激光原理与应用讲资料.pptx

激光原理与应用激光原理与应用本章主要内容：本章主要内容：1.固固 体体 激激 光光 器器2.气气 体体 激激 光光 器器3.染染 料料 激激 光光 器器4.半半 导导 体体 机机 光光 器器5.其其 他他 激激 光光 器器5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。图5-1 固体激光器的基本结构示意图固体激光器的特点：固体激光器的特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达几十太瓦），结构紧凑牢固。5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质2.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体,它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，如图5-2所示。图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石激光器属于典型的三能级系统，如图5-3所示。红宝石激光器荧光谱线为R1线（694.3nm）和R2（692.9nm）线，由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以红宝石激光器的激光输出为694.3nm。图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG)工作物质：将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色；它的激活粒子是钕离子(Nd3)，吸收光谱如图(5-4)所示。图(5-4)Nd3:YAG 晶体的吸收光谱YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示，属于四能级系统。YAG 激光器的两条荧光谱线中心波长分别为1.35m和1.06 m，后者强度约为前者的 4倍，因此激光输出为1.064 m。图(5-5)Nd3:YAG 的能级结构5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器 图(5-7)半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比主要优点包括：能量转换效率高、产生的无功热量小、寿命长、结构简单、使用方便等。半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)所示。调谐波长：调谐波长：700-900nm700-900nm5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器2.可调谐固体激光器 实现激光器调谐基本要素：工作物质能够提供较宽的连续或准连续荧光光谱带，在谐振腔内插入适当的调谐器件。可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器3.高功率固体激光器 高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。图(5-8)板条形固体激光器结构示意图小结：小结：固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固。固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固。红宝石激光器输出的典型波长：红宝石激光器输出的典型波长：694.3nm。YAG激光器激光器输出的典型波长：输出的典型波长：1064nm。5.2.1 5.2.1 氦氦-氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器1.He-Ne激光器的结构图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。气体激光器的特点是：气体激光器的特点是：输出光束的质量好（包括：单色性、相干性、光束方向和稳定性）。亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图2.He-Ne激光器的激发机理 其激光谱线主要有三条:3S2P 632.8nm2S2P 1.15m3S3P 3.39m 5.2.1 5.2.1 氦氦-氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器图(5-10)是与产生激光有关的He原子核Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。其他谱线还包括黄光和橙光。He-Ne 激光管的工作原理激光管的工作原理 由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比 Ne 原子被激发的概率大。He 的23S，21S这两个能级都是亚稳态，集聚了较多的原子。由于Ne的 5S 和 4S与 He的 21S和 23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”；He 把能量传递给Ne而回到基态，而 Ne则被激发到 5S 或 4S态。正好Ne的5S，4S也是亚稳态，下能级 4P，3P 的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数数 放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 S态的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态。这样可及时减少3S态的Ne原子数，有利于Ne原子的下能级4P与3P态的“抽空”。Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:0.6328 1.15 m3.39 它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。3.He-Ne激光器的输出特性(1)谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。5.2.1 5.2.1 氦氦-氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器图(5-x)多层介质膜反射镜(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图(5-11)是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线：图(5-11)输出功率与放电电流的关系曲线在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流；存在最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件；若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值；在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。1.CO2激光器的结构和激发过程 图(5-12)封离式CO2激光器结构示意图5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。图(5-13)与产生激光有关的CO2分子能级图2.CO2激光器的输出特性 相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2 激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。CO2激光器的转换效率是很高，最高接近40。其激光谱线主要有两条:00010200 9.6 m00011000 10.6m5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器5.2.3 Ar5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器1.Ar激光器的结构 Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构。图(5-14)分段石墨结构Ar+激光器示意图5.2.3 Ar5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器2.Ar激光器的激发机理 Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示 图(5-15)与产生激光有关的Ar+的能级结构Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流：波长 阈值电流488.0nm 4.5A514.5nm 7A476.5nm 8A496.5nm 9A501.7nm 12A472.7nm 14AAr激光器中通常需要加入选频元件来实现单一频率输出小结：小结：气体激光器的特点是：输出光束的质量好。气体激光器的特点是：输出光束的质量好。He-Ne激光器输出的典型波长：激光器输出的典型波长：632.8nm。CO2激光器激光器输出的典型波长：输出的典型波长：9.6 m 和和10.6m。Ar+激光器激光器输出的典型波长：输出的典型波长：488nm，514.5nm。5.3.1 5.3.1 染料激光器的激发机理染料激光器的激发机理染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。需要避免 三重态“陷阱”效应图(5-17)染料分子能级图图(5-18)染料的吸收-荧光光谱图染料激光器的特点是：染料激光器的特点是：波长调谐范围宽，输出功率较大，光束质量较好。5.3.2 5.3.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦1.闪光灯脉冲泵浦 2.激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器，红宝石激光器，钕玻璃激光器，铜蒸气激光器，准分子激光器，以及这些激光的二次、三次谐波等。图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。图(5-19)三镜腔式染料激光器5.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐1.光栅调谐 图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，光栅G具有扩束和色散作用。图(5-20)光栅-反射镜调谐腔图(5-21)棱镜调谐腔5.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐2.棱镜调谐 图(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，棱镜是一种色散元件。5.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐3.双折射滤光片调谐 利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的Ar激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(522)给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。图(5-22)典型染料激光器原理示意图小结：小结：染料激光器的特点是：波长调谐范围宽，输出功率较大，光束质量较好。染料激光器的特点是：波长调谐范围宽，输出功率较大，光束质量较好。5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件1.纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。图(5-24)本征半导体的能带半导体激光器的特点是：半导体激光器的特点是：结构简单、体积小、效率高、价格便宜。5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系,图(5-25)给出了温度极低时的情况。图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系2.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为 5.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转未加电场时，电子和空穴的扩散与漂移作用使得的费米能级达到同一水平，如图(5-26)。图(5-26)PN能带在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级 和 ，称为准费米能级，如图(5-27)。图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构图(5-28)GaAs激光器的结构5.4.3 5.4.3 半导体激光器的基本结构和光束特点半导体激光器的基本结构和光束特点图(5-28)显示了GaAs激光器的结构。图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。图(5-30)激光束的空间分布示意图 小结：小结：半导体激光器的特点是：结构简单、体积小、效率高、价格便宜。半导体激光器的特点是：结构简单、体积小、效率高、价格便宜。1.准分子激光器中，准分子从激发态向基态的跃迁可以说是从束缚态向自由态（弱束缚态或排斥态）的跃迁。图(5-33)准分子的能级结构2.自由电子激光器中，运动速度接近光速的电子通过周期性变化的磁场或电场时会产生相干辐射。3.化学激光器中，工作物质本身化学反应释放的能量成为激发能。