各種典型激光器原理(全)

1、激光器的原理和應(yīng)用，第3章典型激光器，第1節(jié)概述，主要內(nèi)容：第1節(jié)概述，第1節(jié)激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)由三部分組成：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。激光器的基本結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)是激光器的核心，是激光受激輻射放大的來源。泵浦源為實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)中粒子數(shù)的反向分布提供了必要的能量。不同類型的工作物質(zhì)采用不同的泵送方法。光學(xué)諧振腔為激光振蕩的建立提供正反饋，諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。分類和輸出特性激光器有很多種。傳統(tǒng)上，主要分為以下兩種方式：一種是工作物質(zhì)，另一種是激光工作方式。1根據(jù)激光器的工作物質(zhì)1)氣體激光氣體和金屬蒸汽作為工作物質(zhì)。根據(jù)氣體工作物質(zhì)是氣體原子、氣體分子還是氣體離子，氣體

2、激光器可分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。非電離氣體原子用于在原子激光器中產(chǎn)生激光作用，激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體主要是惰性氣體，如氦、氖、氬、氪和氙，以及金屬原子蒸汽，如鎘、銅、錳、鋅和鉛。原子激光器的典型代表是氦-氖激光器。第一節(jié)總結(jié)了分子激光器中的激光作用是非電離氣體分子，激光躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振動(dòng)能級(jí)之間。采用的氣體主要包括CO2、一氧化碳、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。準(zhǔn)分子是一種不穩(wěn)定的締合，在基態(tài)時(shí)離解成原子，在激發(fā)態(tài)時(shí)暫時(shí)結(jié)合成分子(壽命很短)。激光躍遷發(fā)生在其束縛態(tài)和自由態(tài)之間。

3、使用的受激準(zhǔn)分子氣體主要包括氙、氪、氬、氙、氙、溴等。典型代表是XeF*準(zhǔn)分子激光器。電離氣體離子在離子激光器中產(chǎn)生，激光躍遷發(fā)生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。使用的離子氣體主要包括惰性氣體離子、分子氣體離子和金屬蒸汽離子。典型代表是氬激光器。第一節(jié)總結(jié)了氣體激光器一般由氣體放電激發(fā)，也可以由電子束、熱和化學(xué)反應(yīng)激發(fā)。波長(zhǎng)范圍：氣體激光器的波長(zhǎng)范圍主要位于真空紫外和遠(yuǎn)紅外波段。它有數(shù)萬條激光線，具有輸出光束質(zhì)量高(方向性和單色性好)和連續(xù)輸出功率高(如CO2激光器)的輸出特性。其器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。第一節(jié)概述了氣體激光器廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如計(jì)量、材料加工、激光醫(yī)療、

4、激光通信、能源等。1961年，第一臺(tái)氣體激光器氦氖激光器問世。2)固體激光器固體激光器使用固體激光介質(zhì)作為工作物質(zhì)。固體工作物質(zhì)通常在基質(zhì)材料(如晶體或玻璃)中摻雜少量金屬離子(稱為活化離子)，并且在活化離子的不同工作能級(jí)之間發(fā)生激光躍遷。用作活化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、過渡金屬離子和錒系金屬離子。固態(tài)激光器的典型代表是紅寶石(Cr3 :Al2O3)激光器、Nd3 :YAG激光器、釹玻璃激光器和Ti : Al2O3激光器。在第一部分中，固態(tài)激光器主要由光泵浦，泵浦光源主要包括閃光燈和半導(dǎo)體激光二極管。固態(tài)激光器的波長(zhǎng)覆蓋主要位于可見光的近紅外波段，有數(shù)千條激光

5、線。它具有輸出能量大(多級(jí)釹玻璃脈沖激光器，單脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬焦耳)和多種工作模式的特點(diǎn)。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，易于與光纖耦合進(jìn)行光纖傳輸。固態(tài)激光器主要用于工業(yè)、國防、科學(xué)研究、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。第一節(jié)總結(jié)，3)液體激光器的工作物質(zhì)分為兩類：一種是有機(jī)化合物液體(染料)，另一種是無機(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)染料包括四種：呫噸染料、香豆素激光染料、惡嗪激光染料和菁染料。染料激光器主要是光泵浦的，主要包括激光泵浦和閃光燈泵浦。染料激光器的波長(zhǎng)范圍為紫外到近紅外波段(300nm1.3m)，通過混合技術(shù)

6、可以將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展到真空紫外到中紅外波段。連續(xù)可調(diào)激光波長(zhǎng)是染料激光器最重要的輸出特性。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。染料溶液穩(wěn)定性差是這種裝置的不足。染料激光器主要用于科學(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。1966年，世界上第一臺(tái)染料激光器被研制出來，它是由紅寶石激光器泵浦的。第一節(jié)概述，4)半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管，或激光二極管(簡(jiǎn)稱LD)。由于半導(dǎo)體材料材料結(jié)構(gòu)的特殊性和半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。半導(dǎo)體激光器使用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料主要包括三種類型的：(1)A化合物半導(dǎo)體

7、，如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(磷化銦)。(2)硼化合物半導(dǎo)體，如硫化鎘。(3)AA族化合物半導(dǎo)體，例如PbSnTe。根據(jù)產(chǎn)生pn結(jié)的材料和結(jié)構(gòu)不同，半導(dǎo)體激光器有多種類型，如同結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單結(jié)或雙結(jié))、量子阱等。半導(dǎo)體激光器通過注入電流來泵浦。在第一部分中，半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍通常在近紅外波段(920nm1.65m)，其中1.3m和1.55m是光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和使用壽命長(zhǎng)(一般可達(dá)幾十萬甚至幾百萬小時(shí))的突出特點(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、科學(xué)研究、醫(yī)療等領(lǐng)域，如激光光盤、激光高速打印、全

8、息照相、辦公自動(dòng)化、激光準(zhǔn)直和激光醫(yī)療。1962年，世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器GaAs激光器問世。第一節(jié)概述，5)化學(xué)激光器化學(xué)激光器受到激光的照射是因?yàn)榱Ｗ訑?shù)通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)生了反轉(zhuǎn)。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、氟化氚、氧碘等。化學(xué)激光器是由化學(xué)能激發(fā)的。為了促進(jìn)工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，通常需要一些引發(fā)措施，例如光引發(fā)、電引發(fā)和化學(xué)引發(fā)?；瘜W(xué)激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍從紫外到紅外到微米，具有高功率和高能量輸出。它的突出特點(diǎn)是能直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為激光能，特別適合在野外和其他沒有電源的地方工作?；瘜W(xué)激光器主要用于國防和科學(xué)研究領(lǐng)域，如激光武器和同位素分離。1964年，第一臺(tái)用于碘光解

9、離的原子化學(xué)激光器問世。6)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。相對(duì)論電子束是指被電子加速器加速的高能電子。自由電子激光將相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為激光輻射能量。自由電子激光的泵浦源是空間周期磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)。高能量轉(zhuǎn)換效率和連續(xù)可調(diào)的輸出激光波長(zhǎng)是自由電子激光器的兩個(gè)最突出的特征。自由電子激光器在未來的生物、醫(yī)療和核能領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。第一節(jié)總結(jié)：7)X射線激光器X射線激光器的輸出激光波長(zhǎng)位于X射線波段(110納米)。X射線激光的工作物質(zhì)是高度電離的等離子體，它由光泵浦，但需要一個(gè)特殊的X射線泵浦源。8)光纖激光器工作物質(zhì)：是摻有一些活性離子

10、的光纖，或者是利用光纖本身的非線性光學(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。泵浦方式主要是半導(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、波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬、器件結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點(diǎn)。在長(zhǎng)距離光纖通信等領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。1963年，第一個(gè)光纖激光器Nd2 O3光纖激光器問世，這在第一節(jié)中有所概述。其次，根據(jù)激光器的工作模式，激光器可以分為兩種模式：連續(xù)輸出和脈沖輸出。根據(jù)激光技術(shù)的應(yīng)用，可分為調(diào)Q激光器、鎖模激光器、穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器等。以及不穩(wěn)定腔激光器、平面腔激光器、球

11、形腔激光器等。1.氣體放電激發(fā)基礎(chǔ)所謂的氣體放電是指氣體分子(或原子)在高壓作用下電離并導(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0.1%。1.分類1)。DC連續(xù)放電DC連續(xù)放電是指在氣體激光放電管的兩個(gè)電極之間施加可調(diào)的DC電壓。調(diào)節(jié)放電管兩端的電壓或電阻，測(cè)量相應(yīng)的放電電流，可以得到放電管DC連續(xù)放電的伏安特性曲線。對(duì)應(yīng)于第二氣體激光點(diǎn)的管電壓降稱為點(diǎn)火電壓，也稱為點(diǎn)火電壓或擊穿電壓。AD段是一個(gè)非自持放電階段。雖然放電電流隨著端電壓的增加而增加，但其值很小。此時(shí)，如果移除外部電離源，放電電流將迅速減小，直到放電終止。這一階段的放電電流一般在10-20-10-

12、11 a之間，在點(diǎn)D之后的第二個(gè)氣體激光器是自持放電階段，因?yàn)殛帢O產(chǎn)生二次電子發(fā)射的de段稱為自持暗放電，而這種放電是不穩(wěn)定和平坦的EF段。該區(qū)域的特點(diǎn)是電流增加，但管電壓降幾乎保持不變，放電管中出現(xiàn)明亮和黑暗的輝光，這稱為正常輝光放電。在輝光放電階段，二次發(fā)射電子隨著電場(chǎng)的增加而迅速增加，所以當(dāng)放電管端電壓稍有增加時(shí)，放電電流就會(huì)大大增加。輝光放電的電流范圍一般在10-410-1 A之間，而FG是異常輝光放電階段。在這個(gè)階段，管電壓降隨著電流的增加而增加。在異常輝光放電階段，陰極濺射非常強(qiáng)烈，放電管一般應(yīng)避免在這種狀態(tài)下工作。第二節(jié)，氣體激光器中，對(duì)應(yīng)于G點(diǎn)的電壓稱為電弧點(diǎn)火電壓。經(jīng)過G點(diǎn)后

13、，放電管的電壓降又迅速下降，放電電流迅速增加，放電管內(nèi)發(fā)出刺眼的弧光，這就是所謂的電弧放電。電弧放電的GH段表現(xiàn)為負(fù)電阻，放電不穩(wěn)定。HK段是一個(gè)穩(wěn)定的電弧放電階段，放電電流一般大于10-1 a。高電壓小電流輝光放電(從幾毫安到幾十毫安)是一個(gè)穩(wěn)定的自持放電。氦氖激光器和二氧化碳激光器都工作在輝光放電區(qū)。氣體激光、電弧放電、低壓大電流自持放電(幾十安培到幾千安培)。通常，電弧放電的點(diǎn)火電壓高于輝光放電，但對(duì)于陰極表面積小、電子功函數(shù)小的放電管，電弧點(diǎn)火電壓也可以低于輝光放電。電弧放電的分類：熱陰極電弧放電和冷陰極電弧放電人工陰極電弧放電當(dāng)在兩個(gè)電極之間施加高頻交變電場(chǎng)時(shí)，由于帶電粒子在兩個(gè)電極

14、之間的渡越時(shí)間比電場(chǎng)的變化周期長(zhǎng)得多，電子不能再長(zhǎng)距離移動(dòng)，而只能在某一固定位置附近振蕩，并在振蕩過程中與氣體粒子碰撞，產(chǎn)生電離和激發(fā)以維持放電。在射頻放電過程中，由于電子的連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電子的飛行距離增加，這增加了電子和氣體粒子之間的碰撞次數(shù)，大大提高了電離能力，并大大削弱了陰極作為電子源的重要性。因此，射頻放電可以使用內(nèi)部電極、外部電極，或者甚至不使用電極。20世紀(jì)70年代，射頻氣體放電技術(shù)成功應(yīng)用于高功率輸出的CO2激光器，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。第2節(jié)氣體激光器，3)脈沖放電發(fā)生在脈沖放電管的兩個(gè)電極之間施加脈沖電壓時(shí)。根據(jù)放電電流密度，可以在放電管中產(chǎn)生脈沖輝光放電和脈沖電弧放電。根據(jù)

15、外加電壓的交變狀態(tài)，可分為DC脈沖放電和交流脈沖放電。根據(jù)脈沖持續(xù)時(shí)間，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模式。高功率高壓氣體激光器通常采用短脈沖放電模式。除上述三種放電模式外，氣體放電還包括火花放電和電暈放電。第2節(jié)氣體激光，2氣體放電中的粒子碰撞、激發(fā)和電離在氣體放電中，帶電粒子(電子和離子)與中性氣體粒子(原子或分子)之間的碰撞決定放電過程。其中，有兩個(gè)基本的碰撞過程影響著器件布居數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立和維持。第一個(gè)過程是電離，這是維持放電不可或缺的。第二個(gè)過程是激光的上、下能級(jí)粒子的激發(fā)和去激發(fā)。一般來說，粒子碰撞可分為兩種類型：彈性碰撞和非彈性碰撞。在氣體激光器工作物質(zhì)

16、的激發(fā)和電離過程中，粒子的碰撞屬于非彈性碰撞。非彈性碰撞可以分為第一種非彈性碰撞和第二種非彈性碰撞。第一種非彈性碰撞是指一個(gè)粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為另一個(gè)粒子的內(nèi)能的碰撞。最常見的形式之一是快速電子和氣體粒子之間的碰撞激發(fā)和電離。在碰撞過程中，快速的電子失去能量而變得更慢，氣體粒子得到能量并被激發(fā)到高能態(tài)或電離。當(dāng)電子的能量大于或等于氣體粒子的激發(fā)態(tài)能量時(shí)，當(dāng)電子的能量等于或大于氣體粒子的電離能時(shí)，就會(huì)發(fā)生碰撞電離過程。電離過程可以表述為第二節(jié)：氣體激光，電子與氣體粒子的碰撞，這也可以使粒子從一個(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)粒子電離，分別稱為分步激發(fā)和分步電離。2)第二類非彈性碰撞是指一個(gè)粒子的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為另一個(gè)粒子的內(nèi)能或動(dòng)能的碰撞。其形式主要包括共振轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)。共振轉(zhuǎn)移指的是激發(fā)態(tài)粒子A*(通常稱為亞穩(wěn)態(tài))和基態(tài)粒子B之間的碰撞，這將B激發(fā)到高能態(tài)B*，而A *返回到基態(tài)。該過程可以表示為A* BA B* E，其中E是A*和B*的激發(fā)態(tài)之間的差。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)移最有可能發(fā)生。共振轉(zhuǎn)移是選擇性激發(fā)過程中最重要的形式之一。在第二節(jié)，氣體激光中，電荷轉(zhuǎn)移指的是離子和中性氣體粒子之間的碰撞所引起的激發(fā)和電離過程。它激發(fā)了一個(gè)BA B E，其中A是A，從中性粒子B得到一個(gè)電