高等激光技術19

1、 第七章第七章 典型激光器典型激光器 (按工作物質分類按工作物質分類) 第一節(jié)第一節(jié) 氣體激光器氣體激光器 第二節(jié)第二節(jié) 固體激光器固體激光器 第三節(jié)第三節(jié) 其它激光器其它激光器(液體激光器、半導體激光器、光纖激光器、化學激光器、自由電子激光器等） 第一節(jié)第一節(jié) 氣體激光器氣體激光器 由單一氣體或混合氣體、或蒸汽等氣態(tài)物質作為工作物質的激光器。 原子、分子、準分子、離子氣體激光器。 銷售量約占全世界激光器銷售量的60%。 1960年12月12日伊朗的Javan,(亞凡或賈萬）研制出第一臺氣體激光器-氦-氖氣體激光器（輸出激光波長1150nm). 特點： 1、工作物質均勻，輸出光束質量優(yōu)良，能夠

2、保證大部分器件產(chǎn)生接近高斯分布的光束模式； 2、譜線范圍寬。有數(shù)百種氣體，近萬條激光譜線， 可覆蓋波長：亞毫米可見真空紫外波段； 3、輸出功率大，效率高，既有連續(xù)工作器件，又有脈沖工作器件。 CO2激光器連續(xù)波CW運轉是目前輸出功率（連續(xù)功率）最高的激光器（-100KW); Ar+,可見光連續(xù)波輸出功率最大的激光器。 、直流放電a 泵浦：氣體放電激勵；熱激勵，化學激勵，核能激勵、光泵激勵、電子束激勵等。氣體放電激勵（泵浦）是氣體激光器主要采用的激勵方式。 一、氣體放電激勵 氣體物質在外加電場作用 下，產(chǎn)生電離而形成電流的現(xiàn)象-氣體放電。 氣體激光器中的放電氣體屬于弱電離氣體 （電離度直流或射頻

3、放電的擊穿電壓，大大提高氣體激光器輸出脈沖的峰值功率。 通常加上預電離，使電場的橫向分布均勻，形成均勻的輝光放電，而消除伴有輝光向弧光轉變的不穩(wěn)定性?？焖俜烹娛狗烹姇r間短于弧光形成的時間：金屬蒸汽激光器；氮分子激光器；準分子激光器。加限流電阻阻止弧光形成： TEA-二氧化碳激光器。脈沖輝光放電和脈沖弧光放電；直流脈沖放電和交流脈沖放電；短脈沖放電和長脈沖放電。 3、氣體放電中的選擇激發(fā)過程A、共振激發(fā)能量轉移激發(fā)態(tài)粒子與基態(tài)粒子相碰撞，使基態(tài)粒子被激發(fā)到高能態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)），而原激發(fā)態(tài)粒子則躍遷到較低能態(tài)或基態(tài)。屬于第二類非彈性碰撞。 （1）、原子-原子： （2）、分子-分子激光器之間的能級能量差

4、；與為NeHeBAEEBABA*,*10220222218) 100()0()000() 1(NcmCONCONCO分子為輔助氣體激光器中，大的能量轉移截面。旋選擇定則，才具有較碰撞前后量子態(tài)遵守自越大；，粒子之間相對速度越大越大；越小，與碰撞截面有關，E B、電荷轉移屬于第二類非彈性碰撞正離子A+與中性粒子B相碰撞交換內能，A+獲得一個電子而成為中性粒子，B被電離或電離激發(fā)。C、潘寧效應屬于第二類非彈性碰撞一個中性激發(fā)態(tài)粒子A*與中性基態(tài)粒子B相碰撞交換內能，使中性基態(tài)粒子B被電離或電離激發(fā)。中性激發(fā)態(tài)粒子A*的激發(fā)能中性基態(tài)粒子B的電離能或電離激發(fā)能。金屬蒸汽離子激光器,EBABA同時電離

5、和激發(fā),*)(EBABA,*eBABA,*)(*eBABA D、電子碰撞屬于第一類非彈性碰撞.快電子與氣體粒子碰撞,使氣體粒子被激發(fā)、電離、電離激發(fā)的過程。不同電壓不同能量電子束- 不同速度電子選擇激發(fā)不同能級。也有消激發(fā)過程-能量很小的電子與高能級粒子碰撞 其他：熱激勵，化學激勵，核能激勵、光泵激勵、電子束激勵等,2eAeA,2*)(eAeA,* eAeA 二、原子氣體激光器 受激輻射躍遷發(fā)生在中性原子的不同激發(fā)態(tài)之間。 典型代表：氦-氖原子氣體激光器和銅蒸汽原子激光器 1、He-Ne氦-氖原子氣體激光器1960.12.12,Javan,=1.15m;1962, =632.8nm.可以連續(xù)或

6、脈沖運轉； 工作物質-氦氣和氖氣組成的混合氣體；Ne激光粒子；四能級結構。 激光 上能級為3S2,2S2,激光下能級為2p4,3p4 均為激發(fā)態(tài). He-輔助粒子。泵浦能級為He的亞穩(wěn)態(tài) 放電管由放電毛細管和貯氣管構成。毛細管處于增益介質工作區(qū)。由氖的能級結構所決定必須用毛細管。 已觀察到激光譜線有100多條。最強的三條是：,15. 1,2422mpS,39. 3,3432nmpS,8 .632,3422nmpS,36.543,31022nmpS光）：波長最短的躍遷：（綠13012 ,2SS nm8 .632 激光上能級激發(fā)：(1)電子碰撞激發(fā)（2）、共振能量轉移激發(fā)激光下能級的消激發(fā)： ,)

7、3 ,2(*)()(01essNeeSNe。激發(fā)速率高，積累較多,)2 ,2(*)1 (130101eSSHeeSHe,048. 0)1 ()3(*)()2(*0120101eVSHesNeSNeSHe,039. 0)1 ()2(*)()2(*0120113eVSHesNeSNeSHe堆積能級上氖原子數(shù)將出現(xiàn)消激發(fā)向低能級躍遷過程s 1,)3 ,2(*)()(324401ppeppNeeSNe 諧振能級。亞穩(wěn)態(tài)個能級42531 ,;1S,1S,1S4 ,1SsSNe121S31S41S51S011 SNe近兩個數(shù)量級。使諧振能級的壽命增長又回到態(tài)氖原子捕獲但這些光子很容易被基馳豫到基態(tài)諧振能級

8、雖可輻射光子1S, 若不排空1S能級,這些原子就會被小能量電子碰撞或捕獲光子而重新回到激光下能級2p和3p，降低粒子反轉數(shù)分布的絕對值，使增益減少-低能級粒子數(shù)出現(xiàn)阻塞-瓶頸效應。 要提高 ，關鍵要排空1S能級的粒子。 使 粒子與其他各類粒子（電子、氦原子、氖原子）或管壁發(fā)生非彈性碰撞，將 粒子的內能轉變?yōu)槠渌Ｗ拥膭幽芑蚬鼙诘臒崮?，而回到基態(tài)1S0。n)1 (* SNe)1 (* SNe 對于非彈性碰撞，質量相當?shù)牧Ｗ咏粨Q的能量較少； 有效的方法：選擇低氣壓、細 放電管結構。 依靠 粒子擴散 到管壁處釋放能量后躍遷到基態(tài)1S0 。-管壁馳豫。 放電毛細管尺寸選擇： 對于TEM00模632.8

9、nm 最佳放電條件下，單位長度放電毛細管的輸出功率： 若抑制了3.39m,則 )1 (* SNemmWPo/20mmWPo/50mmLLLPPo20,諧振腔長度放電管長度 放電毛細管直徑： cmdcmLLLd12. 0,30,321031184.,)(103G:8 .632 13mmGdmmdnm增益對于 其他特性（略） ;22,152.142psm;22,523.122psm全內腔綠光氦氖激光器公司首次研制成年美國激光器；綠光tmellesGrioNeHepsnm1985;23 ,3.543102腔內加色散元件條譜線）波長可調諧氦氖激光器9(594,731nmnmm3.3922m;.3.39

10、120.631.152,mm雙波長氦氖激光器幾百毫瓦。增大模體積。平放電管，利用矩形放電截面的扁氦氖激光器高功率-, （線偏振光）。的增透膜。和晶體表面鍍晶體，長度聚焦研制出：年北京大學李新章小組腔內倍頻紫外氦氖激光器腔內mWnmPnmnmmmWPmWPTnmmnmnmoutoutout53)4 .316( 4 .316632.8;11LiIO-3;45%,46. 1,8 .63211997316.4,632.83 內腔式外腔式半內腔式單毛細管式旁軸式 譜線抑制 2、金屬蒸氣原子激光器 已有三十多種金屬蒸氣原子實現(xiàn)受激輻射 (1)、自終止躍遷金屬蒸氣原子激光器 銅、金、鉛、錳、鍶等，高壓脈沖放

11、電激勵，可重復率運轉。 （2）、金屬離氣原子激光器 脈沖或連續(xù)放電激勵， （3）、光泵浦金屬蒸氣原子激光器 堿金屬蒸氣，采用光激勵CuHgPbAsSrCd, pW20S21S12W21W21A 自終止激光器的能級結構三能級結構 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的條件： 1、激光上能級是共振能級，與基態(tài)有強的電偶極輻射躍遷，快放電可以使其得到強激發(fā)； 2、激光下能級應是亞穩(wěn)態(tài)，與基態(tài)沒有電偶極輻射躍遷（禁戒）； 3、激光上能級僅與激光下能級和基態(tài)有光學聯(lián)系； 4、 5、 自終止激光器只能脈沖運轉！)(10)(1017212014pWsASs%1.0/N;12NEh足夠大 *銅蒸氣原子氣體激光器 1966年Walt

12、er發(fā)明。 高重復頻率；可見光波段：510.6nm, 578.2nm 原子激發(fā)態(tài)被填充的機制是電子與基態(tài)原子的碰撞：ePCueSCu)*()(23,212212綠光；nmDP6.510,252232黃光；nmDP78.25 ,232212黃光；nmDP705 ,232232 亞穩(wěn)態(tài) 壽命為幾毫秒，說明了510.6nm,578.2nm激光輻射的自終止特性。 受激輻射使亞穩(wěn)態(tài)很快被填充，當填充到與激光上能級粒子數(shù)近似相等時，增益小于閾值增益，激光振蕩停止。 當亞穩(wěn)態(tài)粒子由于碰撞而衰減時，又可出現(xiàn)第二個激光脈沖。 L=80cm,P平均200W,Pm300kW;1%, 重復頻率120KHz，t幾幾十n

13、s.25,232D 純銅蒸氣原子氣體激光器 縱向放電方式， 1500度以上加熱；加熱爐條用白金和銠的合金。 放電脈寬約為400ns; 鹵化銅蒸氣激光器 CuCl,CuBr,CuI;400度，加熱10分鐘（時間短）； 輔助氣體 Ne帶走不可逆生產(chǎn)物鹵素氣體； CUCl: 快速雙脈沖放電激勵方式； 第一個脈沖放電使CuCl分子分解； 第二個脈沖放電使基態(tài)Cu原子激發(fā)；形成粒子數(shù)反轉。 eVeClSCueCuCl5.2;)(1212快電子能量、eVePCueSCu8.3;)*()(223,212212快電子能量、內自終止激光躍遷在、nsnmnmhDCuPCu5010),2.578,6.510()*(

14、)*(325,23223,212sDCuCu10010),SCu)*()D*(421225,23225,232用時約為（的管壁馳豫、msCuClClCuCuCl1.0,;5用時約分子的復合、才能開始必須在以上過程結束后第二個激光脈沖的形成 三、分子氣體激光器三、分子氣體激光器 1964年 由帕特爾（Patel)發(fā)明的波長10.6m的 CO2分子激光器， 1、CO2分子氣體激光器 911m波段的帶狀熒光譜， 由CO2分子基電子態(tài)振動-轉動能級間的躍遷所產(chǎn)生。W10P:Pulse100kW;PCW12m：XeCl*,ArF*,KrF*,XeF*,HOH,NO,OCO,N22222分子；， ,.2

15、, 1 , 01對稱振動.2103，反對稱振動二度簡并形變振動,.2 , 1 , 02 1,.,2, ),(222321LL奇數(shù)0,.,2, 222L偶數(shù)m1110m10.6010100 CO002附近，的譜帶：際價值（最強）分子振動能級間最具實m109m9.600210000附近，生激光一百多條譜線都可以產(chǎn).,2率小氣體產(chǎn)生的激光輸出功單靠純的下能級壽命短激光上能級壽命比激光CO 上下能級粒子數(shù)分布過程中起主要作用的是分子間的碰撞激發(fā)和馳豫過程; 上下能級粒子壽命不完全依賴于純自發(fā)輻射壽命,而是取決于各輔助氣體分子共振能量轉移激發(fā)對他們的貢獻(N2,H2O,H2等）。 氣體放電激勵普通型工作

16、在輝光放電正柱區(qū)。 激光上能級的激發(fā)：（1）、電子碰撞激發(fā)：eCOeCO) 100()000(0202 （2）、串級激發(fā)：（3）、共振轉移激發(fā) 1,)00()000(330202eCOeCO) 100() 100()000()00(0230202302COCOCOCO.100,03能級為止直到全部能量轉移到多次降低130202150)00(*)0()000() 1(*cmCOCOCOCOeNeN,.)4 , 3 , 2 , 1(*)0(22102202218) 100(*)0()000() 1(cmCONCON)159. 0(002),0(0.17210:00eVeV和激光下能級 氣動CO2分

17、子激光器 下振動能級上振動能級噴管喉部cm/下游距離比值05. 020. 015. 010. 0103020104025. 00 燃料和氧化劑生成高溫、高壓的CO2、N2、H2O混合燃氣，通過噴管快速膨脹后熱能迅速轉化為動能，分子熱運動平均動能急劇下降，低能級CO2分子馳豫較快，粒子數(shù)密度迅速下降，而高能級馳豫慢，這種稱為差分馳豫的馳豫速率差別造成了CO2分子高能級粒子數(shù)密度超過低能級，形成粒子數(shù)反轉分布。 2、準分子氣體激光器 1927年,了。如L.Ragleigh發(fā)現(xiàn)Hg2*準分子狀態(tài);1966年,哈特曼特稱其為準分子,excime.準分子基態(tài)極不穩(wěn)定,在振動馳豫時間(10-13秒)內便離

18、解為原子.它的激發(fā)態(tài)具有束縛態(tài)結合的形式,而基態(tài)是離解的. nmKrOnmArOnmXeOnmXeFnmXeClnmKrFnmArFnmArClnmXenmKrnmAr558:;558:;550:351:;.308:;248:;.193:;175:;172:;146:,.126:222的躍遷到排斥基態(tài)低的激發(fā)態(tài)準分子的特征譜是由最。自由基態(tài)躍遷產(chǎn)生增益以分子的束縛態(tài)B h排斥基態(tài):最低的激發(fā)態(tài):B更高的激發(fā)態(tài):C 放電必須在弧光出現(xiàn)之前結束.只能以脈沖運轉,一般在幾十納秒內完成 . 保證均勻輝光放電 最大輸出能量幾焦耳. 3、N2分子氣體激光器 1963年,Heard首次實現(xiàn)縱向放電激勵紫外脈沖N2分子氣體激光器.1965年, Leonard采用橫向激勵技術使Pm達到千瓦量級.1967年, Shipman采用快放電激勵技術使Pm達到兆瓦量級.作為可調諧染料激光器的泵浦源.不同電子態(tài)的振動能級之間的躍遷.常用譜線位于紫外光譜區(qū).315.9nm357.7nm;.337.1nm;.)()(33之間；第二正帶guBC條