第三章 激光器介紹

1、激光原理與技術(shù)（第三章）第三章第三章 典型激光器典型激光器3.1 概述概述物理與電子工程學(xué)院3.1.2 激光器基本結(jié)構(gòu)激光器基本結(jié)構(gòu)3.1.2 激光器分類(lèi)激光器分類(lèi)l 按激光工作物質(zhì)分按激光工作物質(zhì)分氣體激光器固體激光器液體激光器（代表染料激光器）半導(dǎo)體激光器（LD）光纖激光器化學(xué)激光器自由電子激光器X射線(xiàn)激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院3l 按化學(xué)組成分按化學(xué)組成分原子激光器分子激光器離子激光器自由電子激光器準(zhǔn)分子激光器 (p102)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院4l 按激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式分按激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式分連續(xù)脈沖l單脈沖l重復(fù)頻率l準(zhǔn)連續(xù)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院5l 按激光調(diào)制方

2、式分按激光調(diào)制方式分自由運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)Q鎖模穩(wěn)頻可調(diào)諧激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院6l 按諧振腔類(lèi)型分按諧振腔類(lèi)型分平面腔球面腔激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院7 3.2 氣體激光器氣體激光器l 工作物質(zhì)：氣體；工作物質(zhì)：氣體；l 特點(diǎn)：工作物質(zhì)數(shù)目最多、激勵(lì)方式最多樣化、激光發(fā)射特點(diǎn)：工作物質(zhì)數(shù)目最多、激勵(lì)方式最多樣化、激光發(fā)射波長(zhǎng)分布區(qū)域最廣波長(zhǎng)分布區(qū)域最廣l 分類(lèi)：原子氣體、分子氣體和電離化離子氣體，分別稱(chēng)為分類(lèi)：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光器。原子氣體激光器、分子氣體激光器和離子氣體激光器。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院3.2

3、.1 氣體放電激勵(lì)基礎(chǔ)氣體放電激勵(lì)基礎(chǔ)8 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、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。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院原子氣體激光器：原子氣體激光器：9 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

4、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）激光器的氮分子（）激光器的氮分子（N2）激光器。）激光器。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院分子氣體激光器：分子氣體激光器：10 是利用電離化的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要的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，這方面的代表有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（型器件是氬離子（Ar+）激光器、氪離子（）激光器、氪離子（Kr+）激光器以及

5、氦一鎘離子激光器等。激光器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：激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院11氣體激光器的激勵(lì)方式氣體激光器的激勵(lì)方式氣體放電：氣體放電：在高電壓作用下，氣體分子（或原子）發(fā)生在高電壓作用下，氣體分子（或原子）發(fā)生電離而導(dǎo)電。電離而導(dǎo)電。l直流連續(xù)放電直流連續(xù)放電（輝光放電：高電壓小電流，如（輝光放電：高電壓小電流，如He-Ne,CO2； 弧光放電：小電壓大電流，如弧光放電：小電壓大電流，如Ar+）l高頻放電高頻放電(射頻氣體放電射頻氣體放電)l脈沖放電脈沖放電（如準(zhǔn)分子激光器，脈沖輝光放電和脈沖（如準(zhǔn)分子激光器，脈沖輝光放電和脈沖弧光放電；直流脈沖放電

6、和脈沖交流放電；短脈沖弧光放電；直流脈沖放電和脈沖交流放電；短脈沖放電和長(zhǎng)脈沖放電）放電和長(zhǎng)脈沖放電）激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院12工作物質(zhì)被激發(fā)的過(guò)程和類(lèi)型工作物質(zhì)被激發(fā)的過(guò)程和類(lèi)型l 第一類(lèi)非彈性碰撞：快速電子于氣體粒子碰撞： Ae(快速) Ae(慢) Ae(快速) Ae(慢)l 第二類(lèi)非彈性碰撞：共振能量轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)共振能量轉(zhuǎn)移： A B A BE 電荷轉(zhuǎn)移： A B A B E 潘寧效應(yīng)： A B A B E激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院13l 氣體原子激光器l 輸出譜線(xiàn)：632.8nm，1.15um，3.39um等，以632.8nm為最常見(jiàn)。l 功率在mW級(jí)，最大

7、1Wl 光束質(zhì)量好，發(fā)散角可小于1mradl 單色性好，帶寬20Hzl 穩(wěn)定性高l 應(yīng)用很廣泛：測(cè)量，激光照排，激光治療 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院3.2.2 He-Ne激光器激光器14He-Ne激光器三個(gè)部分組成激光器三個(gè)部分組成 l 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)(He-Ne氣體)：l 激勵(lì)能源：高壓放電后，電子撞擊工作物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)l 光學(xué)諧振腔：（凹）反射率接近100，即完全反射，另一個(gè)（平）反射率約為98 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院15一、一、HeNe激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)l 由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學(xué)由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電

8、極和光學(xué)諧振腔組成。諧振腔組成。l 放電管是心臟，是產(chǎn)生激光的地方。放電管通常由毛細(xì)管放電管是心臟，是產(chǎn)生激光的地方。放電管通常由毛細(xì)管和貯氣室構(gòu)成。和貯氣室構(gòu)成。l 放電管中充入放電管中充入He:Ne=5:110:1，當(dāng)電極加上高電壓后，當(dāng)電極加上高電壓后， 氣體放電使氖原子受激，產(chǎn)生氣體放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室l HeNe激光管的陽(yáng)極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)激光管的陽(yáng)極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院16按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔按諧

9、振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。式和半內(nèi)腔式。HeNe激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過(guò)率約為輸出端，透過(guò)率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。，凹面鏡為全反射鏡。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院17l 內(nèi)腔式內(nèi)腔式:優(yōu)點(diǎn)是使用時(shí)不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便，陰極與毛細(xì)管同優(yōu)點(diǎn)是使用時(shí)不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便，陰極與毛細(xì)管同軸放置，其結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。軸放置，其結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。 缺點(diǎn)是在工作過(guò)程缺點(diǎn)是在工作過(guò)程中放電管受熱變形時(shí)中放電管受熱變形時(shí),諧振腔反射鏡會(huì)偏離相互平行位置，造成器諧振腔反

10、射鏡會(huì)偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。穩(wěn)定性件損耗增加，輸出下降。穩(wěn)定性,陰極濺射物質(zhì)污染窗片陰極濺射物質(zhì)污染窗片,壽命低壽命低l 外腔式外腔式:優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):諧振腔反射鏡與放電管是分離，可增加儲(chǔ)氣量。線(xiàn)偏諧振腔反射鏡與放電管是分離，可增加儲(chǔ)氣量。線(xiàn)偏振的激光振的激光.缺點(diǎn)：反射鏡與放電管相分離，相對(duì)位置易改變，需要缺點(diǎn)：反射鏡與放電管相分離，相對(duì)位置易改變，需要調(diào)整，使用不方便調(diào)整，使用不方便. 體積大，安裝不方便，易破碎。體積大，安裝不方便，易破碎。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院18 二、氦和氖原子的能級(jí)圖二、氦和氖原子的能級(jí)圖l He原子有兩個(gè)電子，基原子有兩個(gè)電子，基態(tài)態(tài):

11、1S0,He受激時(shí)，一個(gè)受激時(shí)，一個(gè)電子從電子從1S激發(fā)到激發(fā)到2S，成，成為激發(fā)態(tài)。為激發(fā)態(tài)。 He原子有原子有兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，分別兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，分別記為記為23S1、21S0。l Ne原子有原子有10個(gè)電子，基個(gè)電子，基態(tài)態(tài):1S0；電子分布電子分布1S22S22P6,激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài):1S、2S、3S、2P、3P等，等，它們對(duì)應(yīng)的外層電子組它們對(duì)應(yīng)的外層電子組態(tài)分別為態(tài)分別為2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院19 三、三、HeNe激光器的激發(fā)過(guò)程激光器的激發(fā)過(guò)程l 在在HeNe激光器中，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過(guò)程如激光器中，實(shí)現(xiàn)粒

12、子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過(guò)程如下：下：l 第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級(jí)圖可見(jiàn)，第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級(jí)圖可見(jiàn)，He原子的原子的21S0、23S1態(tài)分別與態(tài)分別與Ne原子的原子的3S、2S態(tài)靠得很近，二者很容易進(jìn)行態(tài)靠得很近，二者很容易進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)95%l 第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過(guò)程中，基態(tài)第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過(guò)程中，基態(tài)Ne原子與具有一定動(dòng)能的電子進(jìn)行非彈性碰撞，直接被激發(fā)原子與具有一定動(dòng)能的電子進(jìn)行非彈性碰撞，直接被激發(fā)到到2S和和3S態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過(guò)程激發(fā)的速率要態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過(guò)程激發(fā)的速率要小得多。小

13、得多。l 第三是串級(jí)躍遷，第三是串級(jí)躍遷，Ne與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到后再躍遷到2S和和3S態(tài)，與前述兩過(guò)程相比，此過(guò)程貢獻(xiàn)態(tài)，與前述兩過(guò)程相比，此過(guò)程貢獻(xiàn)最小。最小。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院20632.8nm共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移s2s1Nes3s12s32Hep2p3激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院21l 根據(jù)能量躍遷選擇定則，根據(jù)能量躍遷選擇定則，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3S22P

14、4,3S23P4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。lS態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不態(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)，可把能量交給管能自發(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)。這就是為什么壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么HeNe激光器中要有激光器中要有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因。一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因。l 從能級(jí)圖可見(jiàn)，從能級(jí)圖可見(jiàn)，HeNe激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院22 四、四、HeNe

15、激光器的輸出特性激光器的輸出特性l (1)譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)譜線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng): He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線(xiàn)：激光器三條強(qiáng)的激光譜線(xiàn)： 3S2P 0.6328 m ， 2S2P 1.15 m ， 3S3P 3.39 m 中哪一條譜線(xiàn)起振完全取決于諧振腔中哪一條譜線(xiàn)起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。0.6328um和和3.39umm兩條激兩條激光譜線(xiàn)有共同的激光上能級(jí)光譜線(xiàn)有共同的激光上能級(jí)3S,而后者增益系數(shù)比較高而后者增益系數(shù)比較高,如如果不進(jìn)行抑制果不進(jìn)行抑制,則則3.39um的輻射在腔內(nèi)振蕩過(guò)程中將消耗的輻射在腔內(nèi)振蕩過(guò)程中將消耗大量的大量的3S2態(tài)原子。抑制態(tài)原子。

16、抑制3.39um輻射輻射l (2) 輸出功率特性輸出功率特性 P114圖圖3.8,3.9,3.10激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院23激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院24激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院253.2.3 CO2激光器l C02激光器的主要特點(diǎn)是輸出功率大激光器的主要特點(diǎn)是輸出功率大,能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高,輸輸出波長(zhǎng)出波長(zhǎng)(10.6um) ，激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍，激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應(yīng)用。事應(yīng)用。 以以C02、N2、CO、He等等的混合氣體為工作物的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在C02分子的電子基態(tài)的兩個(gè)振動(dòng)分子的電子基態(tài)的兩

17、個(gè)振動(dòng)-轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間。混合氣體的作用是提高激光器的輸出功率動(dòng)能級(jí)之間?；旌蠚怏w的作用是提高激光器的輸出功率和效率。和效率。l 氣體激光器，分子激光器,波長(zhǎng) 911um，最常見(jiàn)10.6um,效率高,光束質(zhì)量好,功率范圍大（幾瓦幾萬(wàn)瓦）,運(yùn)行方式多樣,結(jié)構(gòu)多樣：封閉型，流動(dòng)型，大氣壓型，氣動(dòng)型，波導(dǎo)型激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院26一、一、 CO2激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成典型的結(jié)構(gòu)示意圖。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。片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在

18、放電管的兩端。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院27CO2激光器工作原理對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)振動(dòng)振動(dòng)形變形變振動(dòng)振動(dòng)反對(duì)反對(duì)稱(chēng)振稱(chēng)振動(dòng)動(dòng)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院28二、二、 CO2激光器的激發(fā)過(guò)程激光器的激發(fā)過(guò)程C02激光器中激光器中,通過(guò)以下三個(gè)過(guò)程將通過(guò)以下三個(gè)過(guò)程將C02分子激發(fā)到分子激發(fā)到0001能級(jí)能級(jí) 1.直接電子碰撞直接電子碰撞 電子與基態(tài)電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級(jí)。這一過(guò)程可表分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級(jí)。這一過(guò)程可表示為示為 C02(0000)+e C02(0001)+e 2.級(jí)聯(lián)躍遷級(jí)聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到分子碰撞使其

19、躍遷到000n能級(jí)能級(jí),基態(tài)基態(tài)C02分子與高能級(jí)分子與高能級(jí)C02分子碰分子碰撞后躍遷到激光上能級(jí)撞后躍遷到激光上能級(jí),此過(guò)程可表示為此過(guò)程可表示為 C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1) 3.共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移 由于由于N2分子分子(v=0)能級(jí)和電子碰撞后躍遷到能級(jí)和電子碰撞后躍遷到v=1的振動(dòng)能級(jí)。這是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的亞的振動(dòng)能級(jí)。這是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，因而可積累較多的穩(wěn)態(tài)能級(jí)，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)分子，基態(tài)CO2分子與亞穩(wěn)態(tài)分子與亞穩(wěn)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級(jí)。這一過(guò)程可表示為躍遷到激光上能級(jí)

20、。這一過(guò)程可表示為 C02(0000)+N2(v=1)C02(0001)+N2(v=0)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院29C02分子分子0001能級(jí)與能級(jí)與N2分子分子v=1能級(jí)十分接近能級(jí)十分接近,能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外,N2分子的分子的v=24能級(jí)與能級(jí)與C02分子分子00020004也十分接近也十分接近,相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移,處于處于00020004的的C02分子與基態(tài)分子與基態(tài)C02分子碰撞可將它激勵(lì)至分子碰撞可將它激勵(lì)至0001能級(jí)。能級(jí)。在以上三種激發(fā)途徑中在以上三種激發(fā)途徑中,共振轉(zhuǎn)移的幾率最大共振轉(zhuǎn)移的幾率最大,作用也最為顯著。作

21、用也最為顯著。C02分子激光躍遷下能級(jí)的抽空主要依靠氣分子激光躍遷下能級(jí)的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。體分子間的碰撞。 一旦實(shí)現(xiàn)了一旦實(shí)現(xiàn)了(0001)與與 (1000)、 (0200) 之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過(guò)受激輻射，產(chǎn)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過(guò)受激輻射，產(chǎn)生生: 00011000躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生10.6um波長(zhǎng)的激波長(zhǎng)的激光光光光00010200躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生9.6um波長(zhǎng)的激波長(zhǎng)的激光。光。 由于以上躍遷具有同一上能級(jí)由于以上躍遷具有同一上能級(jí),而且而且00011000躍遷的幾率大得多躍遷的幾率大得多,所以所以C02激光激光器通常只輸出器通常只輸出10.6m激光。若要得到激光。若

22、要得到9.6um的激光振蕩的激光振蕩,則必須在諧振腔中放置波則必須在諧振腔中放置波長(zhǎng)選擇元件抑制長(zhǎng)選擇元件抑制10.6um激光振蕩。激光振蕩。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院30上能級(jí)的激發(fā)上能級(jí)的激發(fā)下能級(jí)的激發(fā)下能級(jí)的激發(fā)弛豫過(guò)程弛豫過(guò)程輔助氣體輔助氣體N2 CO He Xe H2 H2O各作用見(jiàn)各作用見(jiàn)P125激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院31三、三、 COCO2 2激光器的輸出特性激光器的輸出特性 相應(yīng)于相應(yīng)于CO2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。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合激光器的最佳放電電流

23、與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。比有關(guān)。 實(shí)驗(yàn)指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。實(shí)驗(yàn)指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。 例如：管徑為例如：管徑為 2030mm 時(shí)，時(shí)，最佳放電電流為最佳放電電流為3050mA 管徑為管徑為5090mm 時(shí)，時(shí)，最佳放電電流為最佳放電電流為120150mA(1) 放電特性放電特性 CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過(guò)激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過(guò)40，這就這就是說(shuō)，將有是說(shuō)，將有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和

24、激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線(xiàn)展寬，都會(huì)使粒子的反轉(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。特別是，氣體溫度的升高，還將引起導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分子的分解，降低放電管內(nèi)的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。分子濃度。 (2) 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院32CO2激光器類(lèi)型激光器類(lèi)型(P127-131)l 封離型縱向激勵(lì)CO2激光器(P122)l 高功率軸快流CO2激光器l 高功率橫流CO2激光器l 橫向

25、激勵(lì)高氣壓CO2激光器（TEA）l 波導(dǎo)CO2激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院33CO2激光器運(yùn)行方式激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院343.2.4 Ar離子激光器離子激光器l 氣體離子激光器l 主要波長(zhǎng)488 nm，514.5 nml 常見(jiàn)功率幾十瓦，最高500 Wl 能量轉(zhuǎn)換效率低激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院35一、一、 ArAr激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu) Ar激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)和回氣管等幾部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。分組成。如圖如圖所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu) 。 激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院 1-石墨

26、陽(yáng)極，石墨陽(yáng)極，2-石墨片，石墨片，3-石英環(huán)，石英環(huán)，4-水冷套，水冷套，5-放電管，放電管，6-陰極，陰極，7-保熱瓶，保熱瓶，8-加熱燈絲，加熱燈絲，9-布氏窗，布氏窗，10-磁場(chǎng)，磁場(chǎng)，11-儲(chǔ)氣瓶，儲(chǔ)氣瓶，12-電磁真空充電磁真空充氣瓶閥，氣瓶閥，13-鎮(zhèn)氣瓶，鎮(zhèn)氣瓶，14-波紋管，波紋管，15-氣壓檢測(cè)器氣壓檢測(cè)器。 36二、二、 ArAr激光器的激發(fā)機(jī)理激光器的激發(fā)機(jī)理 Ar激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖所如圖所示示 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

27、，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。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院37 激光躍遷上能級(jí)激光躍遷上能級(jí)(3P4

28、4P )粒子的積粒子的積聚主要通過(guò)三種途徑實(shí)現(xiàn)聚主要通過(guò)三種途徑實(shí)現(xiàn): (1)基態(tài)基態(tài)Ar+與電子碰撞后直接躍遷到與電子碰撞后直接躍遷到3P44P 能級(jí)能級(jí);(2)基態(tài)基態(tài)Ar+與電子碰撞后躍遷至高于與電子碰撞后躍遷至高于3P44P 的其他能級(jí)的其他能級(jí),再通過(guò)級(jí)聯(lián)輻射躍遷再通過(guò)級(jí)聯(lián)輻射躍遷至至3P44P 能級(jí)能級(jí);(3)基態(tài)基態(tài)Ar+和電子碰撞躍遷至低于和電子碰撞躍遷至低于3P44P 的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)后再次與電子碰撞的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)后再次與電子碰撞并躍遷至并躍遷至3P44P 能級(jí)。能級(jí)。 由于由于Ar原子的電離能量原子的電離能量(15eV)和和激光躍遷上能級(jí)的激發(fā)能量激光躍遷上能級(jí)的激發(fā)能量(20e

29、V)較較高高,正常運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的平均電子動(dòng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的平均電子動(dòng)能(電電子溫度子溫度)很高。為了提高電子溫度很高。為了提高電子溫度,氬離氬離子激光器中的充氣壓強(qiáng)一般在子激光器中的充氣壓強(qiáng)一般在150Pa以以下。但低壓強(qiáng)意味著下。但低壓強(qiáng)意味著Ar原子密度小原子密度小,為了為了提高電離和激發(fā)速率提高電離和激發(fā)速率,必須增加放電管內(nèi)必須增加放電管內(nèi)的電子密度。的電子密度。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院38三、三、 Ar激光器的工作持性激光器的工作持性 (1)多譜線(xiàn)工作多譜線(xiàn)工作 激光躍遷發(fā)生在激光躍遷發(fā)生在Ar+的電子組態(tài)的電子組態(tài)3P44P和和3P44S之間。前者的壽命約為之間。前者的壽命

30、約為10-8s,后者通過(guò)自發(fā)輻射迅速消激發(fā)后者通過(guò)自發(fā)輻射迅速消激發(fā),其壽命約為其壽命約為10-9s。由于。由于3p44P和和3P44s電子組態(tài)均電子組態(tài)均對(duì)應(yīng)若干子能級(jí)對(duì)應(yīng)若干子能級(jí),所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生9條藍(lán)綠激光譜線(xiàn)條藍(lán)綠激光譜線(xiàn),對(duì)應(yīng)每條對(duì)應(yīng)每條譜線(xiàn)都有一個(gè)閾值電流譜線(xiàn)都有一個(gè)閾值電流 。其中以其中以488nm和和514.5nm譜線(xiàn)最強(qiáng)。在諧振腔內(nèi)插入譜線(xiàn)最強(qiáng)。在諧振腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件棱鏡等色散元件,可以獲得單譜線(xiàn)激光?？梢垣@得單譜線(xiàn)激光。(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Ar激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功激

31、光器特殊的激發(fā)機(jī)制，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率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同。同。 放電電流較小時(shí)輸出功率與放電電流較小時(shí)輸出功率與放電電流成四次放電電流成四次方的關(guān)系，隨著放電電流的增大，輸出功率與方的關(guān)系，隨著放電電流的增大，輸出功率與放電電流成平方的關(guān)系。這是因?yàn)?，隨著電流放電電流成平方的關(guān)系。這是因?yàn)椋S著電流密度的增大，使氣體溫度升高，激光譜線(xiàn)變寬，密度的增大，使氣體溫度升高，激光譜線(xiàn)變寬，因而其增益隨電流增長(zhǎng)的速度變慢。因而其增益隨電流增長(zhǎng)的速度變慢。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院393.2.5 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器l 準(zhǔn)分子指在激發(fā)態(tài)能夠暫

32、時(shí)結(jié)合成的不穩(wěn)定分子l 高重復(fù)率l 可調(diào)諧l 量子效率高l 波長(zhǎng)短，紫外到可見(jiàn)區(qū)主要的準(zhǔn)分子激光器主要的準(zhǔn)分子激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院40準(zhǔn)分子激光器工作原理準(zhǔn)分子激光器工作原理躍遷過(guò)程躍遷過(guò)程泵浦要求泵浦要求電子束泵浦機(jī)理電子束泵浦機(jī)理脈沖放電泵浦機(jī)理脈沖放電泵浦機(jī)理激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院413.3 3.3 固體激光器固體激光器一、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)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫(huà)出)。 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院42固體激光器特點(diǎn)固體激光器特點(diǎn)l 運(yùn)行方式多

33、樣：CW，PW，QCW，調(diào)Q，鎖模，高平均功率，高重復(fù)率，高單脈沖能量及高峰值功率。l 工作物質(zhì)l 譜線(xiàn)多，達(dá)數(shù)千條，分布于可見(jiàn)到近紅外區(qū)，通過(guò)頻率變換技術(shù)可到紫外區(qū)l 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，制造容易，傳輸靈活，可接光纖l 結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用，價(jià)格適宜激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院431960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺(tái)激光器發(fā)明第一臺(tái)激光器激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院44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激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院45二、紅寶石激光器二、紅寶石激光器 （1）紅寶石晶體）紅寶石晶體 Cr3+: Al203, 激活是激活是Cr3+,基質(zhì)是剛玉晶體

34、。紅寶石屬六方晶系基質(zhì)是剛玉晶體。紅寶石屬六方晶系,無(wú)色透明的負(fù)單軸晶無(wú)色透明的負(fù)單軸晶體。體。 紅寶石是在紅寶石是在Al2O3中摻入適量的中摻入適量的Cr3+,使使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。摻入而成。摻入Cr2O3的的最佳量一般在最佳量一般在0.05%(重量比重量比)左右左右,相應(yīng)的相應(yīng)的Cr3+密度為密度為ntot=1.58x1019cm-3。 紅寶石的光譜特性主要取決于紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+。原子。原子Cr的外層電子組態(tài)為的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻入摻入Al2O3 變成變成Cr3+, 最外層電子組態(tài)為最外層電子組態(tài)為3d3。光譜特性是光譜特性是Cr3+的

35、的3d殼層上三個(gè)電子躍遷。殼層上三個(gè)電子躍遷。Cr3+在很強(qiáng)的晶格場(chǎng)作用下在很強(qiáng)的晶格場(chǎng)作用下,其能級(jí)發(fā)生很大的變其能級(jí)發(fā)生很大的變化化,呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級(jí)分裂和重新組成的情況。呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級(jí)分裂和重新組成的情況。紅寶石中紅寶石中Cr3+的工作能級(jí)屬三能級(jí)系統(tǒng)。的工作能級(jí)屬三能級(jí)系統(tǒng)。4A2是基態(tài)又是激光下能級(jí)是基態(tài)又是激光下能級(jí),其簡(jiǎn)并度其簡(jiǎn)并度g1=4,2E是亞是亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài),它是由能量差為它是由能量差為29cm的的2A和和E二能級(jí)組成二能級(jí)組成,其簡(jiǎn)并度都為其簡(jiǎn)并度都為2。4F1和和4F2是兩個(gè)吸收能帶。是兩個(gè)吸收能帶。圖 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院4

36、6紅寶石的吸收紅寶石的吸收光譜如圖所示。由光譜如圖所示。由4A2向向4F1躍遷吸收紫藍(lán)光躍遷吸收紫藍(lán)光,峰值波長(zhǎng)在峰值波長(zhǎng)在0.41um附近附近,稱(chēng)為紫帶或稱(chēng)為紫帶或U帶。由帶。由4A2向向4F2躍遷吸收黃綠光躍遷吸收黃綠光,峰值波長(zhǎng)在峰值波長(zhǎng)在0.55m附近附近,稱(chēng)為綠帶或稱(chēng)為綠帶或Y帶。這是兩個(gè)很強(qiáng)很寬的吸收譜帶帶。這是兩個(gè)很強(qiáng)很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約吸收帶寬均約0.1um左右。左右。圖 紅寶石中鉻離子的吸收光譜圖 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu) 紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線(xiàn)紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線(xiàn)(R1和和R2線(xiàn)線(xiàn)),分別為分別為E和和2A能態(tài)向能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的躍遷產(chǎn)生的,室溫下室溫下對(duì)應(yīng)的

37、中心波長(zhǎng)分別為對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)分別為0.6943um和和0.6929um。通常紅寶石激光器中只有通常紅寶石激光器中只有 R1=0.6943m線(xiàn)才能形成激光輸出。線(xiàn)才能形成激光輸出。激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院47 紅寶石突出的缺點(diǎn)是閾值高紅寶石突出的缺點(diǎn)是閾值高(因是三能因是三能級(jí)級(jí))和性能易隨溫度變化。和性能易隨溫度變化。 但具有很多優(yōu)點(diǎn)但具有很多優(yōu)點(diǎn),如如:機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度;容容易生長(zhǎng)成較大尺寸易生長(zhǎng)成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng),儲(chǔ)能大儲(chǔ)能大,可可得到大能量輸出得到大能量輸出;熒光譜線(xiàn)較寬熒光譜線(xiàn)較寬,容易獲得大容易獲得大能量

38、的單模輸出能量的單模輸出;低溫性能良好低溫性能良好,可得到連續(xù)可得到連續(xù)輸出輸出;紅寶石激光器輸出的紅光紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見(jiàn)不僅能為人眼可見(jiàn),而且很容易被探測(cè)接收而且很容易被探測(cè)接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的感應(yīng)靈敏度較高感應(yīng)靈敏度較高)。紅寶石在激光發(fā)展上是。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻(xiàn)比較大的一種晶體。貢獻(xiàn)比較大的一種晶體。圖 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)激光原理與技術(shù)物理與電子工程學(xué)院48 Nd3+:YAG的激活離子為的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是基質(zhì)是YAG晶體晶體(釔鋁石榴石晶體釔鋁石榴石晶體Y3Al5O1

39、2)。Nd3+部部分取代分取代YAG中的中的Y3+便成為便成為Nd3+:YAG。一般含。一般含Nd3+量為量為1%原子比原子比,此時(shí)此時(shí)Nd3+的密度為的密度為1.381020cm-3,顏色為淡紫色。實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的顏色為淡紫色。實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的A1203、Y2O3和和Nd2O3在單在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶系屬立方晶系,是各向同性晶體。是各向同性晶體。三、摻釹釔鋁石榴石三、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻釹釔鋁石榴石激光器摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子的激活粒子是釹離子(Nd3)，其吸收光譜如圖所示，其吸收光譜如圖所示圖

40、Nd3:YAG 晶體的吸收光譜圖 Nd3:YAG 的能級(jí)結(jié)構(gòu)YAG中中Nd3與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如右圖與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如右圖 所示。它所示。它屬于四能級(jí)系統(tǒng)。屬于四能級(jí)系統(tǒng)。 491.06um比比1.35um的熒光約強(qiáng)四倍的熒光約強(qiáng)四倍,1.06um的譜線(xiàn)先起振的譜線(xiàn)先起振,進(jìn)而抑制進(jìn)而抑制1.35um譜線(xiàn)起振譜線(xiàn)起振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生激光器通常只產(chǎn)生1.06um激光。只有采取選頻措施，激光。只有采取選頻措施，才能實(shí)現(xiàn)才能實(shí)現(xiàn)1.35um波長(zhǎng)的激光振蕩。波長(zhǎng)的激光振蕩。 四、釹玻璃激光器四、釹玻璃激光器 繼繼1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世后年第一臺(tái)紅寶石激

41、光器問(wèn)世后,1961年便出現(xiàn)了釹玻璃激光器。釹玻璃是在某年便出現(xiàn)了釹玻璃激光器。釹玻璃是在某種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。最佳摻入制成的。最佳摻入Nd2O3量為量為1%5%重量比。重量比。對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)3%的摻入量的摻入量,Nd3+的濃度為的濃度為31020/cm3。Nd3+在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。統(tǒng)用得最多。 玻璃的制備工藝比較成熟玻璃的制備工藝比較成熟,易獲得良爭(zhēng)好的光學(xué)均勻性易獲得良爭(zhēng)好的光學(xué)均勻性,玻璃的形狀和尺寸也有較大的可玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長(zhǎng)可達(dá)塑性。大的釹玻璃棒長(zhǎng)可達(dá)

42、12m,直徑直徑30100mm,可用來(lái)制成特大能量的激光器。小可用來(lái)制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路中的光放大或振蕩。用于集成光路中的光放大或振蕩。 釹玻璃最大的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱率太低釹玻璃最大的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱率太低,熱脹系數(shù)太大熱脹系數(shù)太大,因此不適于作連續(xù)器件和高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的因此不適于作連續(xù)器件和高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的器件器件,且在應(yīng)用時(shí)要特別注意防止自身破壞。且在應(yīng)用時(shí)要特別注意防止自身破壞。50E4:含三個(gè)吸收帶含三個(gè)吸收帶(抽運(yùn)能帶抽運(yùn)能帶) *(吸收特定波長(zhǎng)的光而躍遷到吸收特定波長(zhǎng)的光而躍遷到這三個(gè)吸收帶這三個(gè)吸收帶) 2/52G2/92

43、F2/74F(中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)5900A)(. 7500A)(. 8000A)E3:三條激光譜線(xiàn)公共的激光三條激光譜線(xiàn)公共的激光上能級(jí)上能級(jí) 2/34FE2: 含二條激光譜線(xiàn)的二個(gè)激含二條激光譜線(xiàn)的二個(gè)激光下能級(jí)光下能級(jí)(四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)), 即即2/314I2/34F2/314I( ,對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)1.37m 譜線(xiàn)譜線(xiàn))2/114I( ,對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)1.062m譜線(xiàn)譜線(xiàn)) 2/34F2/114I釹玻璃的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷光譜釹玻璃的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷光譜 51E1:基態(tài)基態(tài), 一條激光譜線(xiàn)的激光一條激光譜線(xiàn)的激光下能級(jí)下能級(jí)(三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)): 2/94I2/34F2/94I( 對(duì)應(yīng)0.92m譜線(xiàn))

44、 躍遷譜線(xiàn)躍遷譜線(xiàn): 1.062m:四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng), 躍遷幾率大躍遷幾率大, 通?？捎^通常可觀察到察到; 1.37m: 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng), 躍遷幾率較小躍遷幾率較小, 不一定不一定可觀可觀 察到察到;0.92m:三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng), 難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 一一般不般不 出現(xiàn)出現(xiàn).523.3.2 3.3.2 固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光器的泵浦系統(tǒng) 一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。惰性氣體一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。惰性氣體放電燈放電燈( (燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體) )、金屬蒸氣燈、金屬蒸

45、氣燈( (燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）、鹵化物燈屬蒸氣）、鹵化物燈( (碘鎢燈、鑷鎢燈等碘鎢燈、鑷鎢燈等) )、半導(dǎo)體激光器、日光泵、半導(dǎo)體激光器、日光泵( (用聚光鏡將用聚光鏡將日光會(huì)聚到激光棒中日光會(huì)聚到激光棒中) )等。脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射效率較其他燈都高等。脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射效率較其他燈都高, ,是紅寶是紅寶石釹玻璃和石釹玻璃和Nd:YAGNd:YAG脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的一種燈脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的一種燈. .氪燈在低電流密度下工作氪燈在低電流密度下工作時(shí)時(shí), ,其輻射光譜與其輻射光譜與Nd:YAGNd:YAG泵浦吸收帶相匹配泵浦吸收帶相匹配,

46、,故在連續(xù)和小能量脈沖故在連續(xù)和小能量脈沖Nd:YAGNd:YAG器件中器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用得到比較多的采用。碘鎢燈用220V220V電壓即可電壓即可, ,使用簡(jiǎn)單、方便使用簡(jiǎn)單、方便, ,在功率小于在功率小于1OW1OW的的連續(xù)連續(xù)Nd:YAGNd:YAG器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多用高壓蒸氣燈器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多用高壓蒸氣燈, ,它的輻射譜與它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小, ,產(chǎn)生的激光又與摻釹產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配工作物質(zhì)吸收譜相匹配, ,可用于小型摻鐵激光器

47、。日光泵適用于空間技術(shù)中的激可用于小型摻鐵激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。光器。 在各種泵浦光源中在各種泵浦光源中, ,以惰性氣體放電燈應(yīng)用最普遍。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和以惰性氣體放電燈應(yīng)用最普遍。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和聚光器。聚光器。 二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件。有很高的發(fā)光效率輻射的光二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件。有很高的發(fā)光效率輻射的光譜特性應(yīng)與激光各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配譜特性應(yīng)與激光各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配. .53 1 1 惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)一般都是由電惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氣體組成。極、燈管和充入的氣體組成。見(jiàn)圖見(jiàn)圖 (a)。 電極是用高

48、熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率, ,又不易又不易濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢, ,高功率燈的電極要高功率燈的電極要設(shè)計(jì)成水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成水冷結(jié)構(gòu), ,見(jiàn)圖見(jiàn)圖(b),(b),燈管用機(jī)械強(qiáng)度燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙燈管內(nèi)充入氙(Xe)(Xe)、氪、氪(kr)(kr)氣體。氣體。 2 2 氙燈在低電流密度放電氙燈在低電流密度放電( (如連續(xù)燈放電和小能量脈沖燈放電如連續(xù)燈放電和小能量脈沖燈放電) )時(shí)時(shí), ,輻射的特征輻射的特征譜線(xiàn)的峰值波伏在譜線(xiàn)的峰值波伏在0.840.84、0.90.9和和1 1um附近。氪燈在低電流密度放電時(shí)附近。氪燈在低電流密度放電時(shí), ,輻射的特征輻射的特征譜線(xiàn)的峰值波長(zhǎng)在譜線(xiàn)的峰值波長(zhǎng)在0.760.76、0.820.82和和0.90.9um附近。附近。54三、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、三、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(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。 四、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。四、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件