常用激光器工作原理.ppt

1、常用激光器與激光損傷閾值簡(jiǎn)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(jí)變化所造成的。這些特定能級(jí)差別的吸收和釋放都表現(xiàn)成為特定波長(zhǎng)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(shí)候放出。然而，一個(gè)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(lǐng)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(yùn)動(dòng)，離核

2、愈遠(yuǎn)能量愈高；當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)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(guān)系由E=h給出。為了描述原子中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以提出了能記得概念。原子各個(gè)定態(tài)對(duì)應(yīng)的能量是不連續(xù)的，這些能量值叫做能級(jí),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(jí)E1的原子數(shù)大于處于高能級(jí)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(jí)E2上的原子數(shù)目大于低能級(jí)E1上的原子數(shù)目，因?yàn)镋2上的原子多，發(fā)生受激輻射，使光增強(qiáng)）。,粒子自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一個(gè)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(jí)的粒子，在一個(gè)能量等于兩能級(jí)之差（E2-E1）的光子作用下，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)并發(fā)射一個(gè)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(gè)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(gè)自發(fā)輻射光源能達(dá)到激光光源的光譜質(zhì)量。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)光源是系統(tǒng)處在各種能級(jí)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(jī)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(jí)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(jí)的原子被泵浦到較高的一個(gè)激發(fā)態(tài)上，由于維持的時(shí)間總體正態(tài)分布，大部分原子都在一段極短的時(shí)間內(nèi)掉到同一個(gè)較低的能態(tài)上，這種發(fā)射方式導(dǎo)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(huì)導(dǎo)

5、致原子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，部分躍遷到高能級(jí)的原子又會(huì)躍遷到低能級(jí)并釋放出相同頻率單色光譜，但所釋放的光譜并無(wú)固定方向與相位，所以尚無(wú)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(yùn)動(dòng)的光子均很快逸出腔外，與工作介質(zhì)不再接觸。沿軸線運(yùn)動(dòng)的光子將在腔內(nèi)繼續(xù)前進(jìn)，并經(jīng)兩反射鏡的反射不斷往返運(yùn)行產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行時(shí)不斷與受激粒子相遇而產(chǎn)生受激輻射，沿軸線運(yùn)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(qiáng)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(jī)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(jí)系統(tǒng),He-Ne激光器是典型的四能級(jí)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(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖，Ne原子的激光上能級(jí)是3S和2S能級(jí)，激光下能級(jí)是3P和2P能級(jí)。,下能級(jí)E1是基態(tài)能級(jí)上能級(jí)E3是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)下能級(jí)E2不是基態(tài)能級(jí)而是一個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)在常溫下基

7、本上是空的。其激勵(lì)能量要比三能級(jí)系統(tǒng)小得多產(chǎn)生激光要比三能級(jí)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(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(diǎn), 廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、科研等領(lǐng)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(diǎn), 可用于光譜學(xué)、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(jìn)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(jí)結(jié)構(gòu),YAG中Nd3與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖所示。它屬于四能級(jí)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(dǎo)性和熱沖擊性好，適用于多種工作方式（連續(xù)、脈沖、Q開關(guān)、鎖模）常用于近遠(yuǎn)紅外固體激光及其倍頻、三倍頻應(yīng)用中，并廣泛應(yīng)用與科研、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等領(lǐng)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(guān)。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(jí)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?？梢詮募す馐鴻M截面上的光強(qiáng)分布看出來。如圖，高斯光束的截面光強(qiáng)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(zhǎng)度相關(guān)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(wú)數(shù)個(gè)等間距頻率的光，但由于增益介質(zhì)只對(duì)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(shí)會(huì)篩選出符合諧振頻率的諧振激光，這種現(xiàn)象叫做模式競(jìng)爭(zhēng)。所以，激光器一般僅輸出一個(gè)特定頻率的激光。,左圖說明在一個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)，分布了5個(gè)

10、縱模（即五個(gè)頻率的激光，q=5），且強(qiáng)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(qiáng)光束照射到激光棒內(nèi)，使得離子翻轉(zhuǎn)密度達(dá)到閥值。一種被廣泛使用的方法就是用脈沖氙燈做強(qiáng)光源。結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)鏡子之間，使得能量能夠經(jīng)過多次來回反射而放大達(dá)到能夠使用的級(jí)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(gè)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(zhǎng)的窄帶介質(zhì)膜反射鏡 進(jìn)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(shí)驗(yàn) 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(xué)諧振腔 光在腔內(nèi)傳播相當(dāng)于不斷經(jīng)過光闌，因此會(huì)引起衍射，使振幅 和相位的空間分布發(fā)生畸變。最后當(dāng)振幅和相位的空間分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(chǎng)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(shè)計(jì)諧振腔, 使其為單橫模輸出。 橫模選擇目前常用的技術(shù)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(lì)。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)滿足兩個(gè)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(gè)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(dǎo)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(guān) 最簡(jiǎn)單的q開關(guān)就是一個(gè)馬達(dá)連著一個(gè)鏡子，沒對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候沒有來回往復(fù)的光，可以讓高能態(tài)粒子的數(shù)量慢慢的聚集增多，在對(duì)準(zhǔn)的瞬間釋放，達(dá)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(guān)，

14、用在進(jìn)一步壓縮脈沖激光的脈沖或者使連續(xù)半導(dǎo)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(biāo)、切割。,實(shí)驗(yàn)室的 YAG 激光器采用內(nèi)調(diào)制技術(shù)鎖縱模,調(diào)制器采用調(diào) Q晶體 ,利用調(diào) Q 晶體可以實(shí)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(yīng)來實(shí)現(xiàn)Q 突變的方法, 即利用電光晶體在外電場(chǎng)作用下,使入射偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生變化 的效應(yīng),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(jí)震蕩，一級(jí)放大,一級(jí)震蕩，二級(jí)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(gè)或者兩個(gè)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(duì)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(gè)短脈沖的持續(xù)時(shí)間約為(0.11)m，各短脈沖之間的間隔約為(510) s。泵浦光愈強(qiáng)，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增加。,YAG 激光器工作一段時(shí)間后, 輸出功率( 或能量) 會(huì)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(xué)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(qiáng)迫冷卻措施。冷卻方法常用的有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)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(yīng)。 各支架和反射鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)應(yīng)的牢靠性，機(jī)械振動(dòng)對(duì)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(dāng)諧振腔中含有偏振元件, 激光輸出也具有偏振性。實(shí)驗(yàn)室的 YAG 激光器諧振腔中含有調(diào) Q 晶體和 /4 波片兩個(gè)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(qiáng)越集中, 傳播的距離越遠(yuǎn)。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(duì)橫模采取選模措施。另外,諧振腔的調(diào)整等因素也會(huì)影響激光束的方向性,諧振腔調(diào)整得不好,會(huì)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(dāng)要求高能量、

18、單縱模輸出時(shí), 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(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大,光學(xué)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(xué)薄膜不可缺少的性能指標(biāo)。由于光學(xué)薄膜的激光損傷閾值是光學(xué)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(duì)高功率激光器的發(fā)展和應(yīng)用有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。,一個(gè)光學(xué)元件暴露在強(qiáng)激光輻射下所引起的暫時(shí)或永久性改變叫做激光損傷。 最常見的激光損傷是在光學(xué)表面涂鍍膜膜層的物理性能退化。（如斑痕、侵蝕、熔化、分層），會(huì)導(dǎo)致光學(xué)器 件的斷裂和褪色。激光損傷會(huì) 降低或完全摧毀高功率激光系 統(tǒng)的性能。所以