激光技术导论.pptx

激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术2、1 固体激光器固体激光器 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。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，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用的离子密度一般为10251026m-3，较气体工作物，较气体工作物质高质高3个数量级以上激光上能级的寿命为个数量级以上激光上能级的寿命为(10-410-3s)，因此易于获得大能量输出，进行调，因此易于获得大能量输出，进行调Q可以获可以获得大功率脉冲输出。得大功率脉冲输出。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术一、光泵激励一、光泵激励 光光激激励励又又可可分分为为气气体体放放电电灯灯激激励励和和半半导导体激光器激励两种方式。体激光器激励两种方式。1、气体放电灯激励、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。光器采用氖灯或碘钨灯。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 气体放电灯激励的能量转换环节多，通常气体放电灯激励的能量转换环节多，通常 L约为约为15，激光器的效率较低，常用的，激光器的效率较低，常用的Nd：YAG激光器的效率约为激光器的效率约为13 激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 2半导体激光二极管激励半导体激光二极管激励用用与与工工作作物物质质吸吸收收波波长长相相匹匹配配的的激激光光作作激激励励光光源大大提高激光器效率。源大大提高激光器效率。Nd：YAG宽宽约约30nm的的810nm泵泵浦浦吸吸收收带带中中含含多多条条吸吸收收谱谱线线，809nm的的半半导导体体激激光光二二极极管管输输出出光光泵泵浦浦准准确确地地对对准准此此吸吸收收带带中中带带宽宽约约2nm的的809nm吸收谱线。总效率为吸收谱线。总效率为720。小小型型化化、全全固固态态、长长寿寿命命及及热热效效应应小小等等优优点点。单单个个半半导导体体激激光光器器功功率率已已越越过过1w，半半导导体体激激光光器器列阵功率达数百瓦。列阵功率达数百瓦。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 工工作作物物质质的的泵泵浦浦吸吸收收谱谱线线和和已已有有大大功功率率半半导导体体激激光光器器发发射射波波长长匹匹配配是是构构成成半半导导体体激激光光器器泵泵浦的固体激光器的必要条件。浦的固体激光器的必要条件。适适于于构构成成此此类类激激光光器器的的固固体体工工作作物物质质有有Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：YLF，Tm、Ho：YAG。为为了了使使波波长长准准确确匹匹配配，对对半半导导体体激激光光器器的温度加以控制。的温度加以控制。二、红宝石激光器二、红宝石激光器激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 红宝石是掺有少量红宝石是掺有少量Cr2O3(质量比约为质量比约为0.05)的的A1203晶体。晶体。红宝石激光器属三能级系统，具有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较高的泵浦能量阈值，所以通常只能以脉冲方式运转。运转。调制红宝石激光器输出巨调制红宝石激光器输出巨脉冲峰值功率可达脉冲峰值功率可达1050 MW，脉宽为，脉宽为1020ns；锁模红宝石激光器；锁模红宝石激光器输出超短光脉冲的峰值功率输出超短光脉冲的峰值功率109w量级，脉宽达量级，脉宽达10ps；应应用用远远不不及及钕钕激激光光器器广广泛泛。在在动动态态全全息息、医医学学等方面仍有应用价值等方面仍有应用价值 激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 三、钕激光器三、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。的激光器。Nd3+离子部分取代离子部分取代Y3Al5O12晶体中晶体中Y3+离子称为掺钕亿铝石榴石离子称为掺钕亿铝石榴石(简称简称Nd：YAG)。属四属四能级系统，量子效率高、受激辐射截面大，阈值比能级系统，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，易红宝石和钕玻璃激光器小得多，有高的热导率，易于散热。于散热。可以单脉冲运转，用于高重复率或连续运转，可以单脉冲运转，用于高重复率或连续运转，NdNd：YAGYAG连续激光器的最大输出功率超过连续激光器的最大输出功率超过1000w1000w，每秒，每秒50005000次的激光器的输出峰值功为数千瓦，每秒几十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次重复频率的调Q Q激光器的峰值功率达几百兆瓦。激光器的峰值功率达几百兆瓦。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 钕钕玻玻璃璃是是在在硅硅酸酸盐盐或或磷磷酸酸盐盐玻玻璃璃中中掺掺入入适适量量的的Nd2O3制制成成的的。Nd3+离离子子的的能能级级结结构构与与Nd：YAG基基本本相相同同，只只是是能能级级的的宽宽度度和和能能量量有有些些差差异异，泵泵浦浦吸吸收收带带稍稍宽宽，荧荧光光寿寿命命较较长长(0.60.9ms)，荧荧光光线线宽宽(250cm-1)，量量子子效效率率较较低低(0.30.7)，受受激激辐辐射射截截面面约约为为Nd：YAG的的130。激激射射波波长长为为1060nm，选模时可产生，选模时可产生1370nm激光。激光。钕钕玻玻璃璃的的荧荧光光寿寿命命长长，易易于于积积累累高高能能级级粒粒子子。容容易易制制成成光光学学均均匀匀性性优优良良的的大大尺尺寸寸材材料料，可可用用于于大大能量大功率激光器。能量大功率激光器。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 输出能量已达上万焦耳。荧光线宽较宽，适于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制成锁模器件，钕玻璃锁模激光器可产生脉宽小于小于1ps的超短光脉冲。钕玻璃的热导率低，振的超短光脉冲。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荡阈值又较高，因此不宜用于连续和高重复率运转。运转。已实现激光运转的掺已实现激光运转的掺Nd3+晶体达晶体达140多种多种四、钛宝石激光器四、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，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宽的波长范围内(6601180nm)连续可调。连续可调。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 钛钛宝宝石石的的激激光光跃跃迁迁上上能能级级寿寿命命仅仅为为 3.8 s，为为了了获获得得足足够够高高的的泵泵浦浦速速率率，钛钛宝宝石石激激光光器器大大多多采采用用激激光光泵浦。泵浦。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术2.2气体激光器气体激光器 气体激光器是以气体或蒸气为工作物质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，方向性的高斯光束，方向性好。气体工作物质的好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光的单色性好。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，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因此气体激光器的体积比较大激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 气气体体工工作作物物质质吸吸收收谱谱线线宽宽度度小小，不不采采用用光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式 在在放放电电过过程程中中，受受电电场场加加速速而而获获得得了了足足够够动动能能的的电电子子与与粒粒子子碰碰撞撞时时，将将粒粒子子激激发发到到高高能能态态，因因而而在在其其一一对对能能级级间间形形成成了了集集居居数数反反转转分分布布。除除了了气气体体放放电电泵泵浦浦外外，气气体体激激光光器器还还可可采采用用化化学学泵泵浦浦、热热泵泵浦浦及及核核泵浦等方式。泵浦等方式。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 一、一、He-Ne激光器激光器 激光谱线最强的是激光谱线最强的是632.8nm、1.15 m和和3.39 m三条谱线。三条谱线。放电管长数十厘米的放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功激光器输出功率为毫瓦量级，长率为毫瓦量级，长1-2m的激光器输出功率可的激光器输出功率可达数十毫瓦。达数十毫瓦。结构简单、体积较小、价格低廉，在准直、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、等方面得到定位、全息、测量、精密计量、等方面得到了广泛应用。了广泛应用。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 1激励机制激励机制 充有氦氖混合气的毛细管放电使充有氦氖混合气的毛细管放电使Ne原子一原子一对或几对能级间形成集居数反转。对或几对能级间形成集居数反转。混合气体中混合气体中He的含量数倍于的含量数倍于Ne，但激光，但激光跃迁只发生于跃迁只发生于Ne原子的能级间原子的能级间,辅助气体辅助气体He的作用是提高泵浦效率。的作用是提高泵浦效率。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 2 谱线竞争谱线竞争 激激光光谱谱线线(632.8nm、1.15 m和和3.39 m)中中哪哪一一条条起起振振完完全全取取决决于于谐谐振振腔腔介介质质膜膜反反射镜的波长选择。射镜的波长选择。增增益益系系数数与与波波长长的的二二次次方方成成正正比比，3.39 m谱谱线线的的增增益益系系数数远远大大于于632.8nm谱谱线线，较较长长的的632.8nmHe-Ne激激光光器器中中，会会产产生生较较强强的的3.39 m 放放大大的的自自发发辐辐射射或或激激光，导致光，导致632.8nm激光功率下降。激光功率下降。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术抑制抑制3.39 m 辐射产生的方法：辐射产生的方法：腔内棱镜色散使腔内棱镜色散使3.39 m 激光不能起振；激光不能起振；腔内插入对腔内插入对3.39 m波长的光吸收元件；波长的光吸收元件；借助轴向非均匀磁场使借助轴向非均匀磁场使3.39 m 谱线线宽谱线线宽增加，从而使其增益下降增加，从而使其增益下降 激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术3、放电参数对输出功率的影响、放电参数对输出功率的影响 工工作作物物质质尺尺寸寸、谐谐振振腔腔损损耗耗和和输输出出耦耦合合会会影影响响输出功率。输出功率。放放电电电电流流及及气气体体压压强强等等放放电电参参数数也也会会影影响响增增益系数，从而影响输出功率。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的增加单调地上升，存在使输出功率最大的最佳放电电流，佳放电电流，在放电管中，不仅存在激发过在放电管中，不仅存在激发过程，还存在着消激发过程程，还存在着消激发过程 激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 输输出出功功率率与与充充气气压压强强p有有关关。若若放放电电毛毛细细管管的的直直径径为为d，存存在在一一个个使使输输出出功功率率最最大大的的Pd值值，约为约为(4.8-5.3)102Pamm。原原因因：压压强强的的下下降降使使电电子子与与原原子子的的碰碰撞撞减减少少，从从而而导导致致电电子子温温度度(平平均均动动能能)上上升升，激激发发速速率率升升高高；毛毛细细管管管管径径的的减减小小则则使使电电子子和和离离子子的的管管壁壁复复合合加加剧剧，为为维维持持放放电电电电流流不不变变必必须须加加大大电电场场，由由此造成的电子温度升高有利于激发。此造成的电子温度升高有利于激发。Pd值值过过低低又又会会因因He-Ne原原子子数数量量过过少少而而使使输输出出功率减少。功率减少。He-Ne气的比例也会影响输出功率。气的比例也会影响输出功率。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术二、氩离子激光器二、氩离子激光器 中性中性Ar原子的电子组态为原子的电子组态为3P6。放电过。放电过程中，程中，Ar原子与快速电子碰撞后电离形成原子与快速电子碰撞后电离形成基态氩离子，其电子组态为基态氩离子，其电子组态为3P5。发生电子。发生电子组态组态3P44P和和3P44s之间的跃迁。之间的跃迁。不同组态对应若干子能级，连续工作不同组态对应若干子能级，连续工作氩氩离子激光器可产生离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线，以条蓝绿激光谱线，以488nm和和514.5nm谱线最强。腔内插入棱镜谱线最强。腔内插入棱镜等色散元件，可以获得单谱线激光。等色散元件，可以获得单谱线激光。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术氩原子的电离能氩原子的电离能(15.73eV)和氩离子的激发位能和氩离子的激发位能（大于（大于15eV）都很大，必须有比较高的电子温度，）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（约为此使放电管内的气压降低（约0.8托以下），并托以下），并且要提高放电管的电子密度，采用低电压大电流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。有十分不同的结构特点和工作特点。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 三、三、CO2激光器激光器 输输出出功功率率大大，能能量量转转换换效效率率高高，输输出出波波长长(10.6 m)正正好好处处于于大大气气窗窗口口。广广泛泛用用于于激激光光加加工工、医疗、大气通信及其他军事应用。医疗、大气通信及其他军事应用。以以CO2、N2和和He的的混混合合气气体体为为工工作作物物质质。跃跃迁迁发发生生在在CO2分分子子的的电电子子基基态态两两个个振振动动-转转动动能能级级之之间间。N2提提高高上上能能级级的的激激励励效效率率，He有有助助于于下下能能级级的抽空。的抽空。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术分子总能量分子总能量：电子绕核运动的能量电子绕核运动的能量分子分子中原子的振动能量中原子的振动能量分子的转动能量分子的转动能量平动能平动能量。前三种能量都是量子化的。相邻电子、振量。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动及转动能级间能量差比例104：102：1。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术二氧化碳激光器的结构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。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。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金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜,输出镜是输出镜是由锗单晶制成的平行平面镜，因为它对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。的光吸收系数很小。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术纯二氧化碳激光器的输出功率很低，仅毫瓦量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级，在二氧化碳气体中加入N2，He，Xe，H2O（或（或H2）等辅助气体后，可使激光输出大）等辅助气体后，可使激光输出大大增强大增强.增强激光工作物质的受激辐射过程的两个途径：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，或使下能级迅使激励到上能级的粒子数增多，或使下能级迅速抽空速抽空.(1)N2分子气体是分子气体是CO2激光器中使用的主要辅助激光器中使用的主要辅助气体。气体。N2和和CO2按适当比例混合后，能使输出按适当比例混合后，能使输出功率提高一倍以上。功率提高一倍以上。N2的作用主要是增加激的作用主要是增加激发到激光跃迁上能级的粒子数发到激光跃迁上能级的粒子数。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术l(2)在在CO2+N2的激光器中，加入氦气可以使激的激光器中，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。的热导率约高一个数量级。l加入氦后，能提高放电管内热量向管壁传递的加入氦后，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。速率，使管内工作气体的温度明显下降。有利有利于激光下能级的抽空于激光下能级的抽空，因而可增大激光跃迁，因而可增大激光跃迁能级间的粒子数分布的反转程度，增加激光输能级间的粒子数分布的反转程度，增加激光输出功率。出功率。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术（3）在）在CO2+N2+He的激光器中，加入适量的的激光器中，加入适量的水蒸汽（水蒸汽（H2O），也可使激光输出功率显著地），也可使激光输出功率显著地增加。增加。水蒸气的作用：水蒸气的作用：H2O分子的弯曲振动的第一个分子的弯曲振动的第一个激发能级很接近激发能级很接近CO2分子的分子的10o0能级（比基态能级（比基态高高1388cm-1），与），与10o0态的态的CO2分子碰撞几率分子碰撞几率很大，可是很大，可是CO2分子分子“抽空抽空”到基态。到基态。如果靠如果靠CO2分子间的碰撞来分子间的碰撞来“抽空抽空”，则需碰，则需碰撞几万次，适量撞几万次，适量H2O分子的存在，有利于分子的存在，有利于CO2分子激光跃迁能级粒子数反转和激光输出的增分子激光跃迁能级粒子数反转和激光输出的增强。强。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术（4）在）在CO2+N2+He的激光器中加进适量氙气的激光器中加进适量氙气Xe），也能使其增加输出功率。），也能使其增加输出功率。加入加入Xe时在保持放电电流不变的情况下，管压降时在保持放电电流不变的情况下，管压降减低减低2030%，这表明，放电管内等效电阻下降了，这表明，放电管内等效电阻下降了同样的百分数。同样的百分数。Xe的电离电位较低（约的电离电位较低（约12.1eV），在气体放电时，），在气体放电时，Xe气容易电离，气容易电离，Xe气的加入，增加激光管内工作气的加入，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，更有利于激励子增加，更有利于激励CO2分子的分子的00o1能级和能级和N2分子的分子的V=1能级，从而增加激光输出功率。能级，从而增加激光输出功率。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术由于高能量的电子减少，减少了由于高能量的电子减少，减少了CO2分子分解分子分解的可能性，氙气加入，还可使的可能性，氙气加入，还可使CO2激光器延长激光器延长寿命。寿命。在在CO2激光器里加入氢气（激光器里加入氢气（H2）、一氧化碳）、一氧化碳（CO）和氧气（）和氧气（O2）延长激光器的寿命。）延长激光器的寿命。在二氧化碳激光器，除在二氧化碳激光器，除CO2分子本身外，分子本身外，还应选择适当的各种辅助气体，以增强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。激光振荡的受激辐射过程。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 饱和光强与激光上、下能级寿命有关，饱和光强与激光上、下能级寿命有关，而而CO2能级寿命与激光器中的放电电流密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。度、气体温度、气体总压强和成分有关。饱和光强饱和光强Is与激光器的工作条件有关与激光器的工作条件有关。例如封离型例如封离型CO2激光器的饱和光强一般激光器的饱和光强一般在在22100Wcm2之间，而横向流动激光之间，而横向流动激光器的饱和光强可高达器的饱和光强可高达250Wcm2。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 CO2激光器的谐振腔大多采用平凹腔，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。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式或由可透过红外光的Ge、GaAs等材料等材料制成输出窗。制成输出窗。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 1、纵向慢流、纵向慢流CO2激光器激光器 气体从放电管一端流入，另一端抽走，气流、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。气流目的排除电流和光轴方向一致。气流目的排除CO2与电子与电子碰撞时分解的碰撞时分解的CO2气，补充新鲜气体。气，补充新鲜气体。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 放电电流密度和气体压强均有最佳值。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。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。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的输出功率约为50-60Wm。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 2、封离型、封离型CO2激光器激光器 放放电电过过程程中中，部部分分CO2分分子子分分解解为为CO和和O，如如不不抽抽去去陈陈气气，补补充充新新鲜鲜气气体体，则则CO2含含量量减减少少，CO含量增多，将导致输出功率下降。含量增多，将导致输出功率下降。加加入入催催化化剂剂促促使使O和和CO更更新新结结合合为为CO2，并并选选用用不不与与O2气气作作用用的的阴阴极极材材料料料料以以保保证证激激光光器器中中有有足足够够的的氧氧气气和和CO重重新新结结合合。加加入入少少量量H2O或或H2作作催催化化剂剂。封封离离型型激激光光器器的的结结构构和和输输出出功功率率的的水水平平和和纵纵向向慢慢流流激激光光器器相相似似，寿寿命命巳巳超超过过数数千千小小时时至至一万小时。一万小时。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 3纵向快流纵向快流CO2激光器激光器热热量量主主要要靠靠气气体体的的扩扩散散运运动动传传给给管管壁壁，再再由由沿沿管管壁壁外外表表面面流流动动的的冷冷却却液液带带走走。散散热热效效率率较较低低，电电流流密密度度和和压压强强不不能能太太大大，限限制制了了输输出功率。出功率。如如果果提提高高气气体体流流动动速速度度(约约50ms)使使放放电电管管内内的的热热气气流流流流出出管管外外，在在管管外外冷冷却却后后再再返返回回放放电电管管，则则不不再再存存在在放放电电电电流流密密度度的的最最佳佳值，值，输出功率随放电电流密度线性增加输出功率随放电电流密度线性增加。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 单位长度输出功率可达单位长度输出功率可达1KWm以上。以上。13kw的纵向快流的纵向快流CO2 激光器已广泛用于激激光器已广泛用于激光加工。光加工。与大功率的横向流动激光器相比，纵向快与大功率的横向流动激光器相比，纵向快流流CO2激光器中放电电流密度分布的圆对称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。性较好，具有更好的光束质量。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术4横向流动横向流动CO2激光器激光器 纵纵向向快快流流CO2激激光光器器需需要要很很高高气气体体流流速速。若若使使气气体体流流流流动动方方向向与与光光轴轴垂垂直直，较较低低的的流流速速就能达到纵向快流同样的冷却效果。就能达到纵向快流同样的冷却效果。在在横横向向流流动动CO2激激光光器器中中，输输出出功功率率的的电电流流饱饱和和效效应应不不明明显显。最最佳佳气气体体压压强强高高达达1.3104pa。有有利利于于提提高高输输出出功功率率，但但碰碰撞撞使使电电子子温温度度降降低低，必必须须在在强强电电场场中中才才能能维维持持足足够够高高的的电电子子温温度。度。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 在横向流动在横向流动CO2激光器中，通常采用电场与光激光器中，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轴垂直的横向放电方式。采用横向放电方式的激光器称作激光器称作TE激光器。激光器。横流激光器中单位长度输出功率可达每米数千横流激光器中单位长度输出功率可达每米数千瓦，总输出功率已高达瓦，总输出功率已高达1-20kw。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 5横向激励大气压横向激励大气压CO2激光器激光器 高气压横向激励高气压横向激励CO2激光器中，压强高导致激光器中，压强高导致放电不稳定。常采用脉冲放电激励方式。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压。横向激励大气压激光器(简称简称TEA激光器激光器)单位体积输出能量可高达单位体积输出能量可高达2050JL，总能量，总能量和峰值功率可分别高达和峰值功率可分别高达10kJ和和20Tw。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术6、气动、气动CO2激光器激光器 气动气动CO2激光器采用热泵浦方式。含有激光器采用热泵浦方式。含有CO2的的混合气体在容器内燃烧形成高温高压状态由混合气体在容器内燃烧形成高温高压状态由于温度很高，于温度很高，CO2的激光上、下能级均具有较的激光上、下能级均具有较高的集居数密度。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。气动范围内可形成集居数反转状态。气动CO2激光激光器的输出功率可达器的输出功率可达80kw。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 7波导波导CO2激光器激光器 波导波导CO2激光器是一种小型激光器，由激光器是一种小型激光器，由BeO或或玻璃制成的放电管管径玻璃制成的放电管管径1-4mm。由于放电管管壁。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。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，气体压强可达电孔径小，气体压强可达(1.5-2.5)104Pa，其单，其单位长度输出功率为位长度输出功率为50Wm。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术四、四、N2分子激光器分子激光器 脉脉冲冲放放电电激激励励的的N2分分子子激激光光器器输输出出紫紫外外光光，峰峰值值功功率率可可达达数数十十MW，脉脉宽宽小小于于10ns、重重复复频频率率数十至数千赫。数十至数千赫。用用作作可可调调谐谐染染料料激激光光器器的的泵泵浦浦源源，光光谱谱分分析析、检测污染、医学及光化学等检测污染、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。反馈，输出放大自发辐射。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术N2能能级级图图激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 激光跃迁发生在不同电子态的振动能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，级之间，可以得到多条谱线，337.7nm激激光谱线最强，光谱线最强，357.7nm次之，次之，315.9nm谱线谱线最弱。最弱。放电时基态分子与电子碰撞跃迁激发态。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，但上能级上能级的激发比下能级大得多，但上能级的寿命的寿命(40ns)比下能级寿命比下能级寿命(10s)小得多，小得多，仅在激励起始的很短时间内能形成集居数仅在激励起始的很短时间内能形成集居数反转状态，反转状态，只能以脉冲方式运转，泵浦只能以脉冲方式运转，泵浦放电脉冲宽度必须远小于放电脉冲宽度必须远小于40ns。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术五、准分子激光器五、准分子激光器 准准分分子子是是一一种种在在激激发发态态结结合合为为分分子子，在在基态离解为原子的基态离解为原子的不稳定缔合物不稳定缔合物。采采用用电电子子束束或或快快速速放放电电泵泵浦浦。加加入入He、Ne或或Ar等等缓缓冲冲气气体体，使使电电子子温温度度下下降降，以以便便碰碰撞撞时时产产生生更更多多的的激激发发态态粒粒子子，而而不不产产生生过过多多的的离离子子。与与缓缓冲冲气气体体分分子子的的碰碰撞撞还还可可促促使使高高振振动动能能级级的的准准分分子子向向低低振振动动能能级弛豫级弛豫激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术跃迁发生在束跃迁发生在束缚态和自由态缚态和自由态之间。之间。准分子跃迁到准分子跃迁到基态后立即解基态后立即解离，离，激光下能激光下能级总是空的。级总是空的。跃迁是宽带的跃迁是宽带的可调谐运转。可调谐运转。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术准分子有异类或同类分子构成，已成功运转的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准分子激光器的波长激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 脉冲输出能量可达脉冲输出能量可达百焦耳百焦耳量级峰值量级峰值功率达数功率达数千兆瓦千兆瓦以上，平均功率可大于以上，平均功率可大于200w，重复频率，重复频率1kHz。光化学、同位素分离、医学、生物学、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光电子及微电子工业等方面获得了广泛应用。应用。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术六、染料激光器六、染料激光器激光工作物质激光工作物质：溶于适当溶剂中的有机染料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。每个电子态实际上对应一个准连续能带。染料染料激光器有很宽的调谐范围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从锁模染料激光器得到很窄的脉冲 可调波长：（可调波长：（330nm1850nm）连续可）连续可调调。用于：激光光谱、同位素分离、医学等。用于：激光光谱、同位素分离、医学等激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术处于处于sl态的分子可态的分子可向向T1态跃迁，称态跃迁，称作系际交叉。作系际交叉。而而T1-T2跃迁的吸跃迁的吸收波长又恰好与收波长又恰好与s1一一s0跃迁荧光波长跃迁荧光波长重叠，染料分子重叠，染料分子在在T1态集聚不利态集聚不利于激光运转。于激光运转。s1-s0受激辐射的增受激辐射的增益大于益大于T1-T2跃迁跃迁造成吸收损耗才造成吸收损耗才形成激光振荡。形成激光振荡。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 采用闪光灯、采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激分子激光器、准分子激光器或倍频光器或倍频Nd：YAG激光器激光器532nm激光激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源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连续染料激光器常用氩或氪离子激光器泵浦源。器泵浦源。泵浦光的波长必须小于染料激光器的输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。激光器进行波长调谐。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲。可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲。若丹明若丹明G 6的碰撞锁模染料激光器可产生的碰撞锁模染料激光器可产生约约30fs的超短脉冲的超短脉冲，还可压缩仅为，还可压缩仅为6fs的的超短光脉冲，超短光脉冲，是世界上最窄的光脉冲是世界上最窄的光脉冲。波长可调范围（波长可调范围（330nm-1.85m）激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 七、半导体激光器七、半导体激光器 半导体二极管激光器：体积小、寿命长，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。与集成电路兼容。可用高达可用高达1GHz的频率直接进行电流调制以的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。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，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。振荡模式是介质波导模。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术用于：激光通信、光存储、光陀螺、激光打用于：激