激光技术导论.ppt

,激光原理与技术,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,激光原理与技术,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,激光技术导论,2,、,1,固体激光器,固体激光器通常是指以绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。,少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。参加受激辐射作用的离子密度一般为,10,25,10,26,m,-3,，较气体工作物质高,3,个数量级以上激光上能级的寿命为,(10,-4,10,-3,s),，因此易于获得大能量输出，进行调,Q,可以获得大功率脉冲输出。,一、光泵激励,光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。,1、气体放电灯激励,以气体放电灯为激励光源是广为采用的激励方式，脉冲激光器采用脉冲氖灯，连续激光器采用氖灯或碘钨灯。,气体放电灯激励的能量转换环节多，通常,L,约为,15,，激光器的效率较低，常用的,Nd,：,YAG,激光器的效率约为,1,3,2半导体激光二极管激励,用与工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激光器效率。,Nd：YAG宽约30nm的810nm泵浦吸收带中含多条吸收谱线，809nm的半导体激光二极管输出光泵浦准确地对准此吸收带中带宽约2nm的809nm吸收谱线。总效率为720。,小型化、全固态、长寿命及热效应小等优点。单个半导体激光器功率已越过1w，半导体激光器列阵功率达数百瓦。,工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体激光器发射波长匹配是构成半导体激光器泵浦的固体激光器的必要条件。,适于构成此类激光器的固体工作物质有Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：YLF，Tm、Ho：YAG。为了使波长准确匹配，对半导体激光器的温度加以控制。,二、红宝石激光器,红宝石是掺有少量,Cr,2,O,3,(,质量比约为,),的,A1,2,0,3,晶体。,红宝石激光器属三能级系统，具有较高的泵浦能量阈值，所以通常只能以脉冲方式运转。,调制红宝石激光器输出巨,脉冲峰值功率可达1050 MW，脉宽为1020ns；锁模红宝石激光器输出超短光脉冲的峰值功率10,9,w量级，脉宽达10ps；,应用远不及钕激光器广泛。在动态全息、医学等方面仍有应用价值,三、钕激光器,三价钕离子为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。,Nd,3+,离子部分取代,Y,3,Al,5,O,12,晶体中,Y,3+,离子称为掺钕亿铝石榴石,(,简称,Nd,：,YAG),。,属四能级系统，量子效率高、受激辐射截面大，阈值比红宝石和钕玻璃激光器小得多，有高的热导率，易于散热。,可以单脉冲运转，用于高重复率或连续运转，,Nd,：,YAG,连续激光器的最大输出功率超过,1000w,，每秒,5000,次的激光器的输出峰值功为数千瓦，每秒几十次重复频率的调,Q,激光器的峰值功率达几百兆瓦。,钕玻璃是在硅酸盐或磷酸盐玻璃中掺入适量的Nd,2,O,3,制成的。Nd,3+,离子的能级结构与Nd：YAG基本相同，只是能级的宽度和能量有些差异，泵浦吸收带稍宽，荧光寿命较长(0.60.9ms)，荧光线宽(250cm,-1,)，量子效率较低(0.30.7)，受激辐射截面约为Nd：YAG的130。激射波长为1060nm，选模时可产生1370nm激光。,钕玻璃的荧光寿命长，易于积累高能级粒子。容易制成光学均匀性优良的大尺寸材料，可用于大能量大功率激光器。,输出能量已达上万焦耳。荧光线宽较宽，适于制成锁模器件，钕玻璃锁模激光器可产生脉宽小于1ps的超短光脉冲。钕玻璃的热导率低，振荡阈值又较高，因此不宜用于连续和高重复率运转。,已实现激光运转的掺Nd,3+,晶体达140多种,四、钛宝石激光器,红宝石和钕激光器产生的激光具有固定波长，掺钛宝石激光器则是一种可调谐固体激光器，在很宽的波长范围内,(6601180nm),连续可调。,s,，为了获得足够高的泵浦速率，钛宝石激光器大多采用激光泵浦。,气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器。气态物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器易于获得衍射极限的高斯光束，方向性,好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光的单色性好。,气体的激活粒子密度较固体为小，要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，因此气体激光器的体积比较大,气体工作物质吸收谱线宽度小，不采用光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式,在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，因而在其一对能级间形成了集居数反转分布。除了气体放电泵浦外，气体激光器还可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等方式。,一、He-Ne激光器,激光谱线最强的是、,m,和,3.39,m,三条谱线。,放电管长数十厘米的,He-Ne,激光器输出功率为毫瓦量级，长,1,-,2m,的激光器输出功率可达数十毫瓦。,结构简单、体积较小、价格低廉，在准直、定位、全息、测量、精密计量、等方面得到了广泛应用。,1激励机制,充有氦氖混合气的毛细管放电使,Ne,原子一对或几对能级间形成集居数反转。,混合气体中,He,的含量数倍于,Ne,，但激光跃迁只发生于,Ne,原子的能级间,辅助气体,He,的作用是提高泵浦效率。,2 谱线竞争,m,和3.39,m),中哪一条起,振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。,增益系数与波长的二次方成正比，,3.39,m,谱线的增益系数远大于谱线，较长的,632,.,8nmHe-Ne,激光器中，会产生较强的,3.39,m,放大的自发辐射或激光，导致激光功率下降。,抑制,m,辐射产生的方法：,腔内棱镜色散使,3.39,m,激光不能起振；,腔内插入对,3.39,m,波长的光吸收元件；,借助轴向非均匀磁场使,3.39,m,谱线线宽增加，从而使其增益下降,3、放电参数对输出功率的影响,工作物质尺寸、谐振腔损耗和输出耦合会影响输出功率。,放电电流及气体压强等放电参数也会影响增益系数，从而影响输出功率。,He-Ne,激光器的输出功率并不随气体放电电流的增加单调地上升，存在使输出功率最大的最佳放电电流，,在放电管中，不仅存在激发过程，还存在着消激发过程,输出功率与充气压强p有关。若放电毛细管的直径为d，,存在一个使输出功率最大的Pd值，约为(4.8-5.3)10,2,Pamm,。,原因：压强的下降使电子与原子的碰撞减少，从而导致电子温度(平均动能)上升，激发速率升高；毛细管管径的减小则使电子和离子的管壁复合加剧，为维持放电电流不变必须加大电场，由此造成的电子温度升高有利于激发。,Pd值过低又会因He-Ne原子数量过少而使输出功率减少。He-Ne,气的比例也会影响输出功率。,二、氩离子激光器,中性,Ar,原子的电子组态为,3P,6,。放电过程中，,Ar,原子与快速电子碰撞后电离形成基态氩离子，其电子组态为,3P,5,。发生电子组态,3P,4,4P,和,3P,4,4s,之间的跃迁。,不同组态对应若干子能级，连续工作,氩,离子激光器可产生,9,条蓝绿激光谱线，以,488nm,和谱线最强。腔内插入棱镜等色散元件，可以获得单谱线激光。,氩原子的电离能(15.73eV)和氩离子的激发位能（大于15eV）都很大，必须有比较高的电子温度，才能对激光上能级有效地激发.,为此使放电管内的气压降低（约0.8托以下），并且要提高放电管的电子密度，采用低电压大电流的弧光放电激发。氩离子激光器和氦氖激光器具有十分不同的结构特点和工作特点。,三、CO,2,激光器,m),正好处于大气窗口。广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。,以CO,2,、N,2,和He的混合气体为工作物质。跃迁发生在CO,2,分子的电子基态两个振动-转动能级之间。N,2,提高上能级的激励效率，He有助于下能级的抽空。,分子总能量,：电子绕核运动的能量分子中原子的振动能量分子的转动能量平动能量。前三种能量都是量子化的。相邻电子、振动及转动能级间能量差比例10,4,：10,2,：1。,为了使波长准确匹配，对半导体激光器的温度加以控制。,加入少量H2O或H2作催化剂。,高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜,输出镜是由锗单晶制成的平行平面镜，因为它对10.,加入少量H2O或H2作催化剂。,脉冲输出能量可达百焦耳量级峰值功率达数千兆瓦以上，平均功率可大于200w，重复频率1kHz。,例如封离型CO2激光器的饱和光强一般在22100Wcm2之间，而横向流动激光器的饱和光强可高达250Wcm2。,纵向电激励、闭合循环横向激励、横向电激励大气压、热或化学激励激光器等。,电流密度增加时激光上能级激发速率增加，但由此造成的气体温度的升高又会增加下能级集居数，因而存在一最佳电流值。,已实现激光运转的掺Nd3+晶体达140多种,气体工作物质吸收谱线宽度小，不采用光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式,三、CO2激光器,加入氦后，能提高放电管内热量向管壁传递的速率，使管内工作气体的温度明显下降。,He-Ne气的比例也会影响输出功率。,在横向流动CO2激光器中，通常采用电场与光轴垂直的横向放电方式。,工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体激光器发射波长匹配是构成半导体激光器泵浦的固体激光器的必要条件。,实验表明，电流密度与压强的最佳值大致与放电管径成反比。,纵向电激励、闭合循环横向激励、横向电激励大气压、热或化学激励激光器等。,二氧化碳激光器的结构,纵向电激励、闭合循环横向激励、横向电激励大气压、热或化学激励激光器等。,激光器通常由三层套管组成，一是放电管，二是水冷管，三是储气室。,谐振腔由全反镜和输出镜组成。高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜,输出镜是由锗单晶制成的平行平面镜，因为它对10.6m的光吸收系数很小。,纯二氧化碳激光器的输出功率很低，仅毫瓦量级，在二氧化碳气体中加入N2，He，Xe，H,2,O（或H,2,）等辅助气体后，可使激光输出大大增强.,增强激光工作物质的受激辐射过程的两个途径：使激励到上能级的粒子数增多，或使下能级迅速抽空.,(1)N2分子气体是CO,2,激光器中使用的主要辅助气体。N2和CO2按适当比例混合后，能使输出功率提高一倍以上。,N2的作用主要是增加激发到激光跃迁上能级的粒子数,。,(2),在,CO2+N2,的激光器中，加入氦气可以使激光输出功率几倍地增大。氦的热导率比,CO2,、,N2,的热导率约高一个数量级。,加入氦后，能提高放电管内热量向管壁传递的速率，使管内工作气体的温度明显下降。,有利于激光下能级的抽空,，因而可增大激光跃迁能级间的粒子数分布的反转程度，增加激光输出功率。,（3）在CO2+N2+He的激光器中，加入适量的水蒸汽（H2O），也可使激光输出功率显著地增加。,水蒸气的作用：H2O分子的弯曲振动的第一个激发能级很接近CO2分子的10,o,0能级（比基态高1388cm-1），与10,o,0态的CO2分子碰撞几率很大，可是CO2分子“抽空”到基态。,如果靠CO2分子间的碰撞来“抽空”，则需碰撞几万次，适量H2O分子的存在，有利于CO2分子激光跃迁能级粒子数反转和激光输出的增强。,（4）在CO2+N2+He的激光器中加进适量氙气Xe），也能使其增加输出功率。,加入Xe时在保持放电电流不变的情况下，管压降减低2030%，这表明，放电管内等效电阻下降了同样的百分数。,Xe的电离电位较低（约12.1eV），在气体放电时，Xe气容易电离，Xe气的加入，增加激光管内工作气体电离度，使高能量的电子减少，低能量的电子增加，更有利于激励CO2分子的00,o,1能级和N2分子的V=1能级，从而增加激光输出功率。,由于高能量的电子减少，减少了CO2分子分解的可能性，氙气加入，还可使CO2激光器延长寿命。,在CO2激光器里加入氢气（H2）、一氧化碳（CO）和氧气（O2）延长激光器的寿命。,在二氧化碳激光器，除CO2分子本身外，还应选择适当的各种辅助气体，以增强激光振荡的受激辐射过程。,饱和光强与激光上、下能级寿命有关，而,CO,2,能级寿命与激光器中的放电电流密度、气体温度、气体总压强和成分有关。,饱和光强,Is,与激光器的工作条件有关,。,例如封离型,CO,2,激光器的饱和光强一般在,22100W,cm,2,之间，而横向流动激光器的饱和光强可高达,250W,cm,2,。,CO,2,激光器的谐振腔大多采用平凹腔，也可采用非稳腔以增加其模体积。,高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜，输出端可采用小孔耦合方式或由可透过红外光的,Ge,、,GaAs,等材料制成输出窗。,1、纵向慢流CO,2,激光器,气体从放电管一端流入，另一端抽走，气流、电流和光轴方向一致。气流目的排除,CO,2,与电子碰撞时分解的,CO,2,气，补充新鲜气体。,放电电流密度和气体压强均有最佳值。,电流密度增加时激光上能级激发速率增加，但由此造成的气体温度的升高又会增加下能级集居数，因而存在一最佳电流值。,气体压强增高时一方面反转集居数增加，另一方面，气体分子间更加频繁的碰撞阻碍热量向管壁的扩散，从而导致气体温度升高。,实验表明，电流密度与压强的最佳值大致与放电管径成反比。在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为,50-60W,m,。,2、封离型CO,2,激光器,放电过程中，部分CO,2,分子分解为CO和O，如不抽去陈气，补充新鲜气体，则CO2含量减少，CO含量增多，将导致输出功率下降。,加入催化剂促使O和CO更新结合为CO,2,，并选用不与O,2,气作用的阴极材料料以保证激光器中有足够的氧气和CO重新结合。加入少量H,2,O或H,2,作催化剂。封离型激光器的结构和输出功率的水平和纵向慢流激光器相似，寿命巳超过数千小时至一万小时。,3纵向快流CO,2,激光器,热量主要靠气体的扩散运动传给管壁，再由沿管壁外表面流动的冷却液带走。散热效率较低，电流密度和压强不能太大，限制了输出功率。,如果提高气体流动速度(约50ms)使放电管内的热气流流出管外，在管外冷却后再返回放电管，则不再存在放电电流密度的最佳值，,输出功率随放电电流密度线性增加,。,采取纵向放电方式，也可采用横向射频激励。,4横向流动CO2激光器,在横向流动CO2激光器中，通常采用电场与光轴垂直的横向放电方式。,（4）在CO2+N2+He的激光器中加进适量氙气Xe），也能使其增加输出功率。,73eV)和氩离子的激发位能（大于15eV）都很大，必须有比较高的电子温度，才能对激光上能级有效地激发.,应用远不及钕激光器广泛。,氩原子的电离能(15.,纵向电激励、闭合循环横向激励、横向电激励大气压、热或化学激励激光器等。,s，为了获得足够高的泵浦速率，钛宝石激光器大多采用激光泵浦。,7波导CO2激光器,Nd3+离子部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子称为掺钕亿铝石榴石(简称Nd：YAG)。,加入Xe时在保持放电电流不变的情况下，管压降减低2030%，这表明，放电管内等效电阻下降了同样的百分数。,单位长度输出功率可达1KWm以上。13kw的纵向快流CO,2,激光器已广泛用于激光加工。,与大功率的横向流动激光器相比，纵向快流CO,2,激光器中放电电流密度分布的圆对称性较好，具有更好的光束质量。,4横向流动CO,2,激光器,纵向快流CO,2,激光器需要很高气体流速。若使气体流流动方向与光轴垂直，较低的流速就能达到纵向快流同样的冷却效果。,在横向流动CO,2,激光器中，输出功率的电流饱和效应不明显。最佳气体压强高达1.310,4,pa。有利于提高输出功率，但碰撞使电子温度降低，必须在强电场中才能维持足够高的电子温度。,在横向流动CO,2,激光器中，通常采用电场与光轴垂直的横向放电方式。采用横向放电方式的激光器称作TE激光器。,横流激光器中单位长度输出功率可达每米数千瓦，总输出功率已高达1-20kw。,5横向激励大气压CO,2,激光器,高气压横向激励,CO,2,激光器中，压强高导致放电不稳定。常采用脉冲放电激励方式。,快速脉冲放电时放电不稳定，来不及充分发展，因此气体压强可增高至大气压或高于大气压。横向激励大气压激光器,(,简称,TEA,激光器,),单位体积输出能量可高达,2050J,L,，总能量和峰值功率可分别高达,10kJ,和,20Tw,。,6、气动CO,2,激光器,气动,CO,2,激光器采用热泵浦方式。含有,CO,2,的混合气体在容器内燃烧形成高温高压状态由于温度很高，,CO,2,的激光上、下能级均具有较高的集居数密度。,混合气体通过喷管绝热膨胀时气体温度急剧下降，上能级的寿命较下能级长，集居数密度减少的速率较下能级慢，在膨胀区的相当大的范围内可形成集居数反转状态。气动,CO,2,激光器的输出功率可达,80kw,。,7波导CO,2,激光器,波导,CO,2,激光器是一种小型激光器，由,BeO,或玻璃制成的放电管管径,1,-,4mm,。由于放电管管壁对于小角度掠射光的费涅耳反射率很高可在横向尺寸远大于光波波长的空心介质波导中低损耗地传输波导模。,采取纵向放电方式，也可采用横向射频激励。放电孔径小，气体压强可达-,2.5),10,4,Pa,，其单位长度输出功率为,50W,m,。,四、N,2,分子激光器,脉冲放电激励的N2分子激光器输出紫外光，峰值功率可达数十MW，脉宽小于10ns、重复频率数十至数千赫。,用作可调谐染料激光器的泵浦源，光谱分析、检测污染、医学及光化学等,增益高，集居数反转持续时间短，无需谐振腔反馈，输出放大自发辐射。,N,2,能级图,激光跃迁发生在不同电子态的振动能,级之间，可以得到多条谱线，337.7nm激光谱线最强，357.7nm次之，315.9nm谱线最弱。,放电时基态分子与电子碰撞跃迁激发态。上能级的激发比下能级大得多，但上能级的寿命(40ns)比下能级寿命(10,s)小得多，仅在激励起始的很短时间内能形成集居数反转状态，,只能以脉冲方式运转，泵浦放电脉冲宽度必须远小于40ns,。,五、准分子激光器,准分子是一种在激发态结合为分子，在基态离解为原子的,不稳定缔合物,。,采用电子束或快速放电泵浦。加入He、Ne或Ar等缓冲气体，使电子温度下降，以便碰撞时产生更多的激发态粒子，而不产生过多的离子。与缓冲气体分子的碰撞还可促使高振动能级的准分子向低振动能级弛豫,跃迁发生在束缚态和自由态之间。,准分子跃迁到基态后立即解离，,激光下能级总是空的。,跃迁是宽带的可调谐运转。,准分子有异类或同类分子构成，已成功运转的准分子激光器的波长,脉冲输出能量可达,百焦耳,量级峰值功率达数,千兆瓦,以上，平均功率可大于200w，重复频率,1kHz,。,光化学、同位素分离、医学、生物学、光电子及微电子工业等方面获得了广泛应用。,六、染料激光器,激光工作物质,：,溶于适当溶剂中的有机染料,由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽，使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上对应一个准连续能带。,染料激光器有很宽的调谐范围,可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲,可调波长：（330nm1850nm）连续可调,。用于：激光光谱、同位素分离、医学等,处于s,l,态的分子可向T,1,态跃迁，称作系际交叉。,而T1-T2跃迁的吸收波长又恰好与s,1,一s,0,跃迁荧光波长重叠，染料分子在T,1,态集聚不利于激光运转。,s,1,-s,0,受激辐射的增益大于T,1,-T,2,跃迁造成吸收损耗才形成激光振荡。,采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频Nd：YAG激光器532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,连续染料激光器常用氩或氪离子激光,器泵浦源。,泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。采用光栅、棱镜、标准具及双折射滤光片等波长选择元件对染料激光器进行波长调谐。,可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲。若丹明G 6的碰撞锁模染料激光器可产生,约30fs的超短脉冲,，还可压缩仅为6fs的超短光脉冲，,是世界上最窄的光脉冲,。,m）,七、半导体激光器,半导体二极管激光器：体积小、寿命长，采用注入电流方式泵浦。其工作电压和电流与集成电路兼容。,可用高达1GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。,激光振荡模式：光学谐振腔是介质波导腔，振荡模式是介质波导模。,用于：激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距、光雷达。,工作物质：半导体材料，GaAs(砷化镓)、GsAlAs(镓铝砷）,结构：工作物质、谐振腔和激励能源组成。,半导体晶体解理面作为反射镜构成谐振腔,激励能源：电注入、光激励、高能电子束激励和碰撞电离激励等。,热平衡状态下直接带隙半导体的能带结构及电子占据能级的状况,非热平衡状态下直接带隙半导体的能带结构及电子、空穴占据能级的状况,半导体二极管激光器中，电子和空穴都称为载流子，数目是相等的。,电子和空穴的复合,。,导带中的电子和价带中的空穴复合产生受激辐射。,激光上能级的导带中的电子数大于激光下能级的价带中的电子数。,泵浦方式：电流注入P-N结,G,aAs和Ga,l-x,Al,x,m,左右。用于短距离的光纤光通信和固体激光器的泵浦源。,InP和Ga,1-x,In,x,As,1-y,P,y,：波长取决于下标x和下标y，一般为0.92-1.65,m,。最常见的波长是1.3,m,、1.48,m,和1.55,m,光纤对1.55,m,的光的传输损耗小到0.15dBkm。使长距离高速光纤光通信成为可能。,可见光半导体激光器也得到迅速发展，其波长分别为780nm和630-680nm。,双异质结AIGaAs/GaAs激光器的典型结构,m,被两层相反参杂的包围层所夹持。受激辐射的产生与放大就是在GaAs有源区中进行的。,双异质结构重要特点:能有效地把载流子(电子和空穴)约束在有源区内。,正向偏置下双异质结GaAs激光器的导带底和价带顶,双异质结GaAs激光器的折射率及基模光场分布,谢谢观看,谢谢观看,