第三課 激光原理與典型激光器II_2013320final

1、第三課第三課激光原理與典型激光器激光原理與典型激光器林承友林承友2013.3.202013.3.20本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 2.1 激光原理簡(jiǎn)述激光原理簡(jiǎn)述 2.2 典型激光器 2.3 激光的應(yīng)用 2.4 激光控制技術(shù) 上節(jié)主要內(nèi)容回顧上節(jié)主要內(nèi)容回顧激光及其特性激光及其特性受激輻射：?jiǎn)紊院?，方向性好，亮度高，相干性好受激輻射：?jiǎn)紊院?，方向性好，亮度高，相干性好激光器的發(fā)展歷史激光器的發(fā)展歷史光輻射量子理論光輻射量子理論三種原子躍遷過(guò)程，愛(ài)因斯坦關(guān)系式三種原子躍遷過(guò)程，愛(ài)因斯坦關(guān)系式激光產(chǎn)生的條件激光產(chǎn)生的條件必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，減少振蕩模式數(shù)必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，減少振蕩模式數(shù)充分條

2、件：起振條件，穩(wěn)定振蕩條件充分條件：起振條件，穩(wěn)定振蕩條件激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)，泵浦源，諧振腔激光工作物質(zhì)，泵浦源，諧振腔本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 2.1 激光原理簡(jiǎn)述 2.2 典型激光器典型激光器 2.3 激光的應(yīng)用 2.4 激光控制技術(shù) 2.2 典型激光器典型激光器2.2.1 激光器的種類(lèi)2.2.2 固體激光器2.2.3 氣體激光器2.2.4 染料激光器2.2.5 半導(dǎo)體激光器2.2.6 新型激光器簡(jiǎn)介根據(jù)泵浦源種類(lèi)和泵浦方式分類(lèi)根據(jù)泵浦源種類(lèi)和泵浦方式分類(lèi)注入式激光器注入式激光器 光泵激光器光泵激光器 電子束泵浦激光器電子束泵浦激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 燈泵

3、激光器燈泵激光器 激光泵浦激光器激光泵浦激光器 LD泵浦激光器泵浦激光器 固體激固體激 光器光器放電泵浦激光器放電泵浦激光器 電子束泵浦激光器電子束泵浦激光器 微波泵浦激光器微波泵浦激光器 氣體激光器氣體激光器 根據(jù)工作物質(zhì)分類(lèi)根據(jù)工作物質(zhì)分類(lèi) 固體激光器固體激光器 ：紅寶石，：紅寶石，Nd:YAG，釹玻璃，釹玻璃氣體激光器氣體激光器 ：HeNe，CO2，離子激光器，離子激光器液體激光器液體激光器 ：染料激光器：染料激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 ：同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)，量子阱：同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)，量子阱2.2.1 激光器的種類(lèi)激光器的種類(lèi) 根據(jù)諧振腔類(lèi)型分類(lèi)：根據(jù)諧振腔類(lèi)型分類(lèi)：F-P腔，平凹腔，聚焦

4、腔，折疊腔，環(huán)形腔等。腔，平凹腔，聚焦腔，折疊腔，環(huán)形腔等。根據(jù)激光器的輸出波長(zhǎng)分類(lèi)：根據(jù)激光器的輸出波長(zhǎng)分類(lèi)：中紅外激光器，近紅外激光器，可見(jiàn)光激光器，中紅外激光器，近紅外激光器，可見(jiàn)光激光器，紅光激光器，綠光激光器，藍(lán)光激光器，紅光激光器，綠光激光器，藍(lán)光激光器，紫外激光器，深紫外激光器，紫外激光器，深紫外激光器，X射線(xiàn)激光器射線(xiàn)激光器根據(jù)激光器結(jié)構(gòu)根據(jù)激光器結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體激光器）（半導(dǎo)體激光器）分類(lèi)：分類(lèi)：同質(zhì)結(jié)激光器，單異質(zhì)結(jié)激光器，雙異質(zhì)結(jié)激光器，同質(zhì)結(jié)激光器，單異質(zhì)結(jié)激光器，雙異質(zhì)結(jié)激光器，量子阱激光器，量子線(xiàn)激光器，量子點(diǎn)激光器量子阱激光器，量子線(xiàn)激光器，量子點(diǎn)激光器固體激光器基本

5、上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷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。圖是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖意圖( (冷卻、濾光系統(tǒng)未畫(huà)出冷卻、濾光系統(tǒng)未畫(huà)出) )。 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 固體激光器固體激光器固體激光工作物質(zhì)：固體激光工作物質(zhì)：由由基質(zhì)材料基質(zhì)材料（晶體或玻璃）和少量（晶體或玻璃）和少量摻雜摻雜離子離子（激活粒子）兩部分組成（激活粒子）兩部分組成固體激光器分固體激光器分類(lèi)類(lèi)晶體激光器：晶體激光器：紅寶石，釔鋁石榴石（紅寶石，釔鋁石榴石（YAG）非

6、晶體激光器：非晶體激光器：玻璃、塑料玻璃、塑料目前最有實(shí)用價(jià)值的固體激光工作物質(zhì)：目前最有實(shí)用價(jià)值的固體激光工作物質(zhì)： 紅寶石晶體，釹玻璃，摻釹釔鋁石榴石晶體，摻鈦藍(lán)寶紅寶石晶體，釹玻璃，摻釹釔鋁石榴石晶體，摻鈦藍(lán)寶石晶體。石晶體。常用的激活粒子有：常用的激活粒子有：三價(jià)稀土金屬離子：釹三價(jià)稀土金屬離子：釹(Nd)、鉺、鉺(Er)、鈥、鈥(Ho)離子等離子等.過(guò)渡金屬離子：鉻（過(guò)渡金屬離子：鉻（Cr3+）離子、鈦（）離子、鈦（Ti3+）離子等。）離子等。特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸出能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)調(diào)輸出能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)調(diào)Q Q或或鎖模輸出。鎖模輸出。一、固體激光器工

7、作物質(zhì)一、固體激光器工作物質(zhì)二、固體激光器的泵浦系統(tǒng)二、固體激光器的泵浦系統(tǒng) 固體激光工作物質(zhì)一般都采用光泵浦。以前的泵浦光源固體激光工作物質(zhì)一般都采用光泵浦。以前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈（氙燈或氪燈），多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈（氙燈或氪燈），現(xiàn)在大多采用半導(dǎo)體激光器（現(xiàn)在大多采用半導(dǎo)體激光器（LDLD）泵浦。）泵浦。1. 1. 燈泵浦燈泵浦 泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工般都加工成圓柱棒形狀，為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上

8、，必須采用聚光腔。作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。 橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面并鍍膜，其橫截面是一個(gè)橢圓。也它的內(nèi)表面被拋光成鏡面并鍍膜，其橫截面是一個(gè)橢圓。也有雙燈一棒、四燈一棒。有雙燈一棒、四燈一棒。 燈泵浦燈泵浦脈沖激光器：脈沖激光器：脈沖氙燈脈沖氙燈連續(xù)激光器：連續(xù)激光器：氪燈，碘鎢燈氪燈，碘鎢燈橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光腔聚光腔內(nèi)表面鍍反射或漫射膜聚光腔內(nèi)表面鍍反射或漫射膜 固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光冷卻和濾光。常用的冷卻方式。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻

9、等，其中以液冷最為普遍。有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。 燈和棒之間插入濾光器件濾去紫外光譜燈和棒之間插入濾光器件濾去紫外光譜( (色心吸收色心吸收) )，或，或者冷卻水中加重鉻酸鉀。者冷卻水中加重鉻酸鉀。 半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比有很多優(yōu)點(diǎn)：有很多優(yōu)點(diǎn)： 光譜匹配好，能量轉(zhuǎn)換效率高；熱效應(yīng)小，光束空間質(zhì)量光譜匹配好，能量轉(zhuǎn)換效率高；熱效應(yīng)小，光束空間質(zhì)量好；壽命長(zhǎng)，可靠性高；體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。好；壽命長(zhǎng)，可靠性高；體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。 半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)，有半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器

10、的結(jié)構(gòu)，有直接端面泵浦、直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側(cè)泵浦方式。光纖耦合端面泵浦和側(cè)泵浦方式。端泵適合中小功率激光器，端泵適合中小功率激光器，側(cè)泵適合大功率激光器。側(cè)泵適合大功率激光器。 2. 2. 半導(dǎo)體激光二極管泵浦半導(dǎo)體激光二極管泵浦直接端面泵浦直接端面泵浦光纖耦合端面泵浦光纖耦合端面泵浦側(cè)泵浦方式側(cè)泵浦方式1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器三、典型固體激光器三、典型固體激光器第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸圖第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸圖紅寶石（紅寶石（Cr3+：Al2O3)激光器激光器 紅寶石是在三氧化二鋁紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)

11、中摻入少量的氧化鉻中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長(zhǎng)成的晶體（重量比為生長(zhǎng)成的晶體（重量比為0.03%0.07%)，鉻離子濃度約為，鉻離子濃度約為1019/cm3，吸收光譜特性主要取決于鉻離子，吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3)，各向異性，各向異性晶體，具有雙折射。晶體，具有雙折射。紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的吸收光譜U帶：帶：360450nm （峰（峰410nm）Y帶：帶：510600nm （峰（峰550nm） 入射光偏振方向平行或垂直光軸，吸收譜略有差別。入射光偏振方向平行或垂直光軸，吸收譜略有差別。1. 發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理 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)

12、發(fā)射譜：發(fā)射譜：R1線(xiàn)：線(xiàn)：694.3nm（強(qiáng)）（強(qiáng)）R2線(xiàn)：線(xiàn)：692.9nm（弱）（弱） 上的粒子數(shù)占上的粒子數(shù)占47%， 上的粒子數(shù)占上的粒子數(shù)占53%，而，而且且 與與 之間存在快速弛之間存在快速弛豫，所以豫，所以R1線(xiàn)比線(xiàn)比R2線(xiàn)優(yōu)先線(xiàn)優(yōu)先振蕩。振蕩。R1線(xiàn)一旦振蕩，線(xiàn)一旦振蕩， 上的粒子及時(shí)補(bǔ)充到上的粒子及時(shí)補(bǔ)充到 上，上，因此不形成因此不形成R2線(xiàn)振蕩輸出。線(xiàn)振蕩輸出。A2A2EEA2E2. 輸出特性輸出特性（1）三能級(jí)系統(tǒng)，閾值泵浦能量高，以）三能級(jí)系統(tǒng)，閾值泵浦能量高，以脈沖方式脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn) （6）調(diào)）調(diào)Q巨脈沖：峰值功率幾十巨脈沖：峰值功率幾十MW，脈寬幾十，脈寬幾十n

13、s。 （2）溫度效應(yīng)明顯（溫度升高，移向長(zhǎng)波，線(xiàn)寬增加）。溫）溫度效應(yīng)明顯（溫度升高，移向長(zhǎng)波，線(xiàn)寬增加）。溫度增加度增加10度，波長(zhǎng)變化度，波長(zhǎng)變化0.07nm。 （3）熒光線(xiàn)寬較大，有）熒光線(xiàn)寬較大，有100多個(gè)多個(gè)縱模縱模振蕩，單色性差。振蕩，單色性差。（4）激光上能級(jí)壽命長(zhǎng)（）激光上能級(jí)壽命長(zhǎng)（3ms），有利于儲(chǔ)能，輸出能量大。），有利于儲(chǔ)能，輸出能量大。（5）激光器輸出紅光，適合應(yīng)用需要。）激光器輸出紅光，適合應(yīng)用需要。1. 摻釹釔鋁石榴石激光器（摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd:YAG） 將一定比例的將一定比例的A12O3、Y2O3，和，和 Nd2O3 在單晶爐中進(jìn)行熔化在單晶爐中進(jìn)行熔

14、化結(jié)晶而成。結(jié)晶而成。Nd2O3的重量比為的重量比為0.725%（摻入約（摻入約1%原子百分比原子百分比的釹離子），晶體呈淡紫色，它的激活粒子是釹離子的釹離子），晶體呈淡紫色，它的激活粒子是釹離子(Nd3)，亞穩(wěn)態(tài)壽命亞穩(wěn)態(tài)壽命230微秒，有多個(gè)激發(fā)態(tài)，有多個(gè)激光下能級(jí)。微秒，有多個(gè)激發(fā)態(tài)，有多個(gè)激光下能級(jí)。吸收譜：吸收譜：5條吸收帶，帶寬約條吸收帶，帶寬約30nm。0.53m， 0.58m， 0.75m，0.81m， 0.87m；以；以0.75m， 0.81m為最強(qiáng)。為最強(qiáng)。釹激光器釹激光器（1）發(fā)光機(jī)理）發(fā)光機(jī)理基態(tài)：基態(tài)：49 2I（中心波長(zhǎng)（中心波長(zhǎng)810nm和和750nm，帶寬，帶寬

15、30nm）1E泵浦泵浦4E3E（亞穩(wěn)態(tài)）（亞穩(wěn)態(tài)）無(wú)輻射躍遷無(wú)輻射躍遷（很快）（很快）1064nm411 2I四能級(jí)四能級(jí)1350nm413 2I四能級(jí)四能級(jí)三能級(jí)三能級(jí)49 2I946nmE2E2 （2） 輸出特性輸出特性 四能級(jí)系統(tǒng)，閾值能量低，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；四能級(jí)系統(tǒng)，閾值能量低，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)； 導(dǎo)熱率高，易于散熱；導(dǎo)熱率高，易于散熱； 尺寸長(zhǎng)，均勻性好，易加工，價(jià)格低；尺寸長(zhǎng)，均勻性好，易加工，價(jià)格低； 效率高：效率高：0.4%2.5%。 可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)Q Q（納秒脈沖）、鎖模（皮秒（納秒脈沖）、鎖模（皮秒脈沖）。脈沖）。發(fā)射譜：發(fā)射譜：最強(qiáng)最強(qiáng) 1.06

16、4m ， 次強(qiáng)次強(qiáng) 0.946m ，最弱，最弱 1.35 m ，強(qiáng)度比為強(qiáng)度比為0.6：0.25：0.14，還有其它譜線(xiàn)。存在譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，還有其它譜線(xiàn)。存在譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，必須進(jìn)行譜線(xiàn)選擇。必須進(jìn)行譜線(xiàn)選擇。吸收譜：吸收譜：類(lèi)似類(lèi)似Nd:YAG，但吸收譜更寬。，但吸收譜更寬。發(fā)射譜：發(fā)射譜：0.92 m ，1.062 m ，1.37 m，熒光線(xiàn)寬大（，熒光線(xiàn)寬大（30nm），鎖模超短脈沖：脈寬），鎖模超短脈沖：脈寬1ps優(yōu)點(diǎn)：大尺寸（直徑優(yōu)點(diǎn)：大尺寸（直徑10cm，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度1m），玻璃各項(xiàng)同性，均），玻璃各項(xiàng)同性，均勻性好，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)（勻性好，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)（600900s），儲(chǔ)能大?？捎糜诖竽埽?，

17、儲(chǔ)能大?？捎糜诖竽芰看蠊β始す馄?。量大功率激光器。基質(zhì)：基質(zhì)：硅酸鹽或磷酸鹽玻璃硅酸鹽或磷酸鹽玻璃摻雜：摻雜： ，濃度，濃度3%23Nd O缺點(diǎn)：導(dǎo)熱率低，振蕩閾值大于缺點(diǎn)：導(dǎo)熱率低，振蕩閾值大于Nd:YAG，不適于連續(xù)或高，不適于連續(xù)或高重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 釹玻璃激光器釹玻璃激光器3203cm/103 濃濃度度：Nd 吸收帶吸收帶400-600nm，可用藍(lán)綠光泵浦。發(fā)射譜范圍，可用藍(lán)綠光泵浦。發(fā)射譜范圍660-1180nm，最大增益在，最大增益在790nm?？勺龀伞？勺龀煽烧{(diào)諧激光器可調(diào)諧激光器或或超短脈超短脈沖激光器沖激光器?；|(zhì)：基質(zhì)： 晶體晶體23Al O摻雜：摻雜： （

18、原子百分比約為（原子百分比約為0.1）3Ti 自鎖模超短光脈沖：脈寬自鎖模超短光脈沖：脈寬11fs摻鈦藍(lán)寶石激光器摻鈦藍(lán)寶石激光器（TiTi：AlAl2 2O O3 3）其它工作物質(zhì)其它工作物質(zhì)（1）摻釹釩酸釔晶體）摻釹釩酸釔晶體（Nd：YVO4) 受激輻射截面大（受激輻射截面大（YAG的的5倍）、對(duì)倍）、對(duì)809nm有很強(qiáng)吸收（適合有很強(qiáng)吸收（適合LD抽抽運(yùn)），有運(yùn)），有1.064m 、1.342m 、0.942m三條主要譜線(xiàn)。三條主要譜線(xiàn)。（2）摻鉺釔鋁石榴石）摻鉺釔鋁石榴石（Er：YAG）：有）：有2.94m和和1.6m兩條主要譜線(xiàn)兩條主要譜線(xiàn)激光工作物質(zhì)：激光工作物質(zhì)：氣體的原子、分子

19、、離子或準(zhǔn)分子。氣體的原子、分子、離子或準(zhǔn)分子。泵浦方式：泵浦方式：氣體放電泵浦氣體放電泵浦激光工作方式：激光工作方式：多數(shù)以四能級(jí)方式工作多數(shù)以四能級(jí)方式工作激光器裝置：激光器裝置：激光管（放電管），電極，光諧振腔（平凹腔）激光管（放電管），電極，光諧振腔（平凹腔）2.2.3 氣體激光器氣體激光器放電管：放電管：有毛細(xì)管和儲(chǔ)氣管組成，放電只在毛細(xì)管進(jìn)行，儲(chǔ)氣管與毛細(xì)有毛細(xì)管和儲(chǔ)氣管組成，放電只在毛細(xì)管進(jìn)行，儲(chǔ)氣管與毛細(xì)管相通，不斷更新氣體。管相通，不斷更新氣體。電極：電極：陽(yáng)極采用鎢棒，陰極采用電子發(fā)射率高的鋁及其合金，陰極做出陽(yáng)極采用鎢棒，陰極采用電子發(fā)射率高的鋁及其合金，陰極做出圓筒狀，

20、再用鎢棒引導(dǎo)管外。圓筒狀，再用鎢棒引導(dǎo)管外。諧振腔：諧振腔：一般采用平凹腔，平面鏡透過(guò)率一般采用平凹腔，平面鏡透過(guò)率12%。有內(nèi)腔式、外腔式、半。有內(nèi)腔式、外腔式、半內(nèi)腔式三種。內(nèi)腔式三種。（1）譜線(xiàn)范圍寬，有上百種氣體可產(chǎn)生激光，譜線(xiàn)有上萬(wàn)條。）譜線(xiàn)范圍寬，有上百種氣體可產(chǎn)生激光，譜線(xiàn)有上萬(wàn)條。波長(zhǎng)覆蓋從亞毫米波到真空紫外。波長(zhǎng)覆蓋從亞毫米波到真空紫外。（2）光束質(zhì)量高，單色性、方向性、相關(guān)性均優(yōu)于其它激光）光束質(zhì)量高，單色性、方向性、相關(guān)性均優(yōu)于其它激光器。器。（3）頻率穩(wěn)定，易獲得連續(xù)的激光和脈沖輸出。）頻率穩(wěn)定，易獲得連續(xù)的激光和脈沖輸出。（4）有些氣體激光器輸出功率很大，如二氧化碳激

21、光器達(dá)到）有些氣體激光器輸出功率很大，如二氧化碳激光器達(dá)到數(shù)十萬(wàn)瓦。數(shù)十萬(wàn)瓦。氣體激光器突出優(yōu)點(diǎn)：氣體激光器突出優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：體積龐大。體積龐大。一、氣體激光器的工作物質(zhì)一、氣體激光器的工作物質(zhì) 工作物質(zhì)工作物質(zhì)：氣體：氣體 分類(lèi)分類(lèi)：原子氣體、分子氣體和電離化離子氣體，分別：原子氣體、分子氣體和電離化離子氣體，分別稱(chēng)為原子氣體激光器、分子氣體激光器和離子氣體激稱(chēng)為原子氣體激光器、分子氣體激光器和離子氣體激光器。光器。 產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體原子，所采用的氣產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體原子，所采用的氣體主要是幾種惰性氣體（如氦、氖、氬、氪、氙等），體主要是幾種惰性氣體（如氦、氖、

22、氬、氪、氙等），有時(shí)也可采用某些金屬原子（如銅、鋅、鎘、銫、汞有時(shí)也可采用某些金屬原子（如銅、鋅、鎘、銫、汞等）蒸汽，或其他元素原子氣體等。原子氣體激光器等）蒸汽，或其他元素原子氣體等。原子氣體激光器的典型代表是氦一氖氣體激光器。的典型代表是氦一氖氣體激光器。 原子氣體激光器：原子氣體激光器： 產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體分子，所采用的產(chǎn)生激光作用的是沒(méi)有電離的氣體分子，所采用的主要分子氣體工作物質(zhì)有主要分子氣體工作物質(zhì)有CO2、CO、N2、H2、HF和水蒸氣等。分子氣體激光器的典型代表是二氧化和水蒸氣等。分子氣體激光器的典型代表是二氧化碳（碳（CO2）激光器和氮分子（）激光器和氮分子（N2

23、）激光器。）激光器。 分子氣體激光器：分子氣體激光器： 是利用電離化的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要的有是利用電離化的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要的有惰性氣體離子和金屬蒸汽離子，這方面的代表型器惰性氣體離子和金屬蒸汽離子，這方面的代表型器件是氬離子（件是氬離子（Ar+）激光器、氪離子（）激光器、氪離子（Kr+）激光器）激光器以及氦一鎘離子激光器等。以及氦一鎘離子激光器等。離子氣體激光器：離子氣體激光器：EF段為正常段為正常輝光放電輝光放電，電流增加，管壓幾乎不變，氦氖激，電流增加，管壓幾乎不變，氦氖激光器工作于該區(qū)；光器工作于該區(qū)；GH段為段為弧光放電弧光放電, 氬離子激光器工作于氬離子激光器工作于

24、該段區(qū)。該段區(qū)。二、氣體激光器的泵浦方式二、氣體激光器的泵浦方式 一般采用一般采用氣體泵浦方式氣體泵浦方式，即在高電壓作用下，氣體分子，即在高電壓作用下，氣體分子（原子）電離而導(dǎo)電。高速電子對(duì)發(fā)光粒子（原子）電離而導(dǎo)電。高速電子對(duì)發(fā)光粒子直接碰撞激發(fā)直接碰撞激發(fā)，或與輔助氣體原子碰撞激發(fā)，然后輔助氣體原子與發(fā)光粒子或與輔助氣體原子碰撞激發(fā)，然后輔助氣體原子與發(fā)光粒子發(fā)生發(fā)生能量的共振轉(zhuǎn)移能量的共振轉(zhuǎn)移。He-Ne激光器激光器三、典型氣體激光器三、典型氣體激光器氦和氖原子的能級(jí)圖氦和氖原子的能級(jí)圖1.1.發(fā)光原理發(fā)光原理 在在HeNeHeNe激光器中，激光器中，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主的

25、主要激發(fā)過(guò)程有：要激發(fā)過(guò)程有： 共振轉(zhuǎn)移；共振轉(zhuǎn)移； 電子直接碰撞激發(fā)；電子直接碰撞激發(fā)； 串級(jí)躍遷。串級(jí)躍遷。 激活介質(zhì)按激活介質(zhì)按He:Ne=10:1He:Ne=10:17:17:1填充，填充，氖為發(fā)光氣體氖為發(fā)光氣體；氦為；氦為輔輔助氣體助氣體，用來(lái)改善放電特性，提高氖原子的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。，用來(lái)改善放電特性，提高氖原子的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。He-NeHe-Ne激光器是典型的激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)，其激光譜，其激光譜線(xiàn)主要有三條線(xiàn)主要有三條 : :3S22P4 0. .6328 m2S22P4 1. .15 m3S23P4 3. .39 m 根據(jù)能量躍遷選擇定則，根據(jù)能量躍遷選擇

26、定則，Ne原子可以產(chǎn)生很多條譜線(xiàn)，原子可以產(chǎn)生很多條譜線(xiàn)，其中最強(qiáng)的譜線(xiàn)有三條，即其中最強(qiáng)的譜線(xiàn)有三條，即0.6328um、3.39um和和1.15um，對(duì)應(yīng)躍遷能級(jí)分別為，對(duì)應(yīng)躍遷能級(jí)分別為3S22P4,3S23P4和和2S22P4。2P和和3P態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向1S態(tài)躍遷很快。態(tài)躍遷很快。1S態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時(shí)，可把能量交給不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時(shí)，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么HeNe激光器中要激光器中要有一

27、根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因。有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因。 從能級(jí)圖可見(jiàn)，從能級(jí)圖可見(jiàn)，HeNe激光器是典型的激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)。2. He-Ne2. He-Ne激光器的輸出特性激光器的輸出特性 (1) (1) 輸出功率特性輸出功率特性 : : HeHe-Ne-Ne激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。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)系在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流。 存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件。存在著最佳混合比和最佳充氣總

28、壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件。 放電毛細(xì)管的直徑為放電毛細(xì)管的直徑為d d，充氣壓強(qiáng)為，充氣壓強(qiáng)為p p，則存在一個(gè)使輸出功率最大的最，則存在一個(gè)使輸出功率最大的最佳佳pdpd值。值。在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑d d成反比。成反比。 輸出功率與充氣總氣壓的關(guān)系輸出功率與充氣總氣壓的關(guān)系1托托=133.2Pa(2) (2) 譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng): : 0 0.6328.6328 m m，1.151.15 m m，3.393.39 m m哪一條譜線(xiàn)起振哪一條譜線(xiàn)起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。有三種方法：完全取決于諧振腔介質(zhì)

29、膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。有三種方法：色散法色散法：在腔內(nèi)插入棱鏡；：在腔內(nèi)插入棱鏡；吸收法：吸收法：在腔內(nèi)插入對(duì)在腔內(nèi)插入對(duì)3.393.39 m m 光有強(qiáng)吸收，而對(duì)光有強(qiáng)吸收，而對(duì)0.63280.6328 m m光光 透明的甲烷。透明的甲烷。外加非均勻磁場(chǎng)：外加非均勻磁場(chǎng)：使譜線(xiàn)加寬，增益系數(shù)下降，使譜線(xiàn)加寬，增益系數(shù)下降， 3.393.39 m m 光光 的增益下降最多。的增益下降最多。3.3.激光器輸出激光器輸出放電管長(zhǎng)放電管長(zhǎng) L10cm 輸出功率輸出功率P0.1mW L50cm P10mW L150cm P50mW 實(shí)用上的輸出功率限度：實(shí)用上的輸出功率限度：100mW100mW左右左右

30、放電管內(nèi)徑：幾厘米放電管內(nèi)徑：幾厘米 放電管長(zhǎng)：幾米放電管長(zhǎng)：幾米 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)為二氧化碳，加入工作物質(zhì)為二氧化碳，加入氮?dú)?、氦氣作為輔助氣體氮?dú)?、氦氣作為輔助氣體，以提，以提高輸出功率和效率。高輸出功率和效率。有二個(gè)顯著特點(diǎn)：輸出功率和能量相當(dāng)大，既能連續(xù)工作，有二個(gè)顯著特點(diǎn)：輸出功率和能量相當(dāng)大，既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，連續(xù)工作輸出功率達(dá)到幾十萬(wàn)瓦，脈沖工作脈又能脈沖工作，連續(xù)工作輸出功率達(dá)到幾十萬(wàn)瓦，脈沖工作脈寬大寬大ns量級(jí)，峰值功率達(dá)量級(jí)，峰值功率達(dá)TW，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)2025%；輸；輸出波長(zhǎng)分布在出波長(zhǎng)分布在918 m，已觀(guān)察到上百條譜線(xiàn)，其中，已觀(guān)

31、察到上百條譜線(xiàn)，其中10.6 m最重要。最重要。構(gòu)成構(gòu)成CO2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)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 CO2激光器激光器1. 發(fā)光原理發(fā)光原理激發(fā)過(guò)程激發(fā)過(guò)程（1 1）上能級(jí)的激發(fā)：）上能級(jí)的激發(fā)：電子與電子與COCO2 2分子直分子直接碰撞激發(fā)；或高速電子與接碰撞激發(fā)；或高速電子與N N2 2分子碰撞，分子碰撞， N N2 2再與基態(tài)的再與基態(tài)的COCO2 2分子發(fā)生能量的共振轉(zhuǎn)分子發(fā)生能量的共振轉(zhuǎn)移。移。（2 2）發(fā)射激光）發(fā)射激光：上能級(jí)的

32、：上能級(jí)的COCO2 2分子向不分子向不同的下能級(jí)躍遷，產(chǎn)生同的下能級(jí)躍遷，產(chǎn)生10.610.6 m m和和9.69.6 m m的激光，存在譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，但的激光，存在譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，但10.610.6 m m的躍的躍遷幾率大。遷幾率大。（3 3）下能級(jí)的弛豫：）下能級(jí)的弛豫：從激光下能級(jí)到從激光下能級(jí)到基態(tài)的輻射躍遷是禁止的，只能分兩步基態(tài)的輻射躍遷是禁止的，只能分兩步輻射躍遷到基態(tài)，但輻射躍遷幾率很小。輻射躍遷到基態(tài)，但輻射躍遷幾率很小。下能級(jí)的弛豫主要是下能級(jí)的弛豫主要是靠碰撞躍遷靠碰撞躍遷，分兩，分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)。下能級(jí)的步來(lái)實(shí)現(xiàn)。下能級(jí)的COCO2 2分子與分子與基態(tài)基態(tài)COCO2 2分子分子碰撞

33、回到碰撞回到010010能級(jí)，然后再與能級(jí)，然后再與基態(tài)基態(tài)HeHe原子原子碰撞回到基態(tài)。碰撞回到基態(tài)。HeHe氣還有很好的氣還有很好的導(dǎo)熱性質(zhì)，可降低混合氣體的溫度。導(dǎo)熱性質(zhì)，可降低混合氣體的溫度。2. 2. 輸出特性輸出特性 (1) 放電特性放電特性 相應(yīng)于相應(yīng)于COCO2 2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。COCO2 2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，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)。以及氣體混合比有關(guān)。 (2) 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) COCO2 2激光器將有激光器將有6060以上的能量轉(zhuǎn)換

34、為氣體的熱能，使溫以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，這都會(huì)使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線(xiàn)展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特氣體溫度的升高，將使譜線(xiàn)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COCO2 2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COCO2 2分子濃度。分子濃度。 1. 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 惰性氣體的典型代表，大電流放電激勵(lì)；激光譜線(xiàn)非常豐惰性氣

35、體的典型代表，大電流放電激勵(lì)；激光譜線(xiàn)非常豐富，在可見(jiàn)光區(qū)和紫外光區(qū)，富，在可見(jiàn)光區(qū)和紫外光區(qū)，488nm和和514.5nm最強(qiáng)；既可最強(qiáng)；既可以連續(xù)工作，也可以脈沖工作，連續(xù)工作功率達(dá)幾十以連續(xù)工作，也可以脈沖工作，連續(xù)工作功率達(dá)幾十W；能；能量轉(zhuǎn)換效率較低，最高達(dá)量轉(zhuǎn)換效率較低，最高達(dá)0.6%。氬離子激光器氬離子激光器 Ar Ar激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)和回氣管等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。幾部分組成。2. 2. 發(fā)光原理發(fā)光原理與產(chǎn)生激光有關(guān)的與產(chǎn)生激光有關(guān)的ArAr+ +的能級(jí)結(jié)構(gòu)的能級(jí)結(jié)構(gòu)從從3P44P到到3P44S發(fā)射可見(jiàn)光激光，由于這兩個(gè)

36、能級(jí)都由若干子能發(fā)射可見(jiàn)光激光，由于這兩個(gè)能級(jí)都由若干子能級(jí)組成，所以可發(fā)射級(jí)組成，所以可發(fā)射9條藍(lán)綠譜線(xiàn)條藍(lán)綠譜線(xiàn)，其中，其中488nm和和514.5nm最強(qiáng)。最強(qiáng)。 Ar+激光器的激活粒子是激光器的激活粒子是Ar+， Ar+激光器的激發(fā)過(guò)程分兩步進(jìn)行：通過(guò)激光器的激發(fā)過(guò)程分兩步進(jìn)行：通過(guò)氣體放電，將氬原子氣體放電，將氬原子Ar電離電離,再通過(guò)再通過(guò)放電激勵(lì)將放電激勵(lì)將Ar+激發(fā)到激光上能級(jí)。激發(fā)到激光上能級(jí)。 圖為圖為Ar+離子與激光產(chǎn)生過(guò)程有關(guān)的離子與激光產(chǎn)生過(guò)程有關(guān)的能級(jí)圖。中性能級(jí)圖。中性Ar原子在放電過(guò)程中，與原子在放電過(guò)程中，與快速電子碰撞后電離快速電子碰撞后電離,形成處在基態(tài)形

37、成處在基態(tài)P5上上的的Ar+離子。該基態(tài)離子。該基態(tài)Ar+離子再與高速電離子再與高速電子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)。當(dāng)激光上下子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)。當(dāng)激光上下能級(jí)間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，即可生產(chǎn)激能級(jí)間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，即可生產(chǎn)激光。光。3. Ar3. Ar激光器的工作特性激光器的工作特性 ArAr激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線(xiàn)，其中激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線(xiàn)，其中488nm488nm和和514.5nm514.5nm最最強(qiáng)。強(qiáng)。 (1)(1)多譜線(xiàn)工作多譜線(xiàn)工作 (2)(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A(yíng)rAr激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功率隨放電電流的變激光器特殊的激發(fā)機(jī)制

38、，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同?；?guī)律與其它激光器有所不同。ArAr+ +激光器輸出功率隨放電電流變化激光器輸出功率隨放電電流變化液體溶液作為工作物質(zhì)液體溶液作為工作物質(zhì)有機(jī)溶液激光器：染料激光器有機(jī)溶液激光器：染料激光器無(wú)機(jī)溶液激光器無(wú)機(jī)溶液激光器激勵(lì)方式：激勵(lì)方式：光泵激勵(lì)光泵激勵(lì)染料激光器基本結(jié)構(gòu)：染料激光器基本結(jié)構(gòu)：染料池，諧振腔，泵浦光源，染料池，諧振腔，泵浦光源，染料溶液的循環(huán)及過(guò)濾系統(tǒng)染料溶液的循環(huán)及過(guò)濾系統(tǒng)1.1.染料激光器的泵浦方式與基本結(jié)構(gòu)染料激光器的泵浦方式與基本結(jié)構(gòu) 工作方式：工作方式： 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或脈沖方式連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或脈沖方式特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1 1）

39、可調(diào)諧）可調(diào)諧330nm1.85 m （2 2）可產(chǎn)生極窄光脈沖）可產(chǎn)生極窄光脈沖30fs壓縮壓縮6fs2.2.4 染料激光器染料激光器2.2.染料激光器的工作原理染料激光器的工作原理 染料分子的能級(jí)圖染料分子的能級(jí)圖 典型染料（若丹明典型染料（若丹明6G6G）的）的 吸收熒光光譜圖吸收熒光光譜圖 01SS（1 1）染料分子能級(jí)）染料分子能級(jí) 染料分子能級(jí)是染料分子能級(jí)是準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu), ,包括電子運(yùn)動(dòng)、原子間相包括電子運(yùn)動(dòng)、原子間相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)自旋狀態(tài)分為對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)自旋狀態(tài)分為單態(tài)和三重態(tài)單態(tài)和三重態(tài)，用，用S S和和T T表示。表示。S S0 0為基

40、態(tài)，其余為激發(fā)態(tài)。染料分子吸收能量從為基態(tài)，其余為激發(fā)態(tài)。染料分子吸收能量從S S0 0躍躍遷到遷到S S1 1的某一振動(dòng)的某一振動(dòng)- -轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，壽命很短（轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，壽命很短（psps量級(jí)），把能量量級(jí)），把能量傳遞給溶劑分子，回到傳遞給溶劑分子，回到S S1 1的最低能級(jí)，壽命的最低能級(jí)，壽命nsns量級(jí)。量級(jí)。（2 2）染料分子的光輻射過(guò)程）染料分子的光輻射過(guò)程 輻射躍遷主要發(fā)生在單態(tài)之間輻射躍遷主要發(fā)生在單態(tài)之間或或三重態(tài)之間，單態(tài)和三重態(tài)之三重態(tài)之間，單態(tài)和三重態(tài)之間的輻射躍遷是禁戒的。所以，分子間的輻射躍遷是禁戒的。所以，分子從從S S1 1最低能級(jí)躍遷到最低能級(jí)躍遷到S S0 0

41、態(tài)態(tài)的任意能級(jí)發(fā)光，的任意能級(jí)發(fā)光，然后通過(guò)無(wú)輻射躍遷回到然后通過(guò)無(wú)輻射躍遷回到S S0 0最低能級(jí)。最低能級(jí)。屬于屬于四能級(jí)結(jié)構(gòu)。四能級(jí)結(jié)構(gòu)。 （3 3）染料分子的三重態(tài)）染料分子的三重態(tài)“陷阱陷阱” ：S S1 1到到T T1 1的無(wú)輻射躍遷，的無(wú)輻射躍遷， 減少減少S S1 1上的粒子；縮短上的粒子；縮短T T1 1壽命，消除三重態(tài)壽命，消除三重態(tài)“陷阱陷阱”。常見(jiàn)有機(jī)染料激光器的激光調(diào)諧范圍常見(jiàn)有機(jī)染料激光器的激光調(diào)諧范圍3. 3. 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦（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

42、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(lèi)很多，主要有氮分子激能夠用于泵浦染料激光器的激光種類(lèi)很多，主要有氮分子激光器光器(0(0. .337337 m)m)，紅寶石激光器，紅寶石激光器(0.6943(0.6943 m)m)，釹玻璃激光器，釹玻璃激光器(1.06(1.06 m)m)，銅蒸氣激光器，銅蒸氣激光器(0.5106(0.5106 m m、0.57820.5782 m)m)，準(zhǔn)分子激，準(zhǔn)分子激光器光器( (主要在紫外區(qū)主要在紫外區(qū)) ) 以及這些激光的二次、三次諧波等。以及這些激光的二次、三次諧波等。 4.4.染料激光器的調(diào)諧染料激光器的調(diào)諧（1 1

43、）光柵調(diào)諧）光柵調(diào)諧 放在腔中的光柵放在腔中的光柵G G具有擴(kuò)束和色散作用。具有擴(kuò)束和色散作用。 （2 2）棱鏡調(diào)諧）棱鏡調(diào)諧 （3 3）雙折射濾光片調(diào)諧）雙折射濾光片調(diào)諧 利用雙折射濾光片調(diào)諧，是目前染料激光器廣泛采用的調(diào)利用雙折射濾光片調(diào)諧，是目前染料激光器廣泛采用的調(diào)諧方法，國(guó)內(nèi)外的諧方法，國(guó)內(nèi)外的ArAr激光、激光、YAGYAG倍頻激光泵浦的染料激光器，倍頻激光泵浦的染料激光器，都使用這種方法調(diào)諧。都使用這種方法調(diào)諧。典型染料激光器原理示意圖典型染料激光器原理示意圖2.2.5 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類(lèi)激光器，作為工

44、作物質(zhì)的一類(lèi)激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。 常用材料常用材料有砷化鎵（有砷化鎵（GaAsGaAs）、硫化鎘（）、硫化鎘（CdSCdS）、磷化銦）、磷化銦(InP)(InP)、硫化鋅、硫化鋅(ZnS)(ZnS)等。等。 激勵(lì)方式激勵(lì)方式有有電注入電注入、電子束激勵(lì)電子束激勵(lì)和和光泵浦光泵浦三種形式。三種形式。 通常利用半導(dǎo)體晶體的通常利用半導(dǎo)體晶體的解理面解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成反射鏡，組成諧振腔諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光

45、大，輸出激光。 半導(dǎo)體激光器件，可分為半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)等等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)多為脈沖器幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 正向電壓正向電壓V V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)熱平衡下熱平衡下PNPN能帶能帶u產(chǎn)生受激輻射的條件：產(chǎn)生受激輻射的條件：在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部形成在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部形成粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 gFFE

46、EEEE 12 缺點(diǎn)缺點(diǎn):激光性能受溫度影響大激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到一般在幾度到20度之間度之間)，所以在方向性、單色，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差性和相干性等方面較差.優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸入能量最低輸入能量最低，效率最高效率最高，體積最小體積最小，重重量最輕量最輕，可以直接調(diào)制可以直接調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與，與集成電路集成電路生產(chǎn)工藝兼容生產(chǎn)工藝兼容，價(jià)格低廉價(jià)格低廉，可靠性高可靠性高，壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng)等。等。目前銷(xiāo)售總數(shù)量已占各種激光器的目前銷(xiāo)售總數(shù)量已占各種激光器的99，成為世，成為世界激光器市場(chǎng)上的絕對(duì)主流。界激光器市場(chǎng)上的絕對(duì)主流。隨

47、機(jī)激光器隨機(jī)激光器 Random laser隨機(jī)激光器：隨機(jī)激光器：利用隨機(jī)介質(zhì)對(duì)光的多重散射而形成受激輻射的激利用隨機(jī)介質(zhì)對(duì)光的多重散射而形成受激輻射的激光器。光器。隨機(jī)激光器可用于新型平面光顯示器，紫外激光器等制備。隨機(jī)激光器可用于新型平面光顯示器，紫外激光器等制備。2.2.6 新型激光器簡(jiǎn)介新型激光器簡(jiǎn)介 自由電子激光的物理原理是利用通過(guò)周期性擺動(dòng)磁場(chǎng)的高速電子束和光自由電子激光的物理原理是利用通過(guò)周期性擺動(dòng)磁場(chǎng)的高速電子束和光輻射場(chǎng)之間的相互作用，使電子的動(dòng)能傳遞給光輻射而使其輻射強(qiáng)度增輻射場(chǎng)之間的相互作用，使電子的動(dòng)能傳遞給光輻射而使其輻射強(qiáng)度增大。利用這一基本思想而設(shè)計(jì)的激光器稱(chēng)為

48、大。利用這一基本思想而設(shè)計(jì)的激光器稱(chēng)為自由電子激光器自由電子激光器(簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)FEL)。自自 由由 電電 子子 激激 光光 器器Free Electron Laser自由電子激光器在自由電子激光器在短波長(zhǎng)短波長(zhǎng)、大功率大功率、高效率高效率和和波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)這四大主攻方向上，這四大主攻方向上，為激光學(xué)科的研究開(kāi)辟了一條新途徑，它可望用于對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)、材料特征、為激光學(xué)科的研究開(kāi)辟了一條新途徑，它可望用于對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)、材料特征、激光武器、激光反導(dǎo)彈、雷達(dá)、激光聚變、等離子體診斷、表面特性、非線(xiàn)性激光武器、激光反導(dǎo)彈、雷達(dá)、激光聚變、等離子體診斷、表面特性、非線(xiàn)性以及瞬態(tài)現(xiàn)象的研究，在通訊、

49、激光推進(jìn)器、光譜學(xué)、激光分子化學(xué)、光化學(xué)、以及瞬態(tài)現(xiàn)象的研究，在通訊、激光推進(jìn)器、光譜學(xué)、激光分子化學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、遙感等領(lǐng)域，它應(yīng)用的前景也很可觀(guān)。同位素分離、遙感等領(lǐng)域，它應(yīng)用的前景也很可觀(guān)。常見(jiàn)激光器性能比較常見(jiàn)激光器性能比較各種類(lèi)型激光器性能參數(shù)各種類(lèi)型激光器性能參數(shù) 2.3 激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用 激光的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、激光的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、科學(xué)研究等每一個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)各種激光器發(fā)射光的醫(yī)療、科學(xué)研究等每一個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)各種激光器發(fā)射光的功率密度，相干性、準(zhǔn)直性、單色性的不同，應(yīng)用范圍也功率密度，相干性、準(zhǔn)直性、單色性的不同，應(yīng)

50、用范圍也不同。例如，激光通迅、激光測(cè)距、激光定向、激光準(zhǔn)直不同。例如，激光通迅、激光測(cè)距、激光定向、激光準(zhǔn)直、激光雷達(dá)、激光切削、激光手術(shù)、激光武器、激光顯微、激光雷達(dá)、激光切削、激光手術(shù)、激光武器、激光顯微分析、激光受控?zé)岷朔磻?yīng)等，主要是利用激光的分析、激光受控?zé)岷朔磻?yīng)等，主要是利用激光的方向性方向性與與高功率密度高功率密度；而激光全息、激光測(cè)長(zhǎng)、激光干涉、激光多；而激光全息、激光測(cè)長(zhǎng)、激光干涉、激光多譜勒效應(yīng)則主要是利用激光的譜勒效應(yīng)則主要是利用激光的單色性單色性和和相干性相干性。當(dāng)然，激。當(dāng)然，激光的幾方面的特性往往不能截然分開(kāi)，有的應(yīng)用（如非線(xiàn)光的幾方面的特性往往不能截然分開(kāi)，有的應(yīng)用

51、（如非線(xiàn)性光學(xué)）與激光的幾方面的特性都有關(guān)。下面就一些方面性光學(xué)）與激光的幾方面的特性都有關(guān)。下面就一些方面的應(yīng)用舉例介紹。的應(yīng)用舉例介紹。激光測(cè)距激光測(cè)距 利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測(cè)，如測(cè)量長(zhǎng)度、距離、速度實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測(cè)，如測(cè)量長(zhǎng)度、距離、速度、角度等。、角度等。 激光焊接激光焊接高能激光（能產(chǎn)生約高能激光（能產(chǎn)生約5500 oC的高溫）把大的高溫）把大塊硬質(zhì)材料焊接在一起。塊硬質(zhì)材料焊接在一起。激光快速成型激光快速成型激光雕刻激光雕刻激光核聚變激光核聚變這是這是激光核聚變激光核聚變靶室，在靶室內(nèi)

52、十束激光同時(shí)聚向一個(gè)產(chǎn)生靶室，在靶室內(nèi)十束激光同時(shí)聚向一個(gè)產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的小燃料樣品上，引發(fā)核聚變。核聚變反應(yīng)的小燃料樣品上，引發(fā)核聚變。激光醫(yī)療激光醫(yī)療由于光波的頻率比由于光波的頻率比電波的頻率高好幾電波的頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，一根極個(gè)數(shù)量級(jí)，一根極細(xì)的光纖能承載的細(xì)的光纖能承載的信息量，相當(dāng)于圖信息量，相當(dāng)于圖片中這么粗的電纜片中這么粗的電纜所能承載的所能承載的信息量。信息量。 激光通訊激光通訊激光武器激光武器激光展示激光展示2.4 激光脈沖技術(shù)激光脈沖技術(shù) 普通激光器輸出的光脈沖不是普通激光器輸出的光脈沖不是單一單一的光滑脈沖，的光滑脈沖，而是一群由寬度只有而是一群由寬度只有 s量級(jí)的強(qiáng)度

53、不同的小尖峰量級(jí)的強(qiáng)度不同的小尖峰脈沖組成的脈沖組成的序列序列，因此需，因此需壓縮脈寬壓縮脈寬，增大峰值功率增大峰值功率。為了適應(yīng)激光的某些應(yīng)用，進(jìn)一步壓縮脈寬和提高為了適應(yīng)激光的某些應(yīng)用，進(jìn)一步壓縮脈寬和提高功率成為迫切需要解決的問(wèn)題，于是產(chǎn)生了激光短功率成為迫切需要解決的問(wèn)題，于是產(chǎn)生了激光短脈沖技術(shù)，包括脈沖技術(shù)，包括激光調(diào)激光調(diào)Q技術(shù)技術(shù)和和激光鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù)。調(diào)。調(diào)Q技術(shù)可以產(chǎn)生脈寬技術(shù)可以產(chǎn)生脈寬10-710-9s量級(jí)、峰值功率量級(jí)、峰值功率MW量級(jí)的巨脈沖，鎖模技術(shù)可以產(chǎn)生量級(jí)的巨脈沖，鎖模技術(shù)可以產(chǎn)生10-1210-15s量級(jí)的超短脈沖。量級(jí)的超短脈沖。激光調(diào)激光調(diào)Q技術(shù)

54、技術(shù) 激光調(diào)激光調(diào)Q技術(shù)是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中，從技術(shù)是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中，從而使激光光源的峰值功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。而使激光光源的峰值功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。 激光調(diào)激光調(diào)Q技術(shù)的基礎(chǔ)是一種特殊的光學(xué)元件技術(shù)的基礎(chǔ)是一種特殊的光學(xué)元件-快速腔內(nèi)光快速腔內(nèi)光開(kāi)關(guān)，一般稱(chēng)為激光調(diào)開(kāi)關(guān)，一般稱(chēng)為激光調(diào)Q開(kāi)關(guān)或簡(jiǎn)稱(chēng)為開(kāi)關(guān)或簡(jiǎn)稱(chēng)為Q開(kāi)關(guān)。激光調(diào)開(kāi)關(guān)。激光調(diào)Q技術(shù)技術(shù)的目的是：的目的是：壓縮脈沖寬度，提高峰值功率壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。Q值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)，一個(gè)品值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)，一個(gè)品質(zhì)因數(shù)。質(zhì)因數(shù)。Q值定義值定

55、義=2諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量/每震蕩周期損每震蕩周期損耗的能量。耗的能量。Q值愈高，所需要的泵浦閾值就越低，亦即激光愈容易起值愈高，所需要的泵浦閾值就越低，亦即激光愈容易起振。振。在一般的脈沖固體激光器中，若不采用特殊的措施，脈在一般的脈沖固體激光器中，若不采用特殊的措施，脈沖激光在腔內(nèi)的振蕩持續(xù)時(shí)間與光泵脈沖時(shí)間沖激光在腔內(nèi)的振蕩持續(xù)時(shí)間與光泵脈沖時(shí)間(毫秒量級(jí)左右毫秒量級(jí)左右)大致相同，因此輸出激光的脈沖功率水平亦總是有限的。大致相同，因此輸出激光的脈沖功率水平亦總是有限的。 如果采用一種特殊的技術(shù)，使光泵脈沖開(kāi)始后相當(dāng)長(zhǎng)一段如果采用一種特殊的技術(shù)，使光泵脈沖開(kāi)始后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，有意降低共振腔的時(shí)間，有意降低共振腔的Q值而不產(chǎn)生激光振蕩，則工作物值而