典型激光器的比較

1、典型激光器典型激光器1、 常見(jiàn)激光器概述 按激光工作介質(zhì)：按激光工作介質(zhì)： 固體激光器固體激光器 (光纖激光器）光纖激光器） 氣體激光器氣體激光器 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 染料激光器染料激光器 自由電子激光器自由電子激光器 按化學(xué)組成：按化學(xué)組成： 原子激光器原子激光器 分子激光器分子激光器 離子激光器離子激光器 自由電子激光器自由電子激光器 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器已記錄到的激光振蕩波長(zhǎng)有一萬(wàn)種以上。已記錄到的激光振蕩波長(zhǎng)有一萬(wàn)種以上。 激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式: 連續(xù)連續(xù) 脈沖脈沖 單脈沖單脈沖 重復(fù)頻率重復(fù)頻率 準(zhǔn)連續(xù)準(zhǔn)連續(xù) 激光調(diào)制方式激光調(diào)制方式 自由運(yùn)轉(zhuǎn)自由運(yùn)轉(zhuǎn) 調(diào)調(diào)Q 鎖模鎖模

2、1. 1. 固體激光器固體激光器分為晶體和玻璃兩類，在基質(zhì)材料中摻入激活離分為晶體和玻璃兩類，在基質(zhì)材料中摻入激活離子而制成。子而制成。 目前已實(shí)現(xiàn)激光振蕩的不同基質(zhì)目前已實(shí)現(xiàn)激光振蕩的不同基質(zhì)摻雜體系的摻雜體系的工作物質(zhì)有工作物質(zhì)有200多種，但是，性能好，使用廣泛的主多種，但是，性能好，使用廣泛的主要有下面三種。要有下面三種。（1）釹玻璃激光器）釹玻璃激光器在玻璃中摻入稀土元素釹做工作物質(zhì)在玻璃中摻入稀土元素釹做工作物質(zhì) = 1.053 m 由于可獲得大體積均勻性良好的釹玻璃，因而可制成大由于可獲得大體積均勻性良好的釹玻璃，因而可制成大型器件，獲得高能量和功率的激光，現(xiàn)已制成輸出功率型器件

3、，獲得高能量和功率的激光，現(xiàn)已制成輸出功率1014W激光器。激光器。（2）紅寶石激光器）紅寶石激光器0.1nm0.01 3nm694 .工作方式：連續(xù)、脈沖工作方式：連續(xù)、脈沖發(fā)發(fā) 散散 角角 ： 10-3rad，一般為多模輸出；，一般為多模輸出； 泵浦功率泵浦功率閾值閾值1020%單模單模工作物質(zhì)：紅寶石晶體工作物質(zhì)：紅寶石晶體輸出波長(zhǎng)：輸出波長(zhǎng)：輸出線寬：輸出線寬：（3）摻釹釔鋁石榴石（）摻釹釔鋁石榴石（ Nd :YAG）輸出波長(zhǎng)：輸出波長(zhǎng)： = 1064nm、914nm、1319nm工作方式：連續(xù)、高重復(fù)率脈沖工作方式：連續(xù)、高重復(fù)率脈沖 工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：YAG晶體內(nèi)摻進(jìn)稀土元素釹晶

4、體內(nèi)摻進(jìn)稀土元素釹 因可摻進(jìn)較高濃度的釹，故工作物質(zhì)單位體積能提供較高因可摻進(jìn)較高濃度的釹，故工作物質(zhì)單位體積能提供較高的激光功率，激光器也可作的比較小，若半導(dǎo)體激光器作泵浦的激光功率，激光器也可作的比較小，若半導(dǎo)體激光器作泵浦源的器件體積更小。源的器件體積更小。Applications Spectroscopy 光譜學(xué)光譜學(xué)Fiber laser research 光纖激光器研究光纖激光器研究Telecommunications research 遠(yuǎn)程通信研究遠(yuǎn)程通信研究Semiconductor studies 半導(dǎo)體研究半導(dǎo)體研究（4）連續(xù)波可調(diào)諧連續(xù)波可調(diào)諧鈦藍(lán)寶石激光器鈦藍(lán)寶石激光器

5、 3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser輸出波長(zhǎng)從輸出波長(zhǎng)從675到到1100nm 由由Ar laser或或LD泵浦泵浦532nm激光器泵浦激光器泵浦TEM00輸出功率可達(dá)輸出功率可達(dá)3.5W cwThe high-performance, tunable, solid state IR laser2. 2. 氣體激光器氣體激光器 工作物質(zhì)工作物質(zhì):各種混合氣體，光學(xué)均勻性好。各種混合氣體，光學(xué)均勻性好。 氣體激光器在單色性、光束穩(wěn)定性方面比固體、半氣體激光器在單色性、光束穩(wěn)定性方面比固體、半導(dǎo)體、液體激光器優(yōu)越。導(dǎo)體、液體激光器優(yōu)越。譜線已達(dá)數(shù)千種譜線已達(dá)數(shù)千種

6、 (160nm4mm)工作方式：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（大多數(shù)）工作方式：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（大多數(shù)）多數(shù)氣體激光器有瞬時(shí)功率不高的弱點(diǎn)。多數(shù)氣體激光器有瞬時(shí)功率不高的弱點(diǎn)。 原 因 ：原 因 ： 通 常 氣 體 氣 壓 低 ， 單 位 體 積 內(nèi) 粒 子通 常 氣 體 氣 壓 低 ， 單 位 體 積 內(nèi) 粒 子 數(shù)少。數(shù)少。（1）氦）氦-氖激光器氖激光器工作物質(zhì)：氦氖混合氣體工作物質(zhì)：氦氖混合氣體 激光由氖原子發(fā)射，氦氣起改善氣體放電條件，激光由氖原子發(fā)射，氦氣起改善氣體放電條件，提高激光器輸出功率的作用。提高激光器輸出功率的作用。輸出波長(zhǎng)：常用的為輸出波長(zhǎng)：常用的為 =632.8nm 根據(jù)選擇的工作條件激光器可以

7、輸出近紅外、根據(jù)選擇的工作條件激光器可以輸出近紅外、紅光、黃光、綠光。紅光、黃光、綠光。（ =3.39m ； =1.15m）（2）CO2 激光器激光器工作物質(zhì)：工作物質(zhì)： CO2 、He、N2、Xe的混合氣體的混合氣體 激光由激光由CO2分子發(fā)射，其它氣體協(xié)助改善激分子發(fā)射，其它氣體協(xié)助改善激光器的工作條件，提高激光器輸出功率水平和使光器的工作條件，提高激光器輸出功率水平和使用壽命。用壽命。輸出波長(zhǎng)：輸出波長(zhǎng)： =10.6m CO2 激光器是輸出激光器是輸出功率最高的氣體激光功率最高的氣體激光器，有連續(xù)輸出器，有連續(xù)輸出50kW；脈沖輸出脈沖輸出1012W的激光的激光器。器。（3）氬離子氣體激

8、光器）氬離子氣體激光器 輸出波長(zhǎng)：輸出波長(zhǎng)： =488nm； =514.5 nm ； 在可見(jiàn)光區(qū)輸出功率最高，輸出功率從幾瓦在可見(jiàn)光區(qū)輸出功率最高，輸出功率從幾瓦幾百瓦。幾百瓦。氬氬/氪離子激光器，氪離子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser氦-鎘激光器 以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質(zhì)，主要有兩條連續(xù)譜線，即波長(zhǎng)為325nm的紫外輻射和441.6nm的藍(lán)光，典型輸出功率分別為125mW和1100mW。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括活字印刷、血細(xì)胞計(jì)數(shù)、集成電路芯片檢驗(yàn)及激光誘導(dǎo)熒光實(shí)驗(yàn)等。俄羅斯俄羅斯PLASMAPLASMA公司的氦公司的氦鎘激光器鎘激光器銅蒸氣激光器

9、一般通過(guò)電子碰撞激勵(lì)，兩條主要的工作譜線是波長(zhǎng)510.5nm的綠光和578.2nm的黃光，典型脈沖寬度1050nS，重復(fù)頻率可達(dá)100KHz。當(dāng)前水平一個(gè)脈沖的能量為1mJ左右。這就是說(shuō)，平均功率可達(dá)100W，而峰值功率則高達(dá)100KW。 氮分子激光器氮分子激光器VSL-337ND-S Nitrogen Laser 脈沖放電激勵(lì)輸出紫外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十兆瓦，脈沖放電激勵(lì)輸出紫外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十兆瓦，脈寬小于脈寬小于10nS，重復(fù)頻率數(shù)十，重復(fù)頻率數(shù)十Hz數(shù)千數(shù)千Hz，主要用作染，主要用作染料激光器的泵浦源，也可用于光譜分析、檢測(cè)、醫(yī)學(xué)及料激光器的泵浦源，也可用于光譜分析、檢測(cè)、醫(yī)學(xué)及光

10、化學(xué)方面光化學(xué)方面。常見(jiàn)波長(zhǎng)：。常見(jiàn)波長(zhǎng)：337.1nm、357.7nm（3）氮分子激光器）氮分子激光器 3. 3. 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 特點(diǎn)：體積最小、重量最輕，使用壽命長(zhǎng)，有特點(diǎn)：體積最小、重量最輕，使用壽命長(zhǎng)，有效使用時(shí)間超過(guò)效使用時(shí)間超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。萬(wàn)小時(shí)。輸出波長(zhǎng)范圍：紫外、可見(jiàn)、紅外輸出波長(zhǎng)范圍：紫外、可見(jiàn)、紅外輸出功率：輸出功率：mW、W、kW。由不同組分的半導(dǎo)體材料做成激光有源區(qū)和約束區(qū)的由不同組分的半導(dǎo)體材料做成激光有源區(qū)和約束區(qū)的激光器。激光器。DFB半導(dǎo)體激光器示意圖半導(dǎo)體激光器示意圖 DBR半導(dǎo)體激光器示意圖半導(dǎo)體激光器示意圖 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（垂直腔面發(fā)

11、射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）量子級(jí)聯(lián)激光器量子級(jí)聯(lián)激光器(quantum cascade lasers, QCLs)基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。光纖耦合（尾纖型光纖耦合（尾纖型-pigtail package）半導(dǎo)體激）半導(dǎo)體激光器件光器件 ProLite型光纖耦合單發(fā)射激光器型光纖耦合單發(fā)射激光器2、 常見(jiàn)激光器工作特性1、固體激光器、固體激光器A A、固體激光器基本結(jié)構(gòu)及特性、固體激光器基本結(jié)構(gòu)及特性1.激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)2.泵浦源泵浦源3.聚光腔聚光腔4.諧振腔諧振腔5.冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)固體激光器的能量轉(zhuǎn)換固體激光器的能量轉(zhuǎn)換1

12、5 . 04 . 02 . 095. 076. 09 . 08 . 0固體激光器閾值固體激光器閾值(ln).( .)212111121 23ththgnlR()ReglII20()Regl21閾值條件：閾值條件：ln.( .)111 212thglR21ng即即受激輻射截面受激輻射截面2211gnnngn其中，為激光工作介質(zhì)中的折射率紅寶石紅寶石2.5E-20 cm2Nd3+:YAG2788E-20 cm2Nd3+:Glass3E-20 cm2vA222120214v2321201242lnA高斯線型閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)：閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)：光譜特性光譜特性 多縱模工作多縱模工作 空間燒孔效應(yīng)空間燒孔效

13、應(yīng) 高增益高增益 多模利用充分利用了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有利于鎖模多模利用充分利用了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有利于鎖模 高注入，高輸出伴隨激光線寬增加高注入，高輸出伴隨激光線寬增加激光束的方向性激光束的方向性,2021MM 實(shí)實(shí)際際光光束束的的束束腰腰和和遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)發(fā)發(fā)散散角角乘乘積積理理想想光光束束的的束束腰腰和和遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)發(fā)發(fā)散散角角乘乘積積越越小小光光束束質(zhì)質(zhì)量量越越好好激光的偏振特性激光的偏振特性u(píng)偏振性主要取決于工作物質(zhì)偏振性主要取決于工作物質(zhì)u各向同性介質(zhì)在應(yīng)力及熱效應(yīng)作用下導(dǎo)致應(yīng)力各向同性介質(zhì)在應(yīng)力及熱效應(yīng)作用下導(dǎo)致應(yīng)力雙折射，激光輸出具有部分偏振特性。雙折射，激光輸出具有部分偏振特性。u在諧振腔中有偏

14、振元件，激光輸出也會(huì)具有偏在諧振腔中有偏振元件，激光輸出也會(huì)具有偏振性振性B、固體工作物質(zhì)、固體工作物質(zhì)基質(zhì)基質(zhì) 氧化物：氧化物：Al2O3，YAG，YAP 磷酸鹽，硅酸鹽：磷酸鹽，硅酸鹽： CaWO4 鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽：鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽： YVO4 氟化物氟化物: YLF 玻璃：磷酸鹽、硅酸鹽玻璃：磷酸鹽、硅酸鹽1. 稀土離子稀土離子釹（釹（Nd3） 實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了100多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射 以以0.9um，1.06um，1.35um為中心，可實(shí)現(xiàn)若干頻率為中心，可實(shí)現(xiàn)若干頻率的受激發(fā)射的受激發(fā)射鉺（鉺（Er3） 實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了YAG，YLF，

15、YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。 1.531.66um內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長(zhǎng)。內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長(zhǎng)。 常用的常用的Er3:YAG經(jīng)敏化，最易其振，輸出波長(zhǎng)為經(jīng)敏化，最易其振，輸出波長(zhǎng)為2.9um。鈥（鈥（Ho3） 摻摻Er：Tm：Ho的的YAG和和YLF，輸出波長(zhǎng)，輸出波長(zhǎng)1.9-2.1um 摻摻Cr代替代替Er敏化，敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收激光器可有效吸收閃光燈泵浦能量。輸出波長(zhǎng)閃光燈泵浦能量。輸出波長(zhǎng)2.1um。激活離子激活離子銩（銩（Tm3） 與與Cr或或Ho一起實(shí)現(xiàn)一起實(shí)現(xiàn)YAG，YLF的高效閃光燈及

16、二的高效閃光燈及二極管泵浦激光輸出。極管泵浦激光輸出。 二極管泵浦二極管泵浦Tm：YAG實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)2.01um輸出輸出 二極管泵浦二極管泵浦Tm：Ho：YAG實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)2.09um輸出輸出 高效閃光燈泵浦高效閃光燈泵浦Cr：Tm：YAG實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)1.945um和和1.965um的可調(diào)輸出的可調(diào)輸出鐠鐠Pr3，釓，釓Gd3，銪，銪Eu3，鐿，鐿Yb3，鈰，鈰Ce3 二極管泵浦的二極管泵浦的Yb:YAG激光器激光器 二極管泵浦的摻二極管泵浦的摻Y(jié)b的光纖激光器的光纖激光器釤釤Sm2，鏑，鏑Dy2，銩，銩Tm2 液氮冷卻的作用下，液氮冷卻的作用下，CaF2中產(chǎn)生過(guò)激光作用。中產(chǎn)生過(guò)激光作用。2. 錒系離子

17、錒系離子 摻摻0.05%鈾（鈾（U）的）的CaF2成功用于激光器，輸出成功用于激光器，輸出2.6um。3. 過(guò)渡金屬過(guò)渡金屬鉻（鉻（Cr3+) 紅寶石（紅寶石（Cr3+：AL2O3），紫翠寶石（綠寶石，金），紫翠寶石（綠寶石，金綠寶石，翠綠寶石，綠寶石，翠綠寶石，Cr3：BeAl2O4） 鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，Ti3：AL2O3） Nd:YAG泵浦的泵浦的Co2+:MgF2激光器。激光器。敏化劑敏化劑 在晶體中除了發(fā)光中心的激活離子外，再摻入一種或多種在晶體中除了發(fā)光中心的激活離子外，再摻入一種或多種施主離子，主要作用是施主離子，主要作用是吸收激活離子不吸收的光譜能量，吸收激活離

18、子不吸收的光譜能量，并將吸收到的能量轉(zhuǎn)移給激活離子并將吸收到的能量轉(zhuǎn)移給激活離子。 雙摻或多摻雜晶體生長(zhǎng)困難，工藝復(fù)雜。雙摻或多摻雜晶體生長(zhǎng)困難，工藝復(fù)雜。1、紅寶石紅寶石的基本特性的基本特性Cr3+:Al2O3六方晶系，負(fù)單軸晶體六方晶系，負(fù)單軸晶體吸收光譜吸收光譜能級(jí)結(jié)構(gòu)能級(jí)結(jié)構(gòu)摻雜濃度摻雜濃度1.58E19(cm-3)受激輻射截面受激輻射截面2.5E-20(cm2)波長(zhǎng)波長(zhǎng)694.3nm熒光壽命熒光壽命3.0ms量子效率量子效率0.7譜線線寬譜線線寬11(cm-1)，5.3(埃埃)Nd:YAG的基本特性的基本特性Nd3:Y3Al5O12立方晶系，光學(xué)各向同性立方晶系，光學(xué)各向同性摻雜濃度

19、摻雜濃度1.38E20(cm-3)受激輻射截面受激輻射截面88E-20(cm2)波長(zhǎng)波長(zhǎng)1064nm熒光壽命熒光壽命230us量子效率量子效率1譜線線寬譜線線寬4.5(埃埃)吸收光譜吸收光譜發(fā)射光譜發(fā)射光譜 Emission PumpingTi:Sapphire 鈦藍(lán)寶石鈦藍(lán)寶石可調(diào)諧（可調(diào)諧（660-1180nm）Er:YAG 其它固體工作物質(zhì)其它固體工作物質(zhì)C C、固體激光器的光泵浦系統(tǒng)、固體激光器的光泵浦系統(tǒng)1 1、惰性氣體燈、惰性氣體燈結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)管壁管壁電極電極接頭接頭氣體氣體脈沖燈的發(fā)射光譜脈沖燈的發(fā)射光譜2 2、激光二極管、激光二極管 光譜特性光譜特性1 1、端面泵浦、端面泵浦2 2

20、、側(cè)面泵浦、側(cè)面泵浦3 3、基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型、基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型 A、泵浦方式、泵浦方式3、泵浦耦合技術(shù)泵浦耦合技術(shù)B、耦合光學(xué)系統(tǒng)耦合光學(xué)系統(tǒng)3、泵浦耦合技術(shù)泵浦耦合技術(shù)聚光腔材料選擇聚光腔材料選擇 金屬：鋁金屬：鋁輕型系統(tǒng)輕型系統(tǒng) 銅銅熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高 不銹鋼不銹鋼不生銹，光潔度高，熱導(dǎo)率低不生銹，光潔度高，熱導(dǎo)率低 玻璃：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕玻璃：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕 陶瓷：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕陶瓷：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕金屬材料的反射率金屬材料的反射率B、耦合光學(xué)系統(tǒng)耦合光學(xué)系統(tǒng)3、泵浦耦合技術(shù)泵浦耦合技術(shù)C、LD

21、泵浦泵浦全固態(tài)激光器（全固態(tài)激光器（DPSSL）的的技術(shù)發(fā)展）的的技術(shù)發(fā)展平均功率：平均功率：110W 重復(fù)頻率：重復(fù)頻率：130kHz;脈寬：脈寬：230ns 不穩(wěn)定性不穩(wěn)定性: 1 atm 一定壓力的一定壓力的CO2, N2, He混合的氣體分子激光器混合的氣體分子激光器v 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 9-11um，最常見(jiàn)，最常見(jiàn)10.6umv 效率高，功率范圍大（幾瓦效率高，功率范圍大（幾瓦幾萬(wàn)瓦）幾萬(wàn)瓦）v 光束質(zhì)量好光束質(zhì)量好v 運(yùn)行方式多樣，結(jié)構(gòu)多樣運(yùn)行方式多樣，結(jié)構(gòu)多樣CO2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能級(jí)激光器中，加入其中的氦有利于激光下能級(jí)抽空。氮?dú)饧尤胫饕诔榭?。氮?dú)饧尤胫饕贑O2激

22、光器中起能量傳遞作激光器中起能量傳遞作用，為用，為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。 44CO2激光器結(jié)構(gòu)圖激光器結(jié)構(gòu)圖1、激光管，包括：放電管、水冷套管和儲(chǔ)氣管；、激光管，包括：放電管、水冷套管和儲(chǔ)氣管；2、光學(xué)諧振腔，常用平凹腔，反射鏡鍍金膜，反射率達(dá)、光學(xué)諧振腔，常用平凹腔，反射鏡鍍金膜，反射率達(dá)98.8且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料.3、電源及泵浦：封閉式、電源及泵浦：封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電激光器的放電電流較小

23、，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。3040mA的工作電流，陰的工作電流，陰極圓筒的面積極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染。，不致鏡片污染。45激勵(lì)激勵(lì)或或或或受激輻射受激輻射下能級(jí)排空下能級(jí)排空(碰撞排空碰撞排空)工作過(guò)程工作過(guò)程放電，氣體電離產(chǎn)生電子放電，氣體電離產(chǎn)生電子46激光器類型激光器類型v封離型縱向激勵(lì)封離型縱向激勵(lì)CO2激光器激光器v高功率軸快流高功率軸快流CO2激光器激光器v高功率橫流高功率橫流CO2激光器激光器v橫向激勵(lì)高氣壓橫向激勵(lì)高氣壓CO2激光器（激光器（TEA）v波導(dǎo)波導(dǎo)CO2激光器激光器4748He-Ne激光器激光器v 氣體

24、原子激光器氣體原子激光器v 輸出譜線：輸出譜線：632.8nm，1.15um，3.39um，以，以632.8nm為最為最常見(jiàn)。常見(jiàn)。v 功率在功率在mW級(jí)，最大級(jí)，最大1Wv 光束質(zhì)量好，發(fā)散角可小于光束質(zhì)量好，發(fā)散角可小于1mradv 單色性好，帶寬可小于單色性好，帶寬可小于20Hzv 穩(wěn)定性高穩(wěn)定性高工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：He Ne混合氣體，體積比混合氣體，體積比8：2，少量，少量N249工作過(guò)程工作過(guò)程形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(能級(jí)壽命上能級(jí)壽命上10-7s :下下10-8s)2、He與電子碰撞與電子碰撞1、放電：、放電：He電離產(chǎn)生電子電離產(chǎn)生電子3、能量共振轉(zhuǎn)移、能量共振轉(zhuǎn)移504

25、、受激輻射、受激輻射5、紫外輻射、紫外輻射6、下能級(jí)排空、下能級(jí)排空 通過(guò)通過(guò)Ne與管壁的碰撞，管與管壁的碰撞，管壁發(fā)熱放電管很細(xì)（壁發(fā)熱放電管很細(xì)（2-3mm），），加大碰撞幾率，利于碰撞發(fā)生。加大碰撞幾率，利于碰撞發(fā)生。51Ar離子激光器離子激光器v 氣體離子激光器氣體離子激光器v 連續(xù)工作的氬離子激光器可以有連續(xù)工作的氬離子激光器可以有9條藍(lán)綠光譜線。條藍(lán)綠光譜線。 主要波長(zhǎng)主要波長(zhǎng)488nm488nm，514.5nm514.5nmv 常見(jiàn)功率幾十瓦，最高常見(jiàn)功率幾十瓦，最高500W500Wv 直流放電泵浦，能量轉(zhuǎn)換效率低直流放電泵浦，能量轉(zhuǎn)換效率低激光躍遷上能級(jí)粒子數(shù)集聚主要有三種激光

26、躍遷上能級(jí)粒子數(shù)集聚主要有三種途徑：途徑：a，基態(tài)氬離子與電子碰撞直接激發(fā)到，基態(tài)氬離子與電子碰撞直接激發(fā)到4p態(tài)；態(tài)；b，先激發(fā)到高于，先激發(fā)到高于4p的其他能級(jí)，的其他能級(jí)，然后通過(guò)級(jí)聯(lián)輻射躍遷至然后通過(guò)級(jí)聯(lián)輻射躍遷至4p；c，基態(tài)氬離子激發(fā)至低于，基態(tài)氬離子激發(fā)至低于4p的亞穩(wěn)態(tài)后的亞穩(wěn)態(tài)后再被激發(fā)到再被激發(fā)到4p。52如果使用藍(lán)綠波段高反射的反射鏡，則所有這些譜線都會(huì)同如果使用藍(lán)綠波段高反射的反射鏡，則所有這些譜線都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。通過(guò)使用棱鏡，可以選擇其中某個(gè)波長(zhǎng)。時(shí)出現(xiàn)。通過(guò)使用棱鏡，可以選擇其中某個(gè)波長(zhǎng)。如果放電電流足夠大，則可能在雙電離氬離子上產(chǎn)生激光，如果放電電流足夠大，則可能在

27、雙電離氬離子上產(chǎn)生激光，光譜范圍位于紫外光譜范圍位于紫外300-386nm300-386nm。氪離子激光器氪離子激光器與氬離子激光器構(gòu)造基本相同，激光介質(zhì)為氪與氬離子激光器構(gòu)造基本相同，激光介質(zhì)為氪氣，其產(chǎn)生的譜線除了藍(lán)綠光以外在紅外和紫外波段都有。氣，其產(chǎn)生的譜線除了藍(lán)綠光以外在紅外和紫外波段都有。5354準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器v 準(zhǔn)分子是一種在激發(fā)態(tài)結(jié)合為分子，在基態(tài)離解為原子的準(zhǔn)分子是一種在激發(fā)態(tài)結(jié)合為分子，在基態(tài)離解為原子的不穩(wěn)定締合物。不穩(wěn)定締合物。（Excimer）v 躍遷發(fā)生在束縛的激發(fā)態(tài)和排斥的基態(tài)之間。躍遷發(fā)生在束縛的激發(fā)態(tài)和排斥的基態(tài)之間。v 高重復(fù)率高重復(fù)率,可調(diào)諧可調(diào)

28、諧v 量子效率高量子效率高v 波長(zhǎng)短，紫外到可見(jiàn)區(qū)波長(zhǎng)短，紫外到可見(jiàn)區(qū)v 常見(jiàn)準(zhǔn)分子激光器如：常見(jiàn)準(zhǔn)分子激光器如：KrF：249nm；XeCl ：308nm；ArF ：193nm。55563、液體激光器、液體激光器v以某種以某種有機(jī)染料有機(jī)染料溶解于一定溶劑中作為激活介質(zhì)溶解于一定溶劑中作為激活介質(zhì)的激光器的激光器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：v波長(zhǎng)可調(diào)諧，調(diào)諧范圍寬波長(zhǎng)可調(diào)諧，調(diào)諧范圍寬v光譜分辨率高光譜分辨率高v結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單v價(jià)格便宜價(jià)格便宜v穩(wěn)定性差穩(wěn)定性差若丹明若丹明6G（Rhodamine 6G）溶于甲醇或者乙二醇。溶于甲醇或者乙二醇。57 將充有染料溶液盒放將充有染料溶液盒放置于激光腔內(nèi)，提供置

29、于激光腔內(nèi)，提供泵浦，產(chǎn)生激光。泵浦，產(chǎn)生激光。 用光柵代替反射鏡。用光柵代替反射鏡。激發(fā)輻射帶寬降低到激發(fā)輻射帶寬降低到0.5 ，可以讓激光，可以讓激光在整個(gè)熒光帶范圍內(nèi)在整個(gè)熒光帶范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。 泵浦可以用閃光燈來(lái)泵浦可以用閃光燈來(lái)實(shí)現(xiàn)，得到的激光脈實(shí)現(xiàn)，得到的激光脈寬寬1ms，峰值功率幾，峰值功率幾kW，重復(fù)頻率，重復(fù)頻率1Hz。也可以用固定波長(zhǎng)激也可以用固定波長(zhǎng)激光器泵浦。光器泵浦。工作原理工作原理58Dye laser output curves of some common laser dyes59自由電子穿過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生自發(fā)輻射，自由電子穿過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生自發(fā)輻射，自由電子跟光場(chǎng)的能量

30、轉(zhuǎn)移自由電子跟光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)移自由電子的群聚自由電子的群聚 光波長(zhǎng)尺度小團(tuán)，產(chǎn)生相干輻射光波長(zhǎng)尺度小團(tuán)，產(chǎn)生相干輻射 4、自由電子激光器、自由電子激光器60杰斐遜實(shí)驗(yàn)室自由電子激光器杰斐遜實(shí)驗(yàn)室自由電子激光器第一個(gè)自由電子激光器第一個(gè)自由電子激光器（IR-Demo）于）于1999 年年8月調(diào)試完畢月調(diào)試完畢 61北京自由電子激光裝置北京自由電子激光裝置(BFEL)是一臺(tái)基于是一臺(tái)基于30MeV電子直線電子直線射頻加速器驅(qū)動(dòng)、用熱陰極微波電子槍射頻加速器驅(qū)動(dòng)、用熱陰極微波電子槍 和和a鐵作為注入器、用鐵作為注入器、用平面型永磁扭擺鐵和光學(xué)諧振腔作為光電互作用裝置的低增益平面型永磁扭擺鐵和光學(xué)諧振腔

31、作為光電互作用裝置的低增益中遠(yuǎn)中遠(yuǎn) 紅外紅外(7-19mm)自由電子激光器。自由電子激光器。波形光譜能量波形光譜能量光傳輸線光傳輸線光腔準(zhǔn)直監(jiān)控光腔準(zhǔn)直監(jiān)控 625、半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器有源層：有源層：結(jié)構(gòu)中間有一層厚結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.10.3 m的窄帶隙的窄帶隙P型半導(dǎo)體；型半導(dǎo)體；限制層：限制層：兩側(cè)分別為寬帶隙的兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和型和N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。3層半導(dǎo)體置于基片層半導(dǎo)體置于基片(襯底襯底)上，上，諧振腔：諧振腔：前后兩個(gè)晶體解理前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里面作為反射鏡構(gòu)成法布里 - 珀羅珀羅(FP) 。63PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAly

32、As復(fù)合空穴異質(zhì)勢(shì)壘E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光電子DH激光器工作原理激光器工作原理 施加正向偏壓后，施加正向偏壓后， P層的空穴層的空穴和和N層的電子注入有源層。由層的電子注入有源層。由于限制層的帶隙比有源層寬，于限制層的帶隙比有源層寬，注入到有源層的電子和空穴被注入到有源層的電子和空穴被限制在有源層內(nèi)。限制在有源層內(nèi)。(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)； (b) 能帶；能帶；(c) 折射率分布；折射率分布； (d) 光功率分布光功率分布 有源層內(nèi)電子和空穴形成粒子有源層內(nèi)電子和空穴形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，只要很小的外加數(shù)反轉(zhuǎn)分布，只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃電流，就可以

33、使電子和空穴濃度增大而提高效益。度增大而提高效益。 另一方面，有源層的折射率比另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)波導(dǎo)內(nèi)，因而電在有源區(qū)波導(dǎo)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。以在室溫連續(xù)工作。 64半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)ggEEhc24.1GaAlAs/GaAs材料適用于材料適用于0.85 m波段，波段，InGaAsP/InP材料適用于材料適用于1.31.55 m波段。波段。直流驅(qū)動(dòng)時(shí)四種不同電流下的

34、輸出光譜直流驅(qū)動(dòng)時(shí)四種不同電流下的輸出光譜GaAlAs DH激光器的光譜特性激光器的光譜特性651.00.80.60.40.2080604020020406080T300 K輻射角(度)相對(duì)光強(qiáng)(a)(b)W 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 場(chǎng) 圖 樣0.1rad遠(yuǎn) 場(chǎng) 圖 樣GaAlAs DH條形激光器的光場(chǎng)條形激光器的光場(chǎng) 1.00.80.60.40.2080604020020406080T300 K輻射角(度)相對(duì)光強(qiáng)(a)(b)(b) 光強(qiáng)的角分布光強(qiáng)的角分布(a) 輻射光束輻射光束66分布反饋激光器分布反饋激光器(Distributed Feed Back, DFB)eBnm2優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 單縱模單縱模 譜線窄，譜線窄， 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好波長(zhǎng)穩(wěn)定性好 動(dòng)態(tài)譜線好動(dòng)態(tài)譜線好 線性好線性好67 通常把光源做成組件，同時(shí)利用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)通常把光源做成組件，同時(shí)利用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度控制行溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度控制(ATC)。 實(shí)際應(yīng)用中的光源模塊實(shí)際應(yīng)用中的光源模塊686、光纖激光器、光纖激光器光纖激光器的特點(diǎn)：光纖激光器的特點(diǎn)： 效率高，閾值低，窄線寬、可調(diào)諧、