第3講 典型激光器介紹及光線傳輸矩陣

激光原理與技術(shù)第三講（上）典型激光器介紹3.1

典型激光器介紹固體激光器：紅寶石、Nd:YAG氣體激光器：原子、分子、離子液體激光器：染料激光器新型激光器：光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、化學(xué)激光器23.1典型激光器介紹33.1

典型激光器介紹紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)

Nd3＋:YAG的能級結(jié)構(gòu)4固體激光器的泵浦系統(tǒng)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(yīng)當(dāng)滿足兩個基本條件。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。右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。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。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。3.1

典型激光器介紹5固體激光器的基本特性能量轉(zhuǎn)換效率低，要經(jīng)過電、光、原子、激光的途徑來形成受激輻射放大；運(yùn)行方式有連續(xù)、脈沖、調(diào)Q、放大、調(diào)制等；輸出光譜有數(shù)千條，覆蓋了可見光、近紅外光、紫外（利用晶體實(shí)現(xiàn)倍頻）；輸出峰值功率極高（鎖模）---太瓦、飛秒；3.1

典型激光器介紹6QuantelFrequency-DoubledNd-YAG3.1

典型激光器介紹單脈沖能量：500mJ脈沖寬度：5ns峰值功率：108W=0.1GW重復(fù)頻率：10Hz平均功率：5W73.1

典型激光器介紹氣體激光器的分類原子---產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，所采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體，有時也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子氣體，或銫、鎘、銅、錳、錫等金屬原子蒸氣。分子（準(zhǔn)分子）---產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，所采用的分子氣體有：CO、N2、O2、CO2、N2O和水蒸氣等；準(zhǔn)分子激光器的工作氣體在常態(tài)下為原子，當(dāng)受到激發(fā)時，可暫時形成壽命很短的分子，稱為準(zhǔn)分子，這種分子也能產(chǎn)生激光。常采用的準(zhǔn)分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。離子---利用電離后的氣體離子產(chǎn)生激光作用，主要有惰性氣體離子和金屬蒸氣離子。離子激光器的典型代表是氬離子(Ar+)和氦-鎘(He-Cd)離子激光器83.1

典型激光器介紹氣體激光器的工作原理電激勵---氣體放電在高電壓下，氣體分子發(fā)生電離導(dǎo)電(叫做氣體放電)，被電場加速的電子與氣體原子(或分子、離子)碰撞，使后者激發(fā)到高能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一過程稱為放電激勵。氣體放電可采用直流或交流的連續(xù)放電、射頻放電(高頻放電)、脈沖放電等形式。直流和交流放電又分為縱向放電和橫向放電兩種。

除放電激勵外，還可用電子槍產(chǎn)生的高速電子去激勵氣體，使之躍遷到高能級，這稱為電子束激勵。93.1

典型激光器介紹氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如右圖所示。He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)。103.1

典型激光器介紹He-Ne激光器11封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖3.1

典型激光器介紹二氧化碳激光器下圖是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖123.1

典型激光器介紹13分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示意圖3.1

典型激光器介紹Ar+離子激光器Ar＋激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。如下圖所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)。

143.1

典型激光器介紹153.1

典型激光器介紹氣體激光器的輸出特性輸出功率大---氣體激光器容易實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的大體積均勻分布，且工作物質(zhì)的流動性好，因此能獲得很大功率輸出。例如高功率電激勵CO2激光器連續(xù)輸出功率已達(dá)數(shù)萬瓦以上。效率高---大部分的氣體激光器既能連續(xù)工作又能脈沖工作。目前，CO2激光器的電光轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25％，而CO激光器在低溫條件下可達(dá)到50％。譜線范圍寬---目前有數(shù)百種氣體和蒸氣可以產(chǎn)生激光，已經(jīng)觀測到的激光譜線近萬余條，譜線覆蓋范圍從亞毫米波到真空紫外波段，甚至X射線、射線波段。光束質(zhì)量優(yōu)---工作物質(zhì)均勻一致保證了氣體激光束的優(yōu)良光束質(zhì)量，在光束的相干性、單色性方面優(yōu)于固體、半導(dǎo)體激光器，如He-Ne激光的單色性很高，Δλ很容易達(dá)到10-9～10-11nm，其發(fā)散角只有l(wèi)～2毫弧度。163.1典型激光器介紹自由電子激光器自由電子激光器的工作物質(zhì)是自由電子束，它和普通激光器的根本區(qū)別在于：輻射不是基于原子、分子或離子的束縛電子能級間的躍遷。自由電子激光器的工作原理磁韌致輻射帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用會作加速運(yùn)動，從而產(chǎn)生輻射，當(dāng)速度接近光速的電子作圓周運(yùn)動時，將會輻射出光子，由于這種輻射是1947年在同步加速器上被發(fā)現(xiàn)的，因而被命名為同步輻射（Synchrotronradiation）；切倫科夫輻射 當(dāng)電子在介質(zhì)中運(yùn)動時，如果它們的速度比光在介質(zhì)中的相速度大，電子也會產(chǎn)生光輻射，其波長隨著電子速度而變化，雖然光很弱，但卻是單色性很好的輻射光。173.1

典型激光器介紹自由電子激光的特點(diǎn)

高功率：平均功率可達(dá)到1MW；高效率：理論效率可達(dá)到50%；寬波長可調(diào)諧范圍：原則上輸出波長可以覆蓋從微波、紅外、可見光到真空紫外波，甚至到X射線整個譜區(qū)。

上海光源全波段：從遠(yuǎn)紅外到硬X射線連續(xù)可調(diào)高強(qiáng)度：總功率為600千瓦；優(yōu)良的脈沖時間結(jié)構(gòu)：其脈沖寬度僅為幾十皮秒，相鄰脈沖間隔可調(diào)為幾納秒至微秒量級；183.1

典型激光器介紹化學(xué)激光器1.化學(xué)激光器是指基于化學(xué)反應(yīng)來建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生受激輻射的一類激光器?；瘜W(xué)激光器的工作物質(zhì)可以是氣體或液體，但目前大多數(shù)是用氣體。2.化學(xué)激光器具有如下三方面的特點(diǎn)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光。輸出的激光波長豐富。高功率、高能量激光輸出。19激光原理與技術(shù)第三講（下）光線傳輸矩陣激光光學(xué)研究