2、與工作物質(zhì)1.固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振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。腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖圖5-1 固體激光器的基本結(jié)固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖5.1 固體激光器固體激光器（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院2.紅寶石激光器（三能級(jí)系統(tǒng)）紅寶石激光器（三能級(jí)系統(tǒng)）圖圖(5-3) 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)R1線（線（0.6943um）R2線（線（0.6929um）優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高，容機(jī)械強(qiáng)度高，容易生成大尺寸晶

3、體，容易生成大尺寸晶體，容易獲得大能量的單模輸易獲得大能量的單模輸出。出。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：閾值高，溫度閾值高，溫度效應(yīng)嚴(yán)重，室溫下不效應(yīng)嚴(yán)重，室溫下不適于連續(xù)和高重復(fù)率適于連續(xù)和高重復(fù)率工作。工作。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院3.摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd3：YAG) （四能級(jí)系統(tǒng)）（四能級(jí)系統(tǒng)）工作物質(zhì)工作物質(zhì): :將一定比例的將一定比例的A12O3、Y2O3，和，和Nd2O3在單在單晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子子是釹離子(Nd

4、3)，圖圖(5-5) Nd3:YAG 的能級(jí)結(jié)構(gòu)的能級(jí)結(jié)構(gòu)基態(tài)基態(tài)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：閾值低，具有優(yōu)良的閾值低，具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，適于連續(xù)喝高重?zé)釋W(xué)性質(zhì)，適于連續(xù)喝高重復(fù)率工作。復(fù)率工作。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院二、二、 固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光器的泵浦系統(tǒng)1. 1. 固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件。勵(lì)。泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件。2. 2. 常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固常用的泵浦燈在空間的輻射

5、都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔聚光腔。 很高的發(fā)光效率很高的發(fā)光效率 光譜特性應(yīng)與工作物質(zhì)吸收光譜相匹配光譜特性應(yīng)與工作物質(zhì)吸收光譜相匹配（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院4. 固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中

6、以液冷最為普遍。等，其中以液冷最為普遍。 5.泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜（避免熱效應(yīng)）。譜（避免熱效應(yīng)）。 3.3.圖圖( (5 5- -6 6) )所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的采用的聚光腔聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個(gè)橢圓。個(gè)橢圓。 圖圖(5-6) (5-6) 橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光腔（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院三、

7、三、 固體激光器的輸出特性固體激光器的輸出特性1. 固體激光器的激光脈沖特性固體激光器的激光脈沖特性 一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩的短脈沖規(guī)則振蕩的短脈沖(或稱尖峰或稱尖峰)組成的，各個(gè)短脈沖的持組成的，各個(gè)短脈沖的持續(xù)時(shí)間約為續(xù)時(shí)間約為(0. .1 1) m，各短脈沖之間的間隔約為，各短脈沖之間的間隔約為(5 10) s。泵浦光愈強(qiáng)，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增。泵浦光愈強(qiáng)，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增加。加。調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)和鎖模技術(shù)可以改變這種特性，產(chǎn)生巨脈沖技術(shù)和鎖模技術(shù)可以改變這種特性，產(chǎn)生巨脈沖和超短脈沖

8、和超短脈沖 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院2. 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 總體效率總體效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對(duì)于連續(xù)激光器對(duì)于連續(xù)激光器(用功率描述用功率描述)和脈沖激光器和脈沖激光器(用能量描用能量描述述)分別表示為分別表示為：couabcLpinthinouttPPPP1211couabcLpinthinouttEEEE1211三、三、 固體激光器的輸出特性固體激光器的輸出特性（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范

9、大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院四、四、 新型固體激光器新型固體激光器1. 半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器 圖圖(5-7) 半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比有其主要優(yōu)點(diǎn)：相比有其主要優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換效率高。能量轉(zhuǎn)換效率高。產(chǎn)生的無功熱產(chǎn)生的無功熱量小。量小。壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。 半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)如半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)如圖圖( (5- -7）所所示：示：（第（第1章）

10、章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院2. 可調(diào)諧固體激光器可調(diào)諧固體激光器 可調(diào)諧固體激光器主要有兩類，一類是色心激光器，可調(diào)諧固體激光器主要有兩類，一類是色心激光器，一類是用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧一類是用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。激光器。優(yōu)點(diǎn)：閾值低，既可連續(xù)工作，優(yōu)點(diǎn)：閾值低，既可連續(xù)工作，又可脈沖工作，容又可脈沖工作，容易實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)，并且光束質(zhì)量好，調(diào)諧范圍可達(dá)易實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)，并且光束質(zhì)量好，調(diào)諧范圍可達(dá)0.83.9um。3. 高功率固體激光器高功率固體激光器 高功率固體激光器主要是指

11、輸出平均功率在幾百瓦高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直以上的各種連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應(yīng)用和激光加工應(yīng)用所追求的目標(biāo)。是軍事應(yīng)用和激光加工應(yīng)用所追求的目標(biāo)。 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院從二十世紀(jì)七十年代起開始研制的板條形固體激光器，從二十世紀(jì)七十年代起開始研制的板條形固體激光器，就是針對(duì)克服工作物質(zhì)中的熱分布及其引起的一系列如就是針對(duì)克服工作物質(zhì)中的熱分布及其引起的一系列如折射率分布、應(yīng)力雙折射等固有矛盾而提出的一種結(jié)構(gòu)折射率分布

12、、應(yīng)力雙折射等固有矛盾而提出的一種結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)如圖如圖( (5- -8) )所示。所示。 圖圖(5-8) 板條形固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖板條形固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖3. 高功率固體激光器高功率固體激光器 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院固體激光器固體激光器紅寶石激光器紅寶石激光器YAG激光器激光器工作物質(zhì)工作物質(zhì)Al2O3Al2O3Cr2O3Cr2O3；Cr3Cr3決定光譜性能決定光譜性能Al2O3Y2O3Nd2O3；Nd3決定光決定光譜性能譜性能物理過程物理過程三能級(jí)三能級(jí)四能級(jí)四能級(jí)激光譜線激光譜

13、線0.6943m+0.6929m0.6943m+0.6929m；0.6943m0.6943m占優(yōu)勢(shì)占優(yōu)勢(shì)1.35m +1.06m；一；一般只產(chǎn)生般只產(chǎn)生1.06m泵浦源泵浦源脈沖脈沖氙氙燈燈氪燈氪燈2222泵浦特點(diǎn)泵浦特點(diǎn)* *泵浦燈和激光棒分別位于橢圓聚光腔的兩條泵浦燈和激光棒分別位于橢圓聚光腔的兩條焦線上；焦線上；* *泵浦光源中僅有少部分與工作物質(zhì)泵浦光源中僅有少部分與工作物質(zhì)吸收帶相匹配的光能是有用的。吸收帶相匹配的光能是有用的。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院固體激光器固體激光器紅寶石激光器紅寶石激光

14、器YAG激光器激光器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)閾值高、溫度效閾值高、溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重、室應(yīng)非常嚴(yán)重、室溫下不適于連續(xù)溫下不適于連續(xù)和高重復(fù)率工作和高重復(fù)率工作閾值低、有優(yōu)良的熱學(xué)閾值低、有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)、適于連續(xù)和高重性質(zhì)、適于連續(xù)和高重復(fù)率工作；是目前能在復(fù)率工作；是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì)實(shí)用的固體工作物質(zhì)輸出特性輸出特性 大多數(shù)為脈沖激光器，產(chǎn)生的激光脈沖是大多數(shù)為脈沖激光器，產(chǎn)生的激光脈沖是一系列的尖峰，寬度約為幾個(gè)微米一系列的尖峰，寬度約為幾個(gè)微米轉(zhuǎn)換效率低轉(zhuǎn)換效率低(總體效率：激光輸出與泵浦源總體效率：激光輸出與泵浦源的電輸入之比的電輸入之比)0.5%-

15、1%1%-3%特點(diǎn)特點(diǎn)輸出能量大；峰值功率高輸出能量大；峰值功率高（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院一、一、 氦氦- -氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器1. He-Ne1. He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理 圖圖(5-9) He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式激光器的基本結(jié)構(gòu)形式 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 5.2 氣體激光器氣體激光器（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院圖圖(5-10) 與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的

16、Ne原子的原子的部分能級(jí)圖部分能級(jí)圖激發(fā)機(jī)理 ：He- -Ne激光器是激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)，典型的四能級(jí)系統(tǒng)，其激光譜線主要有其激光譜線主要有三條三條 :3S2P 0. .6328 2S2P 1. .15 3S3P 3. .39 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院2. He-Ne2. He-Ne激光器的輸出特性激光器的輸出特性 (1) (1) 譜線競(jìng)爭(zhēng)譜線競(jìng)爭(zhēng): : HeHe- -NeNe激光器三條強(qiáng)的激光譜線激光器三條強(qiáng)的激光譜線(0(0. .63286328 m m，1 1. .1515 m m，3 3.

17、 .3939 m)m)中哪一條譜線起振完全取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(zhǎng)選擇。見決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。見圖圖( (5 5- -1010) ) (2) (2) 輸出功率特性輸出功率特性 : : HeHe- -NeNe激光器的放電電流對(duì)輸出功激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。圖率影響很大。圖( (5 5- -1111) )是實(shí)是實(shí)驗(yàn)測(cè)驗(yàn)測(cè)得的輸出功率與放電電得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線流的關(guān)系曲線 圖圖(5-11) (5-11) 輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章

18、）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院圖圖(5-11) 輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線在最佳充氣條件下，使輸在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最出功率最大的放電電流叫最佳放電電流佳放電電流 He- -Ne激光器存在著最佳激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件。即存在最佳充氣條件。 若放電毛細(xì)管的直徑為若放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強(qiáng)為充氣壓強(qiáng)為p，則存在一個(gè)使，則存在一個(gè)使輸出功率最大的最佳輸出功率最大的最佳pd值。值。在最佳放電條件下，工作在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直

19、徑徑d成反比。成反比。 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院1. CO1. CO2 2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程 圖圖(5-12) (5-12) 封離式封離式COCO2 2激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖二、二氧化碳激光器二、二氧化碳激光器圖圖( (5 5- -1212) )是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成COCO2 2激光器諧振激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。法

20、是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院1. CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程 CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖分子能級(jí)圖如如圖圖( (5- -13) )所示。所示。 圖圖(5-13) 與產(chǎn)生激光有關(guān)的與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖分子能級(jí)圖輔助氣體：輔助氣體：N2和和He優(yōu)點(diǎn)：輸出功率優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大（大（104瓦）、效瓦）、效率高（率高（20%25%）（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章

21、）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院2. CO2激光器的輸出特性激光器的輸出特性 相應(yīng)于相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總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)。氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。 (1) 放電特性放電特性 CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過40，因此將有，因此將有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激升高

22、。氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)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，還將引起別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低分子的分解，降低放電管內(nèi)的放電管內(nèi)的CO2分子濃度。分子濃度。 (2) 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院三、三、 ArAr+ +離子激光器離子激光器1. Ar激光器的結(jié)構(gòu)

23、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(chǎng)和回氣激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)和回氣管等幾部分組成。管等幾部分組成。如圖如圖( (5- -14) )所示為石墨放電管的分段所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 。 圖圖(5-14) 分段石墨結(jié)構(gòu)分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示意圖激光器示意圖（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院2. Ar2. Ar激光器的激發(fā)機(jī)理激光器的激發(fā)機(jī)理 ArAr激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖如圖( (5 5- -1515) )所所示示 圖圖(5-15)

24、 與產(chǎn)生激光有關(guān)的與產(chǎn)生激光有關(guān)的Ar+的能級(jí)結(jié)構(gòu)的能級(jí)結(jié)構(gòu)有豐富的譜線：有豐富的譜線：0.4545um、0.4579um、0.4658um、0.4727um、0.4880um、0.4965um、0.5145um、0.5287um。最強(qiáng)的譜線：最強(qiáng)的譜線：0.4880um、0.5145um（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院3. Ar激光器的工作持性激光器的工作持性 Ar激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對(duì)應(yīng)每條譜線都激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)閾值電流有一個(gè)閾值電流 （P112 表表5-1）(1)多

25、譜線工作多譜線工作 (2)輸出功率與放電電流的關(guān)系輸出功率與放電電流的關(guān)系 由于由于Ar激光器特殊的激發(fā)激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功率隨放電電流機(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的變化規(guī)律與其它激光器有所不同，不同，圖圖( (5- -16) )示出了其示出了其間的間的關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。 圖圖(5-16) Ar+激光器輸出功率隨放電電流變化曲線激光器輸出功率隨放電電流變化曲線（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院氣體激光器氣體激光器He-Ne激光器激光器CO2激光器激光器Ar+激光器激光器工作物質(zhì)

26、工作物質(zhì)HeNe；Ne決決定光譜性能定光譜性能CO2HeN2；CO2決決定光譜性能定光譜性能Ar；Ar決決定光譜性能定光譜性能物理過程物理過程四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)激光譜線激光譜線0.6328m+1.15m+3.39m；3.39m占優(yōu)勢(shì)占優(yōu)勢(shì)10.6m +9. 6m；10.6m占優(yōu)占優(yōu)勢(shì)勢(shì)0.4880m+0.5145m 藍(lán)光藍(lán)光和綠光和綠光泵浦源泵浦源氣體放電激勵(lì)氣體放電激勵(lì)氣體放電激勵(lì)氣體放電激勵(lì) 氣體放電激勵(lì)氣體放電激勵(lì)（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院氣體激光器氣體激光

27、器He-Ne激光器激光器CO2激光器激光器Ar+激光器激光器輸出特輸出特性性*譜線競(jìng)爭(zhēng)譜線競(jìng)爭(zhēng)*輸出功率特性：輸出功率特性：與放電電流關(guān)系與放電電流關(guān)系很大，存在最佳很大，存在最佳氣體混合比和最氣體混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣即存在最佳充氣條件和毛細(xì)管直條件和毛細(xì)管直徑徑*放電特性：電流有放電特性：電流有最佳值最佳值*溫度效應(yīng)：轉(zhuǎn)換效溫度效應(yīng)：轉(zhuǎn)換效率高，約有率高，約有60以上以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，溫度升高，粒熱能，溫度升高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)減小，譜線子數(shù)反轉(zhuǎn)減小，譜線加寬增益系數(shù)下降加寬增益系數(shù)下降*多譜線工作：每多譜線工作：每條譜線都有一個(gè)閾條譜線

28、都有一個(gè)閾值電流，值電流，*輸出功率隨放電輸出功率隨放電電流的關(guān)系與其他電流的關(guān)系與其他激光器不一樣；激光器不一樣；（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院特點(diǎn)特點(diǎn)*氣態(tài)物質(zhì)的光學(xué)均勻性一般比較好，使其在單色性和光束穩(wěn)定氣態(tài)物質(zhì)的光學(xué)均勻性一般比較好，使其在單色性和光束穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢(shì)；性方面有較大優(yōu)勢(shì)；*譜線極為豐富；目前已達(dá)數(shù)千種，從紫外到遠(yuǎn)紅外波段；譜線極為豐富；目前已達(dá)數(shù)千種，從紫外到遠(yuǎn)紅外波段；*大多數(shù)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)大多數(shù)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)*都有瞬時(shí)功率不高的特點(diǎn)：工作氣體的氣壓較低，單位體積中都有瞬時(shí)功率不高的特點(diǎn)

29、：工作氣體的氣壓較低，單位體積中粒子數(shù)較少，只有固體激光器中激活粒子數(shù)密度的千分之一或粒子數(shù)較少，只有固體激光器中激活粒子數(shù)密度的千分之一或更少，因而儲(chǔ)存的能量少更少，因而儲(chǔ)存的能量少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，光束質(zhì)量好，便，光束質(zhì)量好，工作可靠，容易制工作可靠，容易制造造連續(xù)工作脈沖工作均連續(xù)工作脈沖工作均可；輸出功率大，效可；輸出功率大，效率高；正好處于大氣率高；正好處于大氣窗口，且對(duì)人的眼睛窗口，且對(duì)人的眼睛的危害比可見光和紅的危害比可見光和紅外線小得多外線小得多譜線豐富，主要分譜線豐富，主要分布在藍(lán)綠光區(qū)；連布在藍(lán)綠光區(qū)；連續(xù)脈沖工作均可，續(xù)脈沖工作均可，是目前在可見光區(qū)是目

30、前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器的氣體激光器氣體激光器氣體激光器He-Ne激光器激光器CO2激光器激光器Ar+激光器激光器（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院一、一、 染料激光器的激發(fā)機(jī)理染料激光器的激發(fā)機(jī)理1. 染料分子能級(jí)染料分子能級(jí) 染料分子能級(jí)圖是如染料分子能級(jí)圖是如圖圖( (5-17)所示的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)。所示的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)。 圖圖(5-17) 染料分子能級(jí)圖染料分子能級(jí)圖5.3 染料激光器染料激光器上能級(jí)上能級(jí)下能級(jí)下能級(jí) 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng) 閾值低閾值低 熒光范圍是準(zhǔn)連

31、續(xù)寬帶結(jié)構(gòu)熒光范圍是準(zhǔn)連續(xù)寬帶結(jié)構(gòu)（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院2. 染料分子的光輻射過程染料分子的光輻射過程 如圖如圖( (5- -18) )所示染料的所示染料的吸收吸收- -熒光光譜圖熒光光譜圖3. 染料分子的三重態(tài)染料分子的三重態(tài)“陷阱陷阱” 圖圖(5-18) 染料的吸收染料的吸收-熒光光譜圖熒光光譜圖圖圖(5-17) 染料分子能級(jí)圖染料分子能級(jí)圖三重態(tài)三重態(tài)T1對(duì)染料激光器對(duì)染料激光器極為不利，必須消除。極為不利，必須消除。常用辦法：加入三重態(tài)常用辦法：加入三重態(tài)淬滅劑，縮短淬滅劑，縮短T1壽命。壽命

32、。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院二、染料激光器的泵浦二、染料激光器的泵浦1.1.閃光燈脈沖泵浦閃光燈脈沖泵浦 泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。 2.2.激光脈沖泵浦激光脈沖泵浦 能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器氮分子激光器(0(0. .337337 m)m)，紅寶石激光器，紅寶石激光器(0(0. .69436943 m)m)，釹玻璃激光器釹玻璃激光器(1(1. .0606 m)m)，銅蒸

33、氣激光器，銅蒸氣激光器(0(0. .51065106 m m、0 0. .57825782 m)m)，準(zhǔn)分子激光器，準(zhǔn)分子激光器( (主要在紫外區(qū)主要在紫外區(qū)) ) 以及這些以及這些激光的二次、三次諧波等。激光的二次、三次諧波等。 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院圖圖(5-19)(5-19)是目前是目前經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖。示意圖。 圖圖(5-19) 三鏡腔式染料激光器三鏡腔式染料激光器選用泵浦激光的原則：選用泵浦激光的原則： 泵浦光譜與染料吸收光譜匹配。泵浦光

34、譜與染料吸收光譜匹配。 泵浦功率、能量應(yīng)滿足要求。泵浦功率、能量應(yīng)滿足要求。 泵浦光脈沖寬度應(yīng)窄，足以消除三重態(tài)的淬滅作用。泵浦光脈沖寬度應(yīng)窄，足以消除三重態(tài)的淬滅作用。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院三、三、 染料激光器的調(diào)諧染料激光器的調(diào)諧1. 光柵調(diào)諧光柵調(diào)諧 圖圖(5(5- -20)20)是一種光是一種光柵柵- -反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵G G具有擴(kuò)束和色散作用。具有擴(kuò)束和色散作用。 圖圖(5-20) 光柵光柵-反射鏡調(diào)諧腔反射鏡調(diào)諧腔當(dāng)旋轉(zhuǎn)當(dāng)旋轉(zhuǎn)R2,使某個(gè)使某個(gè)波長(zhǎng)的

35、光入射角為波長(zhǎng)的光入射角為0，該波長(zhǎng)就能低損耗該波長(zhǎng)就能低損耗返回諧振腔，形成返回諧振腔，形成振蕩。振蕩。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院圖圖(5(5- -21)21)是是一種折疊一種折疊式縱向泵浦染料激光器式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。鏡是一種色散元件。 圖圖(5-21) 棱鏡調(diào)諧腔棱鏡調(diào)諧腔2. 棱鏡調(diào)諧棱鏡調(diào)諧 （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院3. 雙折射濾光片調(diào)諧雙折射濾光

36、片調(diào)諧 利用雙折射濾光利用雙折射濾光片調(diào)諧，是目前染片調(diào)諧，是目前染料激光器廣泛采用料激光器廣泛采用的調(diào)諧方法的調(diào)諧方法。8 8字形諧振腔，可字形諧振腔，可消除空間燒孔效應(yīng)，消除空間燒孔效應(yīng)，提高振蕩效率。提高振蕩效率。雙折射濾波片為雙折射濾波片為調(diào)諧元件。調(diào)諧元件。 圖圖(5-22) 典型染料激光器原理示意圖典型染料激光器原理示意圖（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院小結(jié)：小結(jié)： 典型激光器典型激光器 各種工作物質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式的激光器不斷出現(xiàn)。各種工作物質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式的激光器不斷出現(xiàn)。 按工作波段分類：按工作波段分類

37、：紅外和遠(yuǎn)紅外激光器、可見光激光器、紅外和遠(yuǎn)紅外激光器、可見光激光器、紫外和真空紫外激光器、紫外和真空紫外激光器、X X射線激光器。射線激光器。 按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類：按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器。光器。 按激光器工作物質(zhì)分類：按激光器工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、染料固體激光器、氣體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器。激光器和半導(dǎo)體激光器。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院固體激光器固體激光器 固體激光器固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物

38、質(zhì)是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。的激光器。 常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石石榴石(Nd3:YAG)等三種等三種 。 固體激光器的特點(diǎn)：固體激光器的特點(diǎn)：輸出能量大輸出能量大(可達(dá)數(shù)萬焦耳可達(dá)數(shù)萬焦耳)，峰值功，峰值功率高率高(連續(xù)功率可達(dá)數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達(dá)千兆瓦、幾連續(xù)功率可達(dá)數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達(dá)千兆瓦、幾十太瓦十太瓦)，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用。，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用。 廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面，例如打孔、廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面，例如打孔、焊接、劃片、微調(diào)、激光測(cè)距

39、、雷達(dá)、制導(dǎo)、激光視網(wǎng)膜焊接、劃片、微調(diào)、激光測(cè)距、雷達(dá)、制導(dǎo)、激光視網(wǎng)膜凝結(jié)、全息照相、激光存儲(chǔ)、大容量通信等。凝結(jié)、全息照相、激光存儲(chǔ)、大容量通信等。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院Nd3:YAG激光器激光器 突出優(yōu)點(diǎn)：突出優(yōu)點(diǎn)：閾值低和具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，這就使得閾值低和具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，這就使得它適于連續(xù)和高重復(fù)率工作。它適于連續(xù)和高重復(fù)率工作。 Nd3:YAG是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中，特別是在高固體工作物質(zhì)，在中小功率

40、脈沖器件中，特別是在高重復(fù)率的脈沖器件中，目前應(yīng)用重復(fù)率的脈沖器件中，目前應(yīng)用Nd3:YAG的量，遠(yuǎn)的量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它固體工作物質(zhì)?？梢哉f，遠(yuǎn)超過其它固體工作物質(zhì)?？梢哉f， Nd3:YAG從出從出現(xiàn)至今，大量使用，長(zhǎng)盛不衰?，F(xiàn)至今，大量使用，長(zhǎng)盛不衰。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院氣體激光器氣體激光器 氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器。氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器。 與其它種類的激光器相比較，與其它種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點(diǎn)氣體激光器的突出優(yōu)點(diǎn):輸輸出光束的質(zhì)量好出光

41、束的質(zhì)量好(單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等)。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科學(xué)研究中，都有廣泛的因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科學(xué)研究中，都有廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。 三種典型氣體激光器：三種典型氣體激光器： He-Ne激光器：激光器：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、光束質(zhì)量好、具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、光束質(zhì)量好、工作可靠和制造容易等優(yōu)點(diǎn)，至今仍然是應(yīng)用最廣泛的工作可靠和制造容易等優(yōu)點(diǎn)，至今仍然是應(yīng)用最廣泛的一種氣體激光器。主要譜線是一種氣體激光器。主要譜線是0.6328 m紅光，黃光紅光，黃光(0.594 m)、綠光、綠光(0.543 m)和橙光和橙光(0.606 m、0.

42、612 m) （第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院氣體激光器氣體激光器(續(xù)續(xù)1) 二氧化碳二氧化碳(CO2)激光器：激光器：是以是以CO2氣體分子作為工作物質(zhì)氣體分子作為工作物質(zhì)的氣體激光器。其激光波長(zhǎng)為的氣體激光器。其激光波長(zhǎng)為10.6 m和和9.6 m。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：它既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)它的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)(20 25)，連續(xù)輸出功率可達(dá)萬，連續(xù)輸出功率可達(dá)萬瓦量級(jí)，脈沖輸出能量可達(dá)萬焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫瓦量級(jí)，脈沖

43、輸出能量可達(dá)萬焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫微秒。微秒。 被廣泛用于被廣泛用于材料加工、通信、雷達(dá)、誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)、外科材料加工、通信、雷達(dá)、誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)、外科手術(shù)等方面，還可用于激光引發(fā)熱核反應(yīng)，激光分離同位手術(shù)等方面，還可用于激光引發(fā)熱核反應(yīng)，激光分離同位素以及激光武器等。素以及激光武器等。（第（第1章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院（第（第3章）章）福建師范大學(xué)光電學(xué)院福建師范大學(xué)光電學(xué)院氣體激光器氣體激光器(續(xù)續(xù)2) 離子離子(Ar)激光器：以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)激光器：以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)躍遷進(jìn)行工作的氣體激光器。躍遷進(jìn)行工作的氣體激光器。 Ar激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍(lán)綠光區(qū)，其激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍(lán)綠光區(qū)，其中，以中，以0.4880 m藍(lán)光和藍(lán)光和0.5145 m綠光兩條譜線最強(qiáng)。綠光兩條譜線最強(qiáng)。 Ar激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。連續(xù)激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。連續(xù)功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦，是目前在功率一般為幾瓦