各種典型激光器原理全

1、各種典型激光器原理全第1頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三章 典型激光器第一節(jié) 概述第二節(jié) 氣體激光器 第三節(jié) 固體激光器第四節(jié) 染料激光器主要內(nèi)容：第2頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述一、 激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光器的基本結(jié)構(gòu)由工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分構(gòu)成。激光器的基本結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)是激光器的核心,是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。泵浦源為在工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。工作物質(zhì)類型不同,采用的泵浦方式不同。光學(xué)諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋,同時(shí),諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。第3頁(yè)，共96頁(yè)

2、，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述二、分類及輸出特性激光器種類繁多,習(xí)慣上主要按照以下兩種方式劃分:一種是工作物質(zhì),另一種是按照激光器工作方式。1 按照激光工作物質(zhì)1） 氣體激光器氣體和金屬蒸氣作為工作物質(zhì)。根據(jù)氣體工作物質(zhì)為氣體原子、氣體分子或氣體離子,又可將氣體激光器分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。 原子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體原子,激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體和鎘、銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸氣。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。第4頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期

3、二第一節(jié) 概述分子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體分子,激光躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振-轉(zhuǎn)能級(jí)之間。采用的氣體主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子氣體。分子激光器的典型代表是CO2 激光器。準(zhǔn)分子激光器。所謂準(zhǔn)分子,是一種在基態(tài)離解為原子而在激發(fā)態(tài)暫時(shí)結(jié)合成分子(壽命很短)的不穩(wěn)定締合物,激光躍遷產(chǎn)生于其束縛態(tài)和自由態(tài)之間。采用的準(zhǔn)分子氣體主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表為XeF* 準(zhǔn)分子激光器。離子激光器中產(chǎn)生激光作用的是已電離的氣體離子,激光躍遷發(fā)生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的離子氣體主要有惰性氣體離子、分

4、子氣體離子和金屬蒸氣離子三類。其典型代表為Ar+ 激光器。第5頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述 激勵(lì)方式 氣體激光器一般采用氣體放電激勵(lì),還可以采用電子束激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等方式。 波長(zhǎng)范圍： 氣體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于真空紫外遠(yuǎn)紅外波段 特點(diǎn)：激光譜線上萬(wàn)條,具有輸出光束質(zhì)量高(方向性及單色性好)、連續(xù)輸出功率大(如CO2 激光器)等輸出特性,其器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。第6頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述應(yīng)用 氣體激光器廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如計(jì)量、材料加工、激光醫(yī)療、激光通信、能源等

5、方面。 1961年,第一臺(tái)氣體激光器He-Ne激光器問(wèn)世。2)固體激光器固體激光器以固體激光介質(zhì)作為工作物質(zhì)。固體工作物質(zhì)通常是在基質(zhì)材料,如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子(稱為激活離子),激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級(jí)之間。用作激活離子的元素可分為四類:三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土金屬離子、過(guò)渡金屬離子和錒系金屬離子。固體激光器的典型代表是紅寶石(Cr3+:Al2O3 )激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光器、釹玻璃激光器和摻鈦藍(lán)寶石(Ti 3+:Al2 O3 )激光器。第7頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述固體激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要

6、有閃光燈和半導(dǎo)體激光二極管兩類。固體激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于可見(jiàn)光近紅外波段,激光譜線數(shù)千條,具有輸出能量大(多級(jí)釹玻璃脈沖激光器,單脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣等特點(diǎn)。器件結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、易于與光纖耦合進(jìn)行光纖傳輸。固體激光器主要應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光測(cè)距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學(xué)、激光核聚變等方面。第8頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述3)液體激光器液體激光器的工作物質(zhì)分為二類:一類為有機(jī)化合物液體(染料),另一類為無(wú)機(jī)化合物液體。其中,染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的有機(jī)染料有四類:吐噸類染料、香豆素類

7、激光染料、惡嗪激光染料和花青類染料。染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和閃光燈泵浦染料激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到近紅外波段(300nm1.3m),通過(guò)混頻等技術(shù)還可將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至真空紫外到中紅外波段。激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。器件特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的不足。染料激光器主要應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、光生物學(xué)等方面。1966年,世界上第一臺(tái)染料激光器由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器問(wèn)世。第9頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述4)半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器

8、也稱為半導(dǎo)體激光二極管,或簡(jiǎn)稱激光二極管(LaserDiode,縮寫(xiě)LD)。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性,使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。 半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料主要有三類:(1)A A 族化合物半導(dǎo)體,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。(2) B A族化合物半導(dǎo)體,如硫化鎘(CdS)等。(3)AA族化合物半導(dǎo)體,如碲錫鉛(PbSnTe)等。 根據(jù)生成pn結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙)、量子阱等多種類型。 半導(dǎo)體激光器采用注入電流方式泵浦。第10頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20

9、日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述 半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍一般在近紅外波段(920nm1.65m),其中1.3m與1.55m為光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進(jìn)行高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)(一般可達(dá)數(shù)十萬(wàn)乃至百萬(wàn)小時(shí)以上)等突出特點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光纖通信、光存儲(chǔ)、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域,如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動(dòng)化、激光準(zhǔn)直及激光醫(yī)療等方面。 1962年,世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器GaAs激光器問(wèn)世。第11頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述5)化學(xué)激光器 化學(xué)激光器是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒

10、子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光輻射的。工作物質(zhì)可以是氣體或液體,但目前主要是氣體,如氟化氫(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等?；瘜W(xué)激光器采用化學(xué)能激勵(lì)。為促成工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng),一般需采用一些引發(fā)措施,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。 化學(xué)激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到紅外波段,直至微米波段,功率高、能量輸出高,無(wú)需外界提供泵浦源,可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點(diǎn),特別適合于野外等無(wú)電源處工作。 化學(xué)激光器主要應(yīng)用于國(guó)防、科學(xué)研究等領(lǐng)域,如激光武器、同位素分離等。 1964年,第一臺(tái)光解離碘原子化學(xué)激光器問(wèn)世。第12頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述6)

11、自由電子激光器自由電子激光器是一種新型激光器。自由電子激光器的工作物質(zhì)是相對(duì)論電子束。所謂相對(duì)論電子束是指通過(guò)電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠堋Ｗ杂呻娮蛹す馄鞯谋闷衷礊榭臻g周期磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)。具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是自由電子激光器兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)。自由電子激光器在未來(lái)的生物、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景 第13頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述7）X射線激光器X射線激光器輸出激光波長(zhǎng)位于X射線波段(110nm)。 X射線激光器工作物質(zhì)為高度電離的等離子體,采用光泵浦,但需要特殊的X射線泵

12、浦源。第14頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié) 概述8) 光纖激光器工作物質(zhì):以摻入某些激活離子的光纖,或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。分類： 晶體光纖激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。泵浦方式主要采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦。特點(diǎn)： 光纖激光器是一種新型的激光器件,具有總增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍及器件結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點(diǎn),在遠(yuǎn)距離光纖通信等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。1963年,第一臺(tái)光纖激光器Nd2 O3 光纖激光器問(wèn)世 第15頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第一節(jié)

13、概述二、按照激光器工作方式劃分激光器可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式, 連續(xù)激光器脈沖激光器。按照激光技術(shù)的應(yīng)用分為調(diào)Q激光器鎖模激光器穩(wěn)頻激光器可調(diào)諧激光器等,按照諧振腔腔型的不同分為非穩(wěn)腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型。第16頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器一、 氣體放電激勵(lì)基礎(chǔ)所謂氣體放電,是指在高電壓作用下,氣體分子(或原子)發(fā)生電離而導(dǎo)電。常用氣體激光器的氣體放電屬于弱電離氣體放電,其氣體電離度一般不超過(guò)0.1%。1. 分類 1).直流連續(xù)放電直流連續(xù)放電是指在氣體激光器放電管兩電極間加上可調(diào)的直流電壓。調(diào)節(jié)放電管兩端的電壓或電阻，測(cè)出

14、相應(yīng)的放電電流，即可得到放電管直流連續(xù)放電的伏安特性曲線。第17頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的管壓降稱為著火電壓，也稱起輝電壓，或擊穿電壓。AD段為非自持放電階段。放電電流雖然隨端電壓升高而增加,但其值很小。此時(shí)若去掉外界電離源,放電電流則很快減小直至放電終止。此階段的放電電流范圍一般在10 -20-10 -11 A之間。 第18頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 D點(diǎn)以后,則為自持放電階段,原因陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射DE段叫作自持暗放電,放電不穩(wěn)定平坦的EF段。該區(qū)域的特點(diǎn)是電流增加,但管壓降幾乎保

15、持不變,放電管內(nèi)出現(xiàn)明暗相間的輝光,稱之為正常輝光放電。輝光放電階段,由于二次發(fā)射的電子隨電場(chǎng)的增加而迅速增加,故當(dāng)放電管端電壓略有增加時(shí),放電電流就增大很多。輝光放電的電流范圍一般在10-410-1 A之間FG段則為反常輝光放電階段。此階段管壓降隨著電流增加而增加。反常輝光放電階段,陰極濺射很強(qiáng)烈,放電管一般應(yīng)避免在此狀態(tài)下工作。第19頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器G點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓叫做弧光著火電壓。過(guò)G點(diǎn)后,放電管管壓降再次迅速下降,放電電流快速增大,放電管中發(fā)出耀眼的弧光,稱之為弧光放電?；」夥烹姷腉H段呈現(xiàn)出負(fù)阻特性,放電不穩(wěn)定。HK段為穩(wěn)定弧

16、光放電階段,放電電流一般大于10-1A。輝光放電 高電壓、小電流(幾毫安至幾十毫安)放電,是一種穩(wěn)定的自持放電。 He-Ne激光器與CO2 激光器都是工作在輝光放電區(qū)域。 第20頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器弧光放電 低電壓大電流(幾十安至幾千安)的自持放電。弧光放電的著火電壓一般比輝光放電的著火電壓高,但對(duì)陰極表面積和電子逸出功都很小的放電管而言,其弧光著火電壓也可低于輝光著火電壓?；」夥烹姺诸悾?熱陰極弧光放電、 冷陰極弧光放電 人工陰極弧光放電Ar+ 激光器工作于弧光放電區(qū)域。第21頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié)

17、 氣體激光器 2).高頻放電高頻放電也叫做射頻氣體放電。所謂射頻,通常指頻率在幾兆到幾百兆范圍內(nèi)的電磁波。當(dāng)兩電極間施加高頻交變電場(chǎng)后,由于帶電粒子在兩電極之間的渡越時(shí)間遠(yuǎn)大于電場(chǎng)的變化周期,使得電子不能再做長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng),而只能在某個(gè)固定位置附近振蕩,并在振蕩過(guò)程中與氣體粒子碰撞,產(chǎn)生電離和激發(fā),以維持放電。射頻放電時(shí),由于電子不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)使電子飛越的路程增大,從而使電子與氣體粒子碰撞的次數(shù)增加,電離能力極大提高,也使得作為電子來(lái)源的陰極的重要性大為減弱。因此,射頻放電可以用內(nèi)電極,也可以用外電極,甚至可以不用電極。20世紀(jì)70年代,射頻氣體放電技術(shù)成功地應(yīng)用于大功率輸出CO2 激光器,并已展

18、示出其廣闊的應(yīng)用前景。第22頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 3).脈沖放電放電管兩電極間施加脈沖電壓時(shí),即產(chǎn)生脈沖放電。按放電電流密度的大小,放電管內(nèi)可產(chǎn)生脈沖輝光放電和脈沖弧光放電。按所加電壓的交變狀態(tài),可分為直流脈沖放電和交流脈沖放電。按脈沖持續(xù)時(shí)間,又可分為短脈沖放電和長(zhǎng)脈沖放電。準(zhǔn)分子激光器采用脈沖放電方式。大功率高氣壓氣體激光器多采用短脈沖放電方式。氣體放電除上述三種放電方式外,還有火花放電和電暈放電等方式。第23頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器2氣體放電中的粒子碰撞與激發(fā)、電離過(guò)程在氣體放電中,帶

19、電粒子(電子和離子)與中性氣體粒子(原子或分子)之間的碰撞決定著放電進(jìn)行的情況。其中,有兩種基本的碰撞過(guò)程影響著器件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立和維持。第一種過(guò)程是電離,它對(duì)于維持放電是不可或缺的;第二種過(guò)程是激光上、下能級(jí)粒子的激發(fā)與消激發(fā)。粒子的碰撞一般可分為兩類:彈性碰撞和非彈性碰撞。在氣體激光器工作物質(zhì)的激發(fā)與電離過(guò)程中,粒子的碰撞都屬于非彈性碰撞。非彈性碰撞又可分為第一類非彈性碰撞和第二類非彈性碰撞。第24頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器1）.第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞指一個(gè)粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能的碰撞。其最常見(jiàn)的形式之一就是快速電子與氣

20、體粒子發(fā)生碰撞激發(fā)和電離。在碰撞過(guò)程中,快速電子失去能量,速度變慢,氣體粒子得到能量被激發(fā)到高能態(tài)或被電離。電子的能量大于或等于氣體粒子的激發(fā)態(tài)能量時(shí),碰撞激發(fā)過(guò)程則有可電子能量等于或大于氣體粒子的電離能時(shí),碰撞電離過(guò)程便可以發(fā)生。其電離過(guò)程可表示為第25頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器電子和氣體粒子的碰撞,還可以使粒子從一個(gè)激發(fā)態(tài)躍遷到另一個(gè)更高的激發(fā)態(tài),或者使激發(fā)態(tài)粒子發(fā)生電離,分別叫做逐級(jí)激發(fā)和逐級(jí)電離。2).第二類非彈性碰撞 第二類非彈性碰撞指一個(gè)粒子的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能或動(dòng)能的碰撞。其形式主要有共振轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)等。共振轉(zhuǎn)移是指

21、激發(fā)態(tài)的粒子A * (通常指亞穩(wěn)態(tài))與基態(tài)粒子B碰撞,使B激發(fā)到高能態(tài)B* ,而A* 返回基態(tài)。其過(guò)程可表示為 A* +BA+B* +E 其中,E為A* 和B* 兩者激發(fā)態(tài)之差。E越小,共振轉(zhuǎn)移截面越大。當(dāng)E 趨于零時(shí),共振轉(zhuǎn)移截面大于10-14cm2 ,轉(zhuǎn)移最易發(fā)生。 共振轉(zhuǎn)移是選擇性激發(fā)過(guò)程中最重要的形式之一。第26頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器電荷轉(zhuǎn)移是指離子與中性氣體粒子碰撞引起的激發(fā)與電離過(guò)程。其激發(fā)過(guò) A+ +BA+B+ E 其中,A為A+ 從中性粒子B處獲得一個(gè)電子而成為中性粒子;B 為中性粒子失去一個(gè)電子而成為正離子B +;E為A 和

22、B 兩者電離能之差。 電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的電離激發(fā),可表示為 A+ +BA+B* +E其中,B*為離子激發(fā)態(tài);E為離子激發(fā)態(tài)B*與粒子A+的電離能之間的位能差。 正離子與中性氣體粒子之間的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。負(fù)離子與中性氣體粒子碰撞亦可失去電子而成為速度較快的中性粒子,同時(shí)使原中性氣體粒子成為速度較慢的負(fù)離子。第27頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 潘寧電離 指處于激發(fā)態(tài)的氣體粒子A* 與處于基態(tài)的粒子B碰撞,A*失去能量返回基態(tài),而B(niǎo)被電離,或電離后又被激發(fā)。其過(guò)程可表示為 A*+BA+B*+ +e A* +BA+B+ +e 由上述反應(yīng)過(guò)程可見(jiàn),只要A 的

23、激發(fā)能大于基態(tài)粒子B的電離能,潘寧電離便可以進(jìn)行,電離中產(chǎn)生的多余能量可轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。氣體放電過(guò)程中,除上述介紹的由于粒子碰撞所產(chǎn)生的激發(fā)和電離過(guò)程外,還存在著復(fù)合、吸附與轉(zhuǎn)荷等過(guò)程.第28頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器二、He-Ne激光器 工作介質(zhì)：He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器,Ne為工作物質(zhì),He為輔助氣體。特點(diǎn)： He-Ne激光器輸出連續(xù)光,主要工作波段在可見(jiàn)光到近紅外區(qū)域,其中,最常用的工作波長(zhǎng)為632.8nm(紅光),其次是1.15m和3.39m以及1.52m、543.5nm等。He-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很高,表現(xiàn)為單色

24、性好(20Hz)和方向性好(Qn2,則有n=n3-n2n3。因此,以下主要分析n3與總氣壓P的關(guān)系。在He、Ne氣壓比一定的條件下,總氣壓P升高可以使He與Ne原子的粒子數(shù)密度n0、n1上升,有利于提高n3,使n上升。但若總氣壓P太高,在n0與n1上升的同時(shí),電子與原子碰撞次數(shù)也隨之增多,致使電子動(dòng)能下降,S04降低,從而導(dǎo)致n3 下降,使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n下降。因此,He-Ne激光器存在一個(gè)最佳充氣總氣壓,在此條件下工作,器件增益最大。增益與充氣總氣壓的關(guān)系第41頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器(3)增益與He、Ne氣壓比(PHePNe )的關(guān)系 在總

25、氣壓P一定的條件下,Ne的分壓上升,可提高基態(tài)Ne原子粒子數(shù)密度n 1 ,同時(shí)使He原子基態(tài)粒子數(shù)密度n 0 下降。由式(3.6)知,n 1 比n 0 對(duì)n 3的影響大。因此,Ne的分壓上升,可以提高n 3 。但若其分壓過(guò)高,由于Ne原子電離電位低,易電離而導(dǎo)致電子能量下降,使S 04 下降,導(dǎo)致n3 下降。同時(shí),由于Ne原子激光上能級(jí)的粒子數(shù)主要通過(guò)與He原子亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子之間的共振轉(zhuǎn)移而獲得,因此,作為工作氣體的Ne氣所占比例要適當(dāng)。P HeP Ne 也存在一個(gè)最佳值,P He PNe ,一般P HeP Ne 71101。第42頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié)

26、 氣體激光器最佳充氣總氣壓與最佳He、Ne氣壓比稱為He-Ne激光器的最佳充氣條件。當(dāng)器件工作于最佳充氣條件時(shí),其放電毛細(xì)管內(nèi)徑d與最佳充氣總氣壓Popt的乘積為一常數(shù),其取值范圍Poptd=480533(Pa mm)。由上述分析得出結(jié)論:為獲得最大增益,He-Ne激光器應(yīng)工作在最佳放電條件下,即采用最佳放電電流、最佳充氣總氣壓和最佳He、Ne氣壓比。第43頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器3He-Ne激光器的譜線競(jìng)爭(zhēng) 632.8nm、3.39m與1.15m三條譜線是He-Ne激光器上百條譜線中最強(qiáng)的三條。三者之中,由于3.39m譜線與632.8nm譜線

27、共用一個(gè)激光上能級(jí)3s2 ,且增益都很高。因此,二者之間存在激烈的譜線競(jìng)爭(zhēng)。3.39m譜線的振蕩,將大量消耗激光上能級(jí)的粒子,導(dǎo)致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降,甚至振蕩被抑制。為保證632.8nm譜線起振并提高其輸出功率,應(yīng)設(shè)法抑制3.39m譜線的振蕩。抑制所遵循的原則是增大3.39m譜線的損耗或者降低其增益。采取的方法有:第44頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器2）腔內(nèi)放置甲烷吸收盒該法利用甲烷氣體對(duì)632.8nm 透明而對(duì)3.39 強(qiáng)吸收的特性，增大3.39譜線的腔內(nèi)損耗以抑制其振蕩，結(jié)構(gòu)如圖所示。1）棱鏡色散法第45頁(yè)，共96頁(yè)，2022

28、年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器3）外加非均勻磁場(chǎng)法 其原理是利用塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)指磁場(chǎng)將引起譜線的分裂，譜線分裂的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。施加非均勻磁場(chǎng)后，造成放電管內(nèi)各處譜線分裂程度不同，其作用相當(dāng)于把譜線展寬第46頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器對(duì)放電管長(zhǎng)度小于的He-Ne激光器，使用前兩種方法就能抑制3.39譜線振蕩。若放電管長(zhǎng)度大于，往往需要幾種方法相結(jié)合才能有效抑制。第47頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器三Co2激光器 CO2 激光器是一種混合氣體激光器,CO2 為工作物質(zhì),N

29、2 、He、CO、Xe、H2 O、H2 與O2 等為輔助氣體,其作用是提高激光器的輸出功率和效率。 CO2激光器的工作方式分為連續(xù)和脈沖兩種,也可以在穩(wěn)頻、調(diào)諧(選支)等狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn) CO2激光器的輸出特性有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):其一是輸出功率或能量相當(dāng)大,能量轉(zhuǎn)換效率高。CO2 激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)瓦,是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件;脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦,脈寬可壓縮到納秒量級(jí),脈沖功率密度可達(dá)太瓦量級(jí)。其二是輸出波長(zhǎng)分布在918m波段,已觀察到的激光譜線二百多條。其中,911m紅外波段中最重要的輸出波長(zhǎng)10.6m處于大氣傳輸?shù)拇翱?有利于激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、大氣通信等方面的應(yīng)用,且該

30、波長(zhǎng)對(duì)人眼安全。 CO2 激光器于1964年問(wèn)世。第48頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 CO2 激光器種類很多,主要有封離型、流動(dòng)(縱向和橫向)型、大氣壓型、氣動(dòng)型以及波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)形式,激勵(lì)方式有低功率器件采用的縱向氣體放電激勵(lì)、大功率器件采用的橫向氣體放電激勵(lì)、射頻激勵(lì)、化學(xué)、氣動(dòng)、電子束激勵(lì)等。1）CO2 分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)及振-轉(zhuǎn)躍遷 a.CO2分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)分子的總能量包括以下四部分：電子繞核運(yùn)動(dòng)的能量；分子中原子的振動(dòng)能量；分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量；平動(dòng)能量。除平動(dòng)能量外，前三種運(yùn)動(dòng)的能量部是量子化的。相鄰電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)問(wèn)能量差的比例約為10

31、4：102：1。第49頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器CO2 分子的振動(dòng)有三種基本形式,或稱三種簡(jiǎn)正振動(dòng): 對(duì)稱振動(dòng)。CO2 分子中的2個(gè)原子沿分子軸同時(shí)朝向或同時(shí)背向碳原子振動(dòng),碳原子保持不動(dòng),如圖3.15(b)所示。 形變（彎曲）振動(dòng)。CO2 分子的3個(gè)原子不是沿分子軸振動(dòng),而是垂直于分子軸振動(dòng),且碳原子的振動(dòng)方向與2個(gè)氧原子相反,如圖3.15(c)所示。 反對(duì)稱振動(dòng)。CO2 分子的3個(gè)原子沿分子軸振動(dòng),其中,碳原子的振動(dòng)方向與2個(gè)氧原子相反,如圖3.15(d)所示。 第50頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器

32、 在一級(jí)近似下,CO2 分子上述三種振動(dòng)方式相互獨(dú)立,其振動(dòng)能量為三種振動(dòng)方式的能量之和。我們用4個(gè)對(duì)應(yīng)的量子數(shù)標(biāo)記其振動(dòng)能級(jí),標(biāo)記符號(hào)為(v1 vl2 v 3 )。VI 分別代表其對(duì)稱、形變及反對(duì)稱的主量子數(shù)，而l代表形變時(shí)，其投影的角動(dòng)量守恒的且量子化的，用量子數(shù)l表示，lv2，v2-2，v2-4，1或0。第51頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器CO2 分子可能產(chǎn)生的躍遷譜線有很多條,其中強(qiáng)度最強(qiáng)和最具價(jià)值的是10.6m譜線(對(duì)應(yīng)于00 0 110 0 0能級(jí)的躍遷)和9.6m譜線(對(duì)應(yīng)于0001 0200能級(jí)的躍遷)。上述兩條譜線的躍遷過(guò)程表明,C

33、O2 分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)屬四能級(jí)系統(tǒng)。表3.4給出了與CO2 分子10.6m和9.6m譜線躍遷有關(guān)的振動(dòng)能級(jí)壽命。 由上表可見(jiàn),CO2 分子激光上能級(jí)(000 1)壽命長(zhǎng)于激光下能級(jí)第52頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器b) CO2能級(jí)激發(fā)1）直接電子碰撞電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激光上能級(jí)CO2(0000)+e-CO2(0001)+e2）級(jí)聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激發(fā)態(tài)000n能級(jí)，其與基態(tài)CO2碰撞將其激發(fā)到激光上能級(jí)CO2(0000)+ CO2(000n) -CO2(0001)+ CO2(000n-1) 3）共振轉(zhuǎn)移基態(tài)N2和電

34、子碰撞躍遷到基態(tài)V=1的振動(dòng)能級(jí)，該能級(jí)壽命長(zhǎng)，屬于亞穩(wěn)態(tài)，其與基態(tài)C02發(fā)生非彈性碰撞并躍遷激光上能級(jí)e(快)+N2(v=0)-e(慢)+N2(v=1)第53頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器CO2分子0001能級(jí)與N2的v=1的能級(jí)接近， N2的v=24能級(jí)與CO2的0002-0004也接近易發(fā)生共振轉(zhuǎn)移， 0002-0004的CO2與基態(tài)CO2分子碰撞，也可激勵(lì)到0001以上三種激發(fā)途徑，共振轉(zhuǎn)移幾率最大，作用最顯著C) .CO2 分子的振-轉(zhuǎn)躍遷CO2 分子的紅外光譜并不是一條單一的振動(dòng)譜線,而是一條有一定寬度的譜帶。這是由于CO2 分子除振動(dòng)運(yùn)

35、動(dòng)外,同時(shí)存在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在其影響下,CO2分子的振動(dòng)能級(jí)將分裂為一系列轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。根據(jù)分子光譜理論,分子振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷必然伴隨著轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間的躍遷,產(chǎn)生帶狀光譜。第54頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器振-轉(zhuǎn)躍遷的選擇定則為:對(duì)于振動(dòng)能級(jí):v=0,1對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí):J=0,1對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的躍遷,選擇定則規(guī)定:J=+1,稱為R支,記為R(J)J=-1,稱為P支,記為P(J)J=0,稱為Q支。因?yàn)镃O2分子的對(duì)稱性質(zhì),譜帶中心沒(méi)有該支譜線,即不存在Q支躍遷。第55頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器由圖3.17可

36、以看出,在CO2 分子0001與1000振動(dòng)能級(jí)上,不是對(duì)應(yīng)地存在著全部的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。在000 1振動(dòng)能級(jí)上,只存在J為奇數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí),而在100 0振動(dòng)能級(jí)上,則只存在J為偶數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。這種情況稱之為轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)的缺位,它來(lái)源于分子態(tài)波函數(shù)對(duì)稱性的要求。 對(duì)于000 1100 0的振-轉(zhuǎn)躍遷,已觀察到的P支譜線27條,R支譜線26條,光譜帶范圍1011m。其中最強(qiáng)的P支譜線有4條,即P(18)、P(20)、P(22)和P(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為10.57m、10.59m、10.61m和10.63m。最強(qiáng)的R支譜線也有4條,即R(18)、R(20)、R(22)和R(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為1

37、0.26m、10.25m、10.23m和10.22m。 對(duì)于000 1020 0的振-轉(zhuǎn)躍遷,觀察到P支譜線29條,R支譜線25條,光譜帶范圍910m。其中最強(qiáng)的P支譜線為P(18)、P(20)、P(22)、P(24)與P(26),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為9.54m、9.55m、9.57m、9.59m和9.60m。最強(qiáng)的R線為R(18)、R(20)、R(22)與R(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為9.28m、9.27m、9.26m和9.25m。第56頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器CO2 分子00 0 1020 0的振-轉(zhuǎn)躍遷中能形成一百多條熒光譜線,但在CO2 激光器中

38、卻只有13條譜線能同時(shí)形成激光振蕩。這源于CO2 分子轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。處于同一振動(dòng)能級(jí)的各轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間靠得很近,粒子在各子能級(jí)間轉(zhuǎn)移很快。一旦處于某一轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)上的粒子躍遷后,服從玻爾茲曼分布規(guī)律的其他能級(jí)上的粒子會(huì)立即轉(zhuǎn)移到該能級(jí),而使其他能級(jí)上的粒子減少。在CO2激光器中,當(dāng)某條譜線獲得較大增益而優(yōu)先起振時(shí),亦同時(shí)抑制了其他譜線的振蕩。例如,9.6m譜線與10.6m譜線共用一個(gè)激光上 能級(jí),而粒子從000 1100 0能級(jí)的躍遷幾率要大得多,故CO2 激光器中若無(wú)波長(zhǎng)選擇裝置,則9.6m譜線將在與10.6m譜線的競(jìng)爭(zhēng)中失敗而無(wú)法起振。正是由于轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間激烈的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng),當(dāng)CO2

39、 激光器諧振腔長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí),振蕩譜線的頻率易跳動(dòng)到其他頻率上。CO2激光器的諧振腔大多采用平凹腔，由于其增益高，也可采用非穩(wěn)腔以增加其模體積。高反射鏡可用金屬制成，也可在玻璃表面鍍以金膜。輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過(guò)紅外光的Ge、GaAs等材料制成輸出窗.第57頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 D氣體成分 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)CO2 激光器中充有適量的N2 、CO、Xe、Ne、H2 、H2O等氣體時(shí),輸出功率顯著提高。而當(dāng)充有Ar、N2 O等氣體時(shí),輸出功率則顯著下降。為提高輸出功率,CO2 激光器都充有不同組分的輔助氣體,主要分為含N2 組分與含CO

40、組分兩種。 含N2 組分為CO2 +N2 +He+Xe+H2 , 含CO組分為CO2 +CO+He+Xe, 含N2 組分的輸出功率要高于含CO組分。 上述各種氣體成分在CO2激光器中的主要作用: 氮:N2 是CO2 激光器中最主要的輔助氣體,其作用主要是提高CO2 分子0001能級(jí)的激發(fā)速率,同時(shí)加快011 0能級(jí)的弛豫速率。加入適量的N2 后,能明顯提高輸出功率。但其含量不能太高,因總氣壓一定時(shí),N2含量高,則CO2含量就相應(yīng)降低,且放電時(shí)CO2 離解出的O會(huì)與N2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成N2 O和 NO,它們對(duì)CO2 分子的000 1能級(jí)有消激發(fā)作用。 第58頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20

41、日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 一氧化碳:CO作用與N2 類似,不僅能增大CO2 分子000 1能級(jí)的激發(fā)速率,還能加快01 10能級(jí)的弛豫速率。但其含量過(guò)高時(shí)會(huì)造成對(duì)000 1能級(jí)的消激發(fā)。 氦:在CO2 +N2 混合氣體中,加入適量的He(He的含量可以是CO2 的45倍)可以大幅度提高輸出功率。其原因是:He原子質(zhì)量輕,導(dǎo)熱率高(其導(dǎo)熱率比CO2和N2高約一個(gè)數(shù)量級(jí)),可有效降低工作氣體溫度,提高輸出功率。另外He對(duì)CO2分子激光下能級(jí)100 0、020 0和011 0的弛豫作用遠(yuǎn)大于其對(duì)激光上能級(jí)000 1能級(jí)的弛豫作用,有利于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在高氣壓CO2激光器中,He的主

42、要作用是改善氣體放電的均勻性。 氙:在CO2 +N2 +He混合氣體中,加入少量的Xe,可使輸出功率進(jìn)一步提高約30%40%,能量轉(zhuǎn)換效率提高10%15%。原因是:Xe的電離電位低,加入后可增加放電氣體中的電離度,使E/N值降低(充有Xe的放電管管壓降可以下降20%),從而提高激光器的效率?；旌蠚怏w中Xe的含量有一最佳值,一般其分壓強(qiáng)在107160Pa之間。Xe的含量不可過(guò)高,過(guò)高雖使電子密度增加,但電子碰撞機(jī)會(huì)也隨之增加,導(dǎo)致電子溫度下降。第59頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器水蒸氣和氫: 在CO2 +N2 +He混合氣體中再加入少量的水蒸氣或H2

43、,能提高器件的輸出功率和使用壽命。原因是H2O 分子對(duì)CO2 分子激光下能級(jí)100 0以及011 0能級(jí)的弛豫速率很大,且H2O分子振動(dòng)能級(jí)壽命很短,可以很快返回基態(tài)。H2 的作用與H2O 相同,因CO2 分子在放電時(shí)會(huì)離解出O,H 2 與O合成H2O 。因H2 在常態(tài)下是氣體,其充入量比水蒸氣更易于控制,故常用H2 代替水蒸氣?；旌蠚怏w中,H2O和H2的含量一般在13.340Pa之間,不能過(guò)高,因?yàn)樗鼈兂龑?duì)激光下能級(jí)10 0 0和011 0有很強(qiáng)的抽空作用外,對(duì)激光上能級(jí)00 0 1能級(jí)也有顯著的消激發(fā)作用。由于H2O和H2能對(duì)CO與O的復(fù)合起催化作用,故能延長(zhǎng)CO2 激光器的使用壽命。第6

44、0頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器E. Co2激光器可分為以下七類: 1. 縱向慢流co2激光器氣體從放電管一端流人，由另一端抽走，氣流、電流均和光軸方向一致。氣體流動(dòng)的目的是排除Co2與電子碰撞時(shí)分解出來(lái)的CO氣，并補(bǔ)充新鮮氣體 第61頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器在這類激光器中，放電電流密度和氣體壓強(qiáng)均有一位輸出功率最大的最佳值。電流度增加時(shí)激光上能級(jí)激發(fā)速率增加，但由此造成的氣體溫度的升高又會(huì)增加下能級(jí)集居數(shù)，因而存在一最佳電流值。同樣，氣體壓強(qiáng)增高時(shí)一方面由于氣體分子密度增加使反轉(zhuǎn)集居數(shù)隨之增加，另一

45、方面，氣體分子間更加頻繁的碰撞又阻礙了熱量向管壁的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致氣體溫度升高。實(shí)驗(yàn)表明，電流密度與壓強(qiáng)的最佳值大致與放電管徑成反比。在最佳放電條件下，激光器的輸出功率約為(50一60)wm。2 、封離型CO2 激光器所謂封離型是指工作氣體與He-Ne激光器一樣被封離在放電管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的器件單位放電長(zhǎng)度可輸出的功率比流動(dòng)型或氣動(dòng)型器件要低得多,一般輸出功率都低于200W。第62頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器冷卻回氣放電諧振腔第63頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器3縱向快流CO2激光器 在縱向慢流激光器中放電產(chǎn)

46、生的熱量主要靠氣體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)傳給管壁，再由沿管壁外表而流動(dòng)的冷卻液帶走。由于這種散熱方式效率較低，電流密度和壓強(qiáng)不能太大，因此限制了輸出功率。如果提高氣體流動(dòng)速度(約50ms)，使放電管內(nèi)的熱氣流流出管外，在管外冷卻后再返回放電管，則不再存在放電電流密度的最佳值，輸出功率隨放電電流密度線性增加。單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)1kWm以上。目前，(13)kw的縱向快流CO2激光器已廣泛用于激光加工。與大功率的橫向流動(dòng)激光器相比，縱向快流c02激光器中放電電流密度分布的圓對(duì)稱性較好，因此具有更好的光束質(zhì)量。第64頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器第65頁(yè)，共96頁(yè)，2

47、022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器4橫向流動(dòng)CO2激光器縱向快流Co2激光器需要很高的氣體流速才能及時(shí)將熱氣體導(dǎo)出。若使氣體流動(dòng)方向與光軸垂直，由于氣體通道截面大，氣體流動(dòng)路徑短，因此較低的流速就能達(dá)到縱向快流同樣的冷卻效果。和縱向快流CO2激光器一樣，在橫向流動(dòng)CO2激光器中，輸出功率的電流飽和效應(yīng)不明顯。最佳氣體壓強(qiáng)高達(dá)1.3X104Pa。高壓強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)有利于提高輸出功率，但頻繁的碰撞使電子溫度降低，必須在強(qiáng)電場(chǎng)中才能維持足夠高的電子溫度。因此，在橫向流動(dòng)CO2激光器中，縱向放電不切實(shí)際，通常采用電場(chǎng)與光軸垂直的橫向放電方式。采用橫向放電方式的激光器稱作TE激光器。此類

48、激光器中單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)每米數(shù)千瓦，總輸出功率已高達(dá)(120)kw。第66頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器5橫向激勵(lì)大氣壓CO2激光器 高氣壓橫向激勵(lì)激光器中，壓強(qiáng)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致放電不穩(wěn)定。為此，常常采用脈沖放電激勵(lì)方式。由于快速脈沖放電時(shí)放電不穩(wěn)定過(guò)程來(lái)不及充分發(fā)展，因此氣體壓強(qiáng)可增高至大氣壓或高于大氣壓。由于壓強(qiáng)高，橫向激勵(lì)大氣壓激光器(簡(jiǎn)稱TEA激光器)單位體積輸出能量可高達(dá)(1050)J/L，總能量和峰值功率可分別高達(dá)10KJ和20TW。 在數(shù)個(gè)大氣壓的高氣壓情況下，由于壓力加寬效應(yīng)引起轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的重疊，出現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)寬帶增益譜，可導(dǎo)致波長(zhǎng)在(9.2

49、10.7)um范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)激光輸出。第67頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器 6氣動(dòng)CO2激光器 氣動(dòng)CO2激光器采用熱泵浦方式。含有CO2的混合氣體在容器內(nèi)燃燒以形成高溫高壓狀態(tài)，由于溫度很高，CO2的激光上、下能級(jí)均具有較高的集居數(shù)密度?；旌蠚怏w通過(guò)噴管絕熱膨脹時(shí)氣體溫度急劇下降，但由于上能級(jí)的壽命較下能級(jí)長(zhǎng)，集居數(shù)密度減少的速度較下能級(jí)慢，于是在膨脹區(qū)的相當(dāng)大的范圍內(nèi)可形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。氣動(dòng)CO2激光器的輸出功率可達(dá)80kw。第68頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第二節(jié) 氣體激光器7波導(dǎo)CO2激光器所謂波導(dǎo)，在微波技術(shù)

50、中是指用來(lái)引導(dǎo)電磁波的器件。波導(dǎo)激光器由于采用孔徑很小、內(nèi)表面反射率很高的空心導(dǎo)管對(duì)激光光束進(jìn)行傳輸形成空心波導(dǎo)效果而得名。波導(dǎo)激光器由于自身結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn)，使其激光振蕩模式與普通激光器不同。普通激光器的光學(xué)諧振腔理論以電磁波在自由空間的傳播為基礎(chǔ)，而在波導(dǎo)激光器諧振腔中，電磁波在其傳播途中的某一部分或全部上被波導(dǎo)所引導(dǎo)而不服從自由空間的傳播規(guī)律。波導(dǎo)激光器本征模的特征已不主要取決于模尺寸、腔鏡的曲率半徑及其間距這些描述普通激光器本征模的特征參量。第69頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器固體激光器在激光器家族中具有最長(zhǎng)的歷史。在其發(fā)展進(jìn)程中,我國(guó)的科學(xué)工

51、作者曾做出過(guò)重要的貢獻(xiàn)。 我國(guó)研制的第一臺(tái)激光器叫做“小球照明紅寶石激光器”,1961年8月誕生于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所。激光器的設(shè)計(jì)師是王之江教授。王之江教授因此被中國(guó)光學(xué)界尊稱為“中國(guó)激光之父”?！靶∏蛘彰骷t寶石激光器”在結(jié)構(gòu)上比梅曼那臺(tái)激光器又前進(jìn)了一大步,主要表現(xiàn)在泵浦氙燈采用直管式,而非螺旋形;紅寶石棒與氙燈并排放在球形聚光器的球心附近。這種結(jié)構(gòu)可以獲得更高的泵浦效率。直至今天,閃光燈泵浦的固體激光器還大都采用這種方式。 本節(jié)中,將重點(diǎn)介紹固體工作物質(zhì)、光泵浦系統(tǒng)、工作物質(zhì)的熱效應(yīng)及其散熱幾方面的內(nèi)容。第70頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器一、

52、固體工作物質(zhì) 固體工作物質(zhì)由固體基質(zhì)材料和少量摻雜離子(金屬離子)兩部分構(gòu)成。其中固體工作物質(zhì)的物理性能由基質(zhì)材料體現(xiàn),而其光譜特性則由摻雜離子決定。 基質(zhì)材料有晶體和玻璃兩大類。晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧化物晶體有單一氧化物和混合氧化物。單一氧化物晶體如Al2 O3 ,混合氧化物晶體如石榴石型晶體YAG、YAP。氟化物晶體也有單一氟化物,如CaF2晶體和混合氟化物,如LiYF4 晶體。玻璃則有硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。 摻雜離子有四類: (1)三價(jià)稀土金屬離子:如釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、釤(Sm3+)、銪(Eu3+)、 鏑(Dy3+) 、鈥(Ho3+)、鉺(Er

53、3+)、鐿(Yb3+)等。 (2)二價(jià)稀土金屬離子,如釤(Sm2+)、鉺(Er2+ )、銩(Tm2+ )、鏑(Dy2+)等。 (3)過(guò)渡金屬離子,如鈦(Ti3+)、鉻(Cr)、鎳(Ni3+ ) 、鈷(Co3+)等。 (4)錒系金屬離子,多具有放射性,不易制備,其中,只有鈾(U3+)曾有所應(yīng)用。第71頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器固體工作物質(zhì)十分豐富,達(dá)數(shù)百種,從中已獲得激光譜線數(shù)千條。 在一般固體工作物質(zhì)中,參與受激輻射作用的離子濃度約為1025 1026 m -3 ,比氣體工作物質(zhì)高34個(gè)數(shù)量級(jí)以上,且固體工作物質(zhì)激光上能級(jí)的壽命也比較長(zhǎng),因此固體

54、激光器比較容易獲得大能量輸出,適合于調(diào)Q。 固體工作物質(zhì)通常加工成圓棒狀(也有盤片狀的),棒側(cè)面磨毛。對(duì)棒兩端面的加工要求很高:兩端面為垂直于棒軸向的平行平面,平行誤差在510之間;端面與棒軸向的垂直度1;端面的平整度小于半個(gè)光圈。為避免端面反射和內(nèi)部寄生振蕩,端面鍍有增透膜。固體工作物質(zhì)的譜線加寬有均勻加寬和非均勻加寬,其中,均勻加寬由晶格熱振動(dòng)引起,而非均勻加寬則由晶格缺陷引起。因機(jī)構(gòu)復(fù)雜,很難從理論上求得固體工作物質(zhì)譜線加寬線型函數(shù)的具體表達(dá)形式,一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出它的譜線寬度。第72頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器 紅寶石晶體在低溫時(shí),譜線加寬

55、主要是由晶格缺陷引起的非均勻加寬,室溫時(shí),以晶格熱振動(dòng)引起的均勻加寬為主。 Nd3+ :YAG:因晶體質(zhì)量比紅寶石好,故由晶格缺陷引起的非均勻加寬可忽略,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都以均勻加寬為主。 釹玻璃的非均勻加寬由配位場(chǎng)的不均勻性引起,均勻加寬則由玻璃網(wǎng)絡(luò)體的熱振動(dòng)引起。二者所占比例因材料而異。在室溫下,1.06m譜線非均勻加寬為1203600GHz,均勻加寬為60225GHz。雖然非均勻加寬大于均勻加寬,但由于交叉弛豫過(guò)程,釹玻璃的增益飽和特性與均勻加寬工作物質(zhì)相似。1.紅寶石晶體(1)晶體的物理性質(zhì) 紅寶石晶體是在Al2 O3 (剛玉)中摻入少量的Cr2O3 ,由Cr 3+部分取代Al 3+而

56、成,其激活離子為Cr3+。摻入Cr2O3的重量比為0.03%0.07%,一般為0.05%。晶體顏色為淡紅色。其晶體結(jié)構(gòu)如圖3.24所示。第73頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器紅寶石晶體是各向異性晶體。當(dāng)入射光波長(zhǎng)為700nm時(shí),n0 =1.763,ne =1.755紅寶石晶體有三種生長(zhǎng)方向:生長(zhǎng)軸平行于光軸,為0紅寶石晶體,無(wú)偏振特性;生長(zhǎng)軸垂直于光軸,為90紅寶石晶體,產(chǎn)生線偏振光;生長(zhǎng)軸與光軸成60,為60紅寶石晶體,產(chǎn)生線偏振光。實(shí)際使用中,多用60紅寶石晶體?；瘜W(xué)表達(dá)式:Cr3+ :Al2 O3 。第74頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7

57、點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器(2)晶體的激光性質(zhì)晶體的激光性質(zhì)主要指其能級(jí)結(jié)構(gòu)、吸收光譜和熒光光譜。 能級(jí)結(jié)構(gòu): 晶體的激光性質(zhì)主要取決于Cr3+。Cr的外層電子組態(tài)為3d5 4s1 ,摻入Al2 O3 后失去3個(gè)電子,剩下3d殼層上3個(gè)外層電子(3d3 )。紅寶石晶體的光譜特性即是由這3個(gè)電子躍遷形成的,晶體與激光躍遷有關(guān)的部分能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖3.25所示。第75頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器圖3.25中, 2 E能級(jí)為激光上能級(jí),也是亞穩(wěn)能級(jí)(Cr3+在該能級(jí)的壽命約為3ms)。由于晶格場(chǎng)的作用,該能級(jí)分裂為2A和E2個(gè)子能級(jí)(能級(jí)差29 cm

58、-1 )。粒子由這兩個(gè)能級(jí)向基態(tài)躍遷時(shí)產(chǎn)生692.9nm和694.3nm兩條譜線。4A2 能級(jí)為激光下能級(jí),也是基態(tài)能級(jí), F1 與 4 F2 為兩個(gè)吸收能級(jí)。粒子在其上的壽命約為納秒量級(jí),故很快通過(guò)輻射躍遷弛豫到激光上能級(jí)。Cr 3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)屬三能級(jí)系統(tǒng),因而其器件閾值比較高,只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)。吸收光譜:由于紅寶石是各向異性晶體,故其吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)入射光的振動(dòng)方向平行或垂直于晶體光軸C時(shí),晶體的吸收曲線略有不同,如圖3.26所示。紅寶石晶體在可見(jiàn)光區(qū)有兩個(gè)強(qiáng)吸收帶。一個(gè)稱為紫帶(或U帶),中心波長(zhǎng)位于410nm附近,帶寬為360450nm,對(duì)應(yīng)于 4A2向 4F1能級(jí)的躍

59、遷吸收。另一個(gè)稱為綠帶(或Y帶),中心波長(zhǎng)位于550nm附近,帶寬為510600nm,對(duì)應(yīng)于 4A2向4 F2能級(jí)的躍遷吸收?；诩t寶石晶體的吸收光譜,適于采用脈沖氙燈這類強(qiáng)可見(jiàn)光光源進(jìn)行泵浦。第76頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器熒光光譜:紅寶石晶體有兩條強(qiáng)熒光譜線,分別稱為R1線和R2線。 R1 線中心波長(zhǎng)為694.3nm,對(duì)應(yīng)于E4 A2 能級(jí)的自發(fā)輻射躍遷。 R2 線中心波長(zhǎng)為692.9nm,對(duì)應(yīng)于2A 4A2 能級(jí)的自發(fā)輻射躍遷。第77頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期二第三節(jié) 固體激光器紅寶石激光器通常只產(chǎn)生694.3n

60、m激光,692.9nm不能形成振蕩的主原因有兩條,其一,躍遷到激光上能級(jí)E和2A上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布,能級(jí)上約占53%,2A能級(jí)上占47%;其二,R1 線的熒光強(qiáng)度高于R2 線,使R線的受激輻射幾率高于R2線。因此,R1線先達(dá)到閾值形成激光振蕩。由于2A與E兩能級(jí)之間能級(jí)差很小,粒子交換頻繁,E上的粒子躍遷后,2A能級(jí)上的子迅速轉(zhuǎn)移到該能級(jí),從而進(jìn)一步抑制了R2 線的振蕩。當(dāng)激光脈沖持續(xù)時(shí)間大于10-9 s時(shí),激光上能級(jí)的粒子都會(huì)通過(guò)R1 線的受激輻射而返回基態(tài)。(3)溫度對(duì)紅寶石晶體的影響紅寶石晶體的性能易受溫度的影響,主要表現(xiàn)在以下幾方面:其一,溫度上升導(dǎo)致紅寶石激光中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方