常用激光器工作原理.ppt

1、常用激光器與激光損傷閾值簡介,一.氦-氖(He-Ne)激光器 二.YAG激光器 三.激光損傷閾值,所有的光都是原子、分子能級變化所造成的。這些特定能級差別的吸收和釋放都表現(xiàn)成為特定波長的光。光子射出的能量（焦耳）等于h，其中h是普朗克常數(shù)，v是輻射的頻率，這適用于激光和傳統(tǒng)的發(fā)光系統(tǒng)。光輻射能量是在原子從高能態(tài)掉到低能態(tài)的時候放出。然而，一個原子想發(fā)光，首先必須吸收能量，使得低能態(tài)原子被打到高能態(tài)，這在激光領域叫做“泵浦，pump”。所有光包括自發(fā)和激光需要一定量的能量吸收。,綜述.一些基本概念,原子是由位于原子中心的原子核和一些微小的電子組成的，電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核

2、愈遠能量愈高；當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關系由E=h給出。為了描述原子中電子的運動規(guī)律，所以提出了能記得概念。原子各個定態(tài)對應的能量是不連續(xù)的，這些能量值叫做能級,綜述.激光器發(fā)光原理,激光又名鐳射 (Laser), 它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（激光產(chǎn)生的基本條件）,在通常情況下，處于低能級E1的原子數(shù)大于處于高能級E

3、2的原子數(shù)，這種情況得不到激光。為了得到激光，就必須使高能級E2上的原子數(shù)目大于低能級E1上的原子數(shù)目，因為E2上的原子多，發(fā)生受激輻射，使光增強）。,粒子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級，同時發(fā)出一個光子，這一過程叫做自發(fā)輻射。,綜述.激光器發(fā)光原理,若處在高能級的粒子，在一個能量等于兩能級之差（E2-E1）的光子作用下，從高能級躍遷到低能級并發(fā)射一個光子，這一過程稱為受激輻射。與自發(fā)輻射不同，輻射一定要在外來光作用下發(fā)生并發(fā)射一個與外來光子完全相同的光子。,2.自發(fā)輻射與受激輻射,為了維持翻轉(zhuǎn)的粒子數(shù)夠多，必須有外部的能量把掉下來的原子搬到激發(fā)態(tài)上，這就需要脈沖激光（例如接下來要講到的YAG激光

4、器）中的脈沖氙燈，氣體放電激光（例如氦氖激光器、二氧化碳激光器）中的放電等能量源來提供能量了。,顯然，沒有哪個自發(fā)輻射光源能達到激光光源的光譜質(zhì)量。這是因為傳統(tǒng)光源是系統(tǒng)處在各種能級都有的雜亂輻射狀態(tài)。傳統(tǒng)光源的基本特征是寬光譜分布，隨機極化，圓形和不規(guī)則的波陣面和較低的色溫。 激光的發(fā)射原理不同于常規(guī)光，不是各種能級加在一起的自發(fā)輻射產(chǎn)生的，而是受激發(fā)射，各種能級的原子被泵浦到較高的一個激發(fā)態(tài)上，由于維持的時間總體正態(tài)分布，大部分原子都在一段極短的時間內(nèi)掉到同一個較低的能態(tài)上，這種發(fā)射方式導致光處在幾乎一致的能量水平，也就是我們平常所說的激光單色性,綜述.激光器發(fā)光原理,光譜能被吸收后，會導

5、致原子由低能級向高能級躍遷，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出相同頻率單色光譜，但所釋放的光譜并無固定方向與相位，所以尚無法形成激光。,諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。如圖，凡不沿諧振腔軸線運動的光子均很快逸出腔外，與工作介質(zhì)不再接觸。沿軸線運動的光子將在腔內(nèi)繼續(xù)前進，并經(jīng)兩反射鏡的反射不斷往返運行產(chǎn)生振蕩，運行時不斷與受激粒子相遇而產(chǎn)生受激輻射，沿軸線運行的光子將不斷增殖，在腔內(nèi)形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束，這就是激光。為把激光引出腔外，可把一面反射鏡做成部分透射的，透射部分成為可利用的激光，反射部分留在腔內(nèi)繼續(xù)

6、增殖光子。,綜述.激光器發(fā)光原理,一. 氦-氖(He-Ne)激光器,1. He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理,He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式,He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如圖所示。,1. He-Ne激光器的四能級系統(tǒng),He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條 : 3S2P 0.6328 2S2P 1.15 3S3P 3.39,氦-氖(He-Ne)激光器,如圖是與產(chǎn)生激光有關的Ne原子的部分能級圖，Ne原子的激光上能級是3S和2S能級，激光下能級是3P和2P能級。,下能級E1是基態(tài)能級上能級E3是亞穩(wěn)態(tài)能級下能級E2不是基態(tài)能級而是一個激發(fā)態(tài)能級在常溫下基

7、本上是空的。其激勵能量要比三能級系統(tǒng)小得多產(chǎn)生激光要比三能級系統(tǒng)容易得多。,pump,一.固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì),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5-1是長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。,固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖,YAG 激光器具有能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)較緊湊 、牢固耐用等優(yōu)點, 廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等領域。用調(diào)Q Nd: YAG 的諧波泵浦的可調(diào)諧染料激光器,具有高功率、窄線寬的特點, 可用于光譜學、激光醫(yī)療與生物工程等科,工作物質(zhì),摻釹釔鋁石榴石(Nd3：YAG),工作物質(zhì):將一定比例的A12O3、

8、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子(Nd3),Nd3:YAG 的能級結(jié)構(gòu),YAG中Nd3與激光產(chǎn)生有關的能級結(jié)構(gòu)如圖所示。它屬于四能級系統(tǒng)。,(摻釹釔鋁石榴石)晶體是綜合性能最優(yōu)良的固體激光材料。Nd:YAG激光棒具有高增益、激光閾值低、功率高、1064光波吸收少、熱傳導性和熱沖擊性好，適用于多種工作方式（連續(xù)、脈沖、Q開關、鎖模）常用于近遠紅外固體激光及其倍頻、三倍頻應用中，并廣泛應用與科研、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等領域。,激光器各系統(tǒng)的一些基本概念,1.閾值 激光器的閾值與工作物質(zhì)的種類、諧振腔的損耗系數(shù)、泵燈與 YAG 棒之間的匹配等因素有關。激

9、光器的閾值受工作物質(zhì)的種類影響很大 , YAG 激光器的工作物質(zhì) Nd3 +: YAG是四能級系統(tǒng),閾值較低。 橫模與縱摸 橫摸描述的是激光光斑上的能量分布情況，橫模可以從激光束橫截面上的光強分布看出來。如圖，高斯光束的截面光強分布曲線，中心高，輻向減小，滿足高斯分布。 縱模是與激光腔長度相關的，所以叫做“縱?！?，是描述激光頻率的。理論上激光腔內(nèi)可以產(chǎn)生無數(shù)個等間距頻率的光，但由于增益介質(zhì)只對特定頻率（諧振頻率）的光產(chǎn)生最大增益，其他頻率的光被抑制掉，即在諧振時會篩選出符合諧振頻率的諧振激光，這種現(xiàn)象叫做模式競爭。所以，激光器一般僅輸出一個特定頻率的激光。,左圖說明在一個頻率區(qū)間內(nèi)，分布了5個

10、縱模（即五個頻率的激光，q=5），且強度不等,1.閃光燈 要產(chǎn)生激光的先決條件是有一束富含紫外和綠光的強光束照射到激光棒內(nèi)，使得離子翻轉(zhuǎn)密度達到閥值。一種被廣泛使用的方法就是用脈沖氙燈做強光源。結(jié)構(gòu)很簡單，只要把氙燈的光投射到棒子上就可以了。,現(xiàn)在絕大部分工業(yè)激光器和業(yè)余激光器都采用這種直線式氙燈結(jié)構(gòu)。泵浦效率高，水冷方便，制造工藝簡單，觸發(fā)容易，是大部分激光采用這種結(jié)構(gòu)的原因。,結(jié)構(gòu),2.反射鏡組件 激光物質(zhì)必須有特定的粒子結(jié)構(gòu)使得粒子翻轉(zhuǎn)群可以被激發(fā)到一定的密度，一般是一些晶體或者氣體、液體。這些激光物質(zhì)一般被放在兩個鏡子之間，使得能量能夠經(jīng)過多次來回反射而放大達到能夠使用的級別。一面鏡子

11、是全反鏡，反射幾乎所有的光，也叫HR，一面鏡子是半反鏡，也叫輸出鏡，OC,一般反射20%到80%的光，激光在兩個鏡子之間多次往返放大后，從這里打出來一部分做輸出。,反射鏡組件用于選縱摸 選擇特定波長的窄帶介質(zhì)膜反射鏡 進行選擇振蕩以選縱模,窄帶介質(zhì)膜反 射鏡的反射率曲線如圖 5 所示。實驗 室的 YAG 激光器的兩面腔鏡選擇的是 中心頻率為 1064nm 的窄帶介質(zhì)膜反 射鏡。,3.光學諧振腔 光在腔內(nèi)傳播相當于不斷經(jīng)過光闌，因此會引起衍射，使振幅 和相位的空間分布發(fā)生畸變。最后當振幅和相位的空間分布達到穩(wěn)定狀態(tài)時，才從輸出鏡輸出激光。 諧振腔的作用是選橫模。橫模是指在諧振腔的橫截面內(nèi)的激光光

12、場的分布。橫模階數(shù)最低的是基模,基模有最小的光束半徑、最小的光束發(fā)散角, 是最理想的激光束。固體激光器如果不采取特殊限模措施,通常都是多橫模振蕩。因此欲獲得理想的激光束, 必須精心設計諧振腔, 使其為單橫模輸出。 橫模選擇目前常用的技術是孔徑選模和非穩(wěn)腔選模 ,孔徑選模的方法如凹凸諧振腔小孔選模等。,4.固體激光器的泵浦系統(tǒng),1. 固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目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。泵浦光源應滿足兩個條件：有很高的發(fā)光效率；輻射光的光譜特性與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配,2. 常用的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

13、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，必須采用聚光腔。,3.如圖所示的橢圓柱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，其橫截面是一個橢圓。,橢圓柱聚光腔,4. 固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、 氣體冷卻和傳導冷卻等， 其中以液冷最為普遍。,5.泵浦燈和工作物質(zhì)之間 插入濾光器件濾去泵浦光 中的紫外光譜。,5.調(diào)Q開關 最簡單的q開關就是一個馬達連著一個鏡子，沒對準的時候沒有來回往復的光，可以讓高能態(tài)粒子的數(shù)量慢慢的聚集增多，在對準的瞬間釋放，達到很窄而功率很大的脈沖。 工業(yè)上用的比較多的有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q等方式做的q開關，

14、用在進一步壓縮脈沖激光的脈沖或者使連續(xù)半導體泵浦的激光晶體輸出峰值功率很高的脈沖激光，方便打標、切割。,實驗室的 YAG 激光器采用內(nèi)調(diào)制技術鎖縱模,調(diào)制器采用調(diào) Q晶體 ,利用調(diào) Q 晶體可以實現(xiàn)晶體電光調(diào) Q。晶體電光調(diào) Q 是一種利用晶體的電光效應來實現(xiàn)Q 突變的方法, 即利用電光晶體在外電場作用下,使入射偏振光的振動方向發(fā)生變化 的效應,而人為地加入可控的等效反射損耗的方法。,YAG激光器的工作原理,一級震蕩，一級放大,一級震蕩，二級放大,1、全反鏡，6、半反鏡，5、YAG棒產(chǎn)生震蕩激光以后，在經(jīng)過一個或者兩個YAG棒放大，可得到1064nn的激光光源。 2、調(diào)Q組件 4、偏振器 3、

15、光闌 9、倍頻晶體（變頻器），可以改變激光的頻率，輸出1064nm 、532nm、 355nm的激光,固體激光器的輸出特性,1. 固體激光器的激光脈沖特性,2. 轉(zhuǎn)換效率,總體效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對于連續(xù)激光器(用功率描述)和脈沖激光器(用能量描述)分別表示為：,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(或稱尖峰)組成的，各個短脈沖的持續(xù)時間約為(0.11)m，各短脈沖之間的間隔約為(510) s。泵浦光愈強，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡峰值并不增加。,YAG 激光器工作一段時間后, 輸出功率( 或能量) 會下降。這主要是由于 YAG 棒劣化 ,泵燈老化,

16、聚光器及 YAG 棒等光學元件表面污染,諧振腔二反射鏡失調(diào)等原因造成的。,3.激光器輸出光束的穩(wěn)定性: YAG 激光器的總體效率只有百分之幾, 其余絕大部分輸入能量都轉(zhuǎn)換為泵燈、YAG 棒和聚光器溫度升高的熱能。為了維持激光器件正常工作,必須采取強迫冷卻措施。冷卻方法常用的有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻等, 其中液體冷卻最常用。 泵燈所輻射的光只有一小部分被激活離子吸收, 其余部分或者逃逸掉或者成為有害輻射。主要危害是使 YAG 棒發(fā)熱造成不良的熱效應。 各支架和反射鏡調(diào)整機構(gòu)應的牢靠性，機械振動對輸出功率的穩(wěn)定性也有影響。,4偏振特性: 輸出激光的偏振特性主要取決于工作物質(zhì)是各向異性,還是各

17、向同性。另外,若諧振腔中含有偏振元件,激光輸出也具有偏振性。 YAG 晶體是各向異性晶體, 本不具有偏振性,但當諧振腔中含有偏振元件, 激光輸出也具有偏振性。實驗室的 YAG 激光器諧振腔中含有調(diào) Q 晶體和 /4 波片兩個偏振元件,激光輸出具有偏振性。,5.方向性: 激光束的方向性系指激光束在空間上的發(fā)散度。激光的發(fā)散度越小, 光強越集中, 傳播的距離越遠。激光輸出的方向性主要取決于諧振腔的本征模式。為得到單橫模振蕩,必須對橫模采取選模措施。另外,諧振腔的調(diào)整等因素也會影響激光束的方向性,諧振腔調(diào)整得不好,會使發(fā)散角增大方向性變差。,6.光譜特性: 固體激光器通常是多縱模工作。當要求高能量、

18、單縱模輸出時, 需要采取鎖縱模、選縱模措施。鎖縱模使激光輸出脈寬變窄、峰值功率升高。選縱模使激光輸出是單一的縱模, 即單一的振蕩頻率。,激光損傷閾值,隨著高功率激光器及其應用范圍的日益擴大,光學薄膜的抗激光損傷性能的重要性日益突出,以致激光損傷閾值幾乎已成為光學薄膜不可缺少的性能指標。由于光學薄膜的激光損傷閾值是光學元件整體抗激光損傷性能中的瓶頸1,因而這一問題的解決對高功率激光器的發(fā)展和應用有著十分重要的現(xiàn)實意義。,一個光學元件暴露在強激光輻射下所引起的暫時或永久性改變叫做激光損傷。 最常見的激光損傷是在光學表面涂鍍膜膜層的物理性能退化。（如斑痕、侵蝕、熔化、分層），會導致光學器 件的斷裂和褪色。激光損傷會 降低或完全摧毀高功率激光系 統(tǒng)的性能。所以