1、激光原理 與 技術(shù)主講教師主講教師: 崔小虹崔小虹 辦公電話：辦公電話：68918817/68918445e-mail:第第3章章 典型激光器典型激光器3.1 概述概述3.2 氣體激光器氣體激光器3.3 固體激光器固體激光器3.4 染料激光器染料激光器(簡介簡介) 補充介紹：陶瓷激光器補充介紹：陶瓷激光器由激光警示標志聯(lián)想到？1、激光器內(nèi)部：激光產(chǎn)生的必要及充分條件？對激光器的基本要求基本組成部分）？2、激光器外部：激光束具有哪些特性？特性之間的關(guān)系？如何通過激光單元技術(shù)，獲得更優(yōu)質(zhì)的激光束？激光的主要應用領(lǐng)域？每章小結(jié)|習題與思考題 3.1 概述3.1 .1激光器的基

2、本結(jié)構(gòu)及其泵浦方式一、激光器的基本結(jié)構(gòu)二、激光器的泵浦方式3.1.2激光器的分類及其主要輸出特性 一、按工作物質(zhì)劃分二、按工作方式劃分三、各類激光器的主要輸出特點性1960年年世界上第一臺紅寶石激光器誕生。世界上第一臺紅寶石激光器誕生。 梅曼和世界上第一臺梅曼和世界上第一臺 紅寶石激光器紅寶石激光器 圖圖3.13.1世界上第一臺紅寶石激光器基本結(jié)構(gòu)世界上第一臺紅寶石激光器基本結(jié)構(gòu) （a a結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 （b b外形圖外形圖1961年年8月月我國研制的第一臺激光器我國研制的第一臺激光器誕生于中國科學院長春光機所。誕生于中國科學院長春光機所。設計師：設計師：王之江研究員王之江研究員我國第一臺激光器

3、名稱：我國第一臺激光器名稱：小球照明紅寶石激光器小球照明紅寶石激光器球形照明紅寶石激光器球形照明紅寶石激光器我國第一臺激光器我國第一臺激光器比世界上第一臺激光器比世界上第一臺激光器在結(jié)構(gòu)和性能上又前進了一大步！在結(jié)構(gòu)和性能上又前進了一大步！主要表現(xiàn)在：主要表現(xiàn)在：1、氙燈為直管式，而非螺旋形；、氙燈為直管式，而非螺旋形；2、紅寶石棒與氙燈并排放在球形、紅寶石棒與氙燈并排放在球形聚光器的球心附近。聚光器的球心附近。上述結(jié)構(gòu)可以獲得更高的泵浦效率，上述結(jié)構(gòu)可以獲得更高的泵浦效率，至今固體激光器還大都采用這種結(jié)構(gòu)至今固體激光器還大都采用這種結(jié)構(gòu)3.1.1 激光器的基本結(jié)構(gòu)及其泵浦方式一、激光器的基本

4、組成部分三部分三部分: : 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 泵浦系統(tǒng)泵浦系統(tǒng) 諧振腔諧振腔結(jié)合圖3.2激光器的基本結(jié)構(gòu)，請同學們 進一步思考并回答前面提出的5個問題！圖3.2激光器的基本結(jié)構(gòu) 工作物質(zhì)工作物質(zhì): : 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), ,產(chǎn)生光的受激輻射產(chǎn)生光的受激輻射 放大作用放大作用; ;泵浦系統(tǒng)泵浦系統(tǒng): : 為實現(xiàn)工作物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提為實現(xiàn)工作物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提 供所需的外界能量供所需的外界能量; ;諧振腔諧振腔 : (1) : (1) 為建立激光振蕩提供正反饋為建立激光振蕩提供正反饋; ; (2) (2) 諧振腔的參數(shù)影響輸出激光諧振腔的參數(shù)影響輸出激光 束的質(zhì)量束的質(zhì)量選模作用

5、。選模作用。 二、激光器的主要泵浦方式工作物質(zhì)類型不同工作物質(zhì)類型不同, ,采用的泵浦方式亦不同。采用的泵浦方式亦不同。一般采用氣體放電激勵方式。一般采用氣體放電激勵方式。氣體放電：氣體放電： 脈沖放電脈沖放電 射頻放電等方式射頻放電等方式 直流連續(xù)放電直流連續(xù)放電 輝光放電輝光放電:He-Ne:He-Ne激光器激光器 CO2CO2激光器激光器 弧光放電弧光放電:Ar+:Ar+激光器激光器多采用光泵浦方式。多采用光泵浦方式。 光泵浦：惰性氣體放電燈泵浦：氙燈光泵浦：惰性氣體放電燈泵浦：氙燈, ,氪燈；氪燈； 激光泵浦：半導體激光二極管泵浦激光泵浦：半導體激光二極管泵浦LDLD）；）； N2N2

6、激光激光,YAG,YAG倍頻光倍頻光, ,準分子激光泵浦準分子激光泵浦 日光泵浦日光泵浦 采用注入電流方式泵浦。采用注入電流方式泵浦。主要采用光泵浦：主要采用光泵浦： 激光泵浦激光泵浦 閃光燈泵浦閃光燈泵浦化學能激勵。化學能激勵。為促成工作物質(zhì)的化學反應為促成工作物質(zhì)的化學反應, ,一般需采用一些引發(fā)措施一般需采用一些引發(fā)措施, ,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學引發(fā)等。如光引發(fā)、電引發(fā)、化學引發(fā)等。主要采用磁場泵浦方式主要采用磁場泵浦方式 X X射線激光器射線激光器: : 光泵浦光泵浦, ,有有2 2種種X X射線泵浦源射線泵浦源; ; 光參量振蕩器光參量振蕩器: : 激光泵浦激光泵浦; ; 光纖激光

7、器光纖激光器: : 半導體激光二極管泵浦。半導體激光二極管泵浦。 3.1.2 激光器的分類及其主要輸出特性激光器的分類及其主要輸出特性一、一、 按工作物質(zhì)劃分按工作物質(zhì)劃分典型器件典型器件 原子激光器：原子激光器：He-Ne激光器；激光器； 分子激光器：分子激光器：CO2激光器激光器,N2激光器；激光器； 離子激光器：離子激光器：Ar+激光器激光器,Cd+激光器激光器 準分子：準分子：XeF*激光器激光器,KrF*激光器。激光器。工作物質(zhì)工作物質(zhì) 氣體或金屬蒸氣。又可分為四類：氣體或金屬蒸氣。又可分為四類： 類型類型工作物工作物質(zhì)質(zhì)1.1.原子原子 激光器激光器未電離的未電離的原子原子惰性氣體

8、：惰性氣體：He,Ne,Ar,Kr,Xe,Cl,Br金屬蒸氣：金屬蒸氣：Cd蒸氣，Cu蒸氣,Mn蒸氣等金屬原子蒸氣2.2.分子分子激光器激光器未電離的未電離的氣體分子氣體分子常用氣體：常用氣體：CO2,N2,CO,N2O等 類型類型 工作物工作物質(zhì)質(zhì)3.3.離子離子激光器激光器電離后的電離后的氣體離子氣體離子惰性氣體離子惰性氣體離子金屬蒸氣金屬蒸氣4.4.準分準分子激光子激光器器準分子氣準分子氣體體在基態(tài)下離解為原子，在在基態(tài)下離解為原子，在激發(fā)態(tài)下能夠暫時結(jié)合成激發(fā)態(tài)下能夠暫時結(jié)合成不穩(wěn)定的分子，叫做受激不穩(wěn)定的分子，叫做受激準分子，簡稱準分子準分子，簡稱準分子典型器件典型器件 紅寶石激光器

9、紅寶石激光器 Nd3+:YAGNd3+:YAG激光器激光器 釹玻璃激光器釹玻璃激光器 鈦寶石激光器鈦寶石激光器工作物質(zhì)工作物質(zhì) 固體基質(zhì)材料中固體基質(zhì)材料中+ +少量少量 金屬離子金屬離子Cr3+,Nd3+Cr3+,Nd3+等）等）工作物質(zhì)工作物質(zhì) 半導體材料，主要有以下三類半導體材料，主要有以下三類: A-A族族 化合物半導體化合物半導體(GaAs,InP等等) B-A族族 化合物半導體化合物半導體(CdS) A-A族族 化合物半導體化合物半導體(PbSnTe)典型器件典型器件 GaAs激光器激光器, InP激光器；激光器； CdS激光器；激光器； PbSnTe激光器激光器 工作物質(zhì)工作物質(zhì)

10、在光纖中摻入某些激活離子，如：稀土離子或過渡在光纖中摻入某些激活離子，如：稀土離子或過渡元素離子，或者利用光纖自身的非線性效應制成。元素離子，或者利用光纖自身的非線性效應制成。工作物質(zhì)工作物質(zhì) 液體材料液體材料 主要有兩類：有機化合物染料液體激光器：將有主要有兩類：有機化合物染料液體激光器：將有 機染料溶解在一定的溶劑之中。機染料溶解在一定的溶劑之中。 常用染料：常用染料： 若丹明若丹明6G6G 隱花菁隱花菁 香豆素等香豆素等 無機化合物液體激光器無機化合物液體激光器典型器件若丹明典型器件若丹明6G染料激光器、染料激光器、BDN染料激光器染料激光器等等工作物質(zhì)工作物質(zhì) 氣體或液體目前大多是氣體

11、）。氣體或液體目前大多是氣體）。 是利用化學反應來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是利用化學反應來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 從而產(chǎn)生受激輻射的。從而產(chǎn)生受激輻射的。 典型器件典型器件 HFHF激光器，激光器， DFDF激光器，激光器， 碘原子激光器等碘原子激光器等 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 自由電子束自由電子束 自由電子激光器是將高能電子自由電子激光器是將高能電子束束 電子運動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛潆娮舆\動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛涠垂ぷ鞣绞絼澐侄垂ぷ鞣绞絼澐?兩類: 脈沖激光器-脈沖輸出 連續(xù)激光器-連續(xù)波輸出三、各類激光器的主要輸出特性三、各類激光器的主要輸出特性1)1)波長覆蓋范圍寬波長覆蓋范圍寬: : 從紫外從紫外遠紅外

12、整個光譜區(qū)遠紅外整個光譜區(qū), ,譜線上萬條譜線上萬條; ;輸出光束質(zhì)量最高輸出光束質(zhì)量最高: : 其單色性及發(fā)散度均優(yōu)于固其單色性及發(fā)散度均優(yōu)于固 體和半導體激光器體和半導體激光器, ,是很好的相干光源是很好的相干光源; ;激光輸出功率較大激光輸出功率較大, ,即能連續(xù)又能脈沖工作即能連續(xù)又能脈沖工作; ; 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單, ,造價低。造價低。 波長主要分布在可見光波長主要分布在可見光近紅外區(qū)域近紅外區(qū)域, ,譜線數(shù)千條譜線數(shù)千條, ,鈦寶石激光器可實現(xiàn)波長調(diào)諧鈦寶石激光器可實現(xiàn)波長調(diào)諧; ;2) 2) 工作物質(zhì)儲能較大工作物質(zhì)儲能較大, ,較易獲得大能量的激光輸出較易獲得大能量的激光輸出;

13、 ;運行方式多樣運行方式多樣: : 脈沖脈沖, ,連續(xù)連續(xù), ,調(diào)調(diào)Q,Q,鎖模鎖模; ;結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊, ,牢固耐用牢固耐用, ,價格適中。價格適中。* 超小型化超小型化: : 體積小重量輕體積小重量輕, ,一般激活面積一般激活面積0.50.5* *0.5mm2;0.5mm2;* 高轉(zhuǎn)換效率高轉(zhuǎn)換效率: : 能量轉(zhuǎn)換效率能量轉(zhuǎn)換效率30% ;30% ;* 波長覆蓋范圍較寬波長覆蓋范圍較寬: :可見光可見光( (綠光綠光)遠紅外遠紅外(0.5-(0.5-30m)30m)* 使用壽命長使用壽命長, ,結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單: : 一般可達數(shù)十萬乃至百萬小一般可達數(shù)十萬乃至百萬小時以上。時以上。 突出

14、特點突出特點: (1) : (1) 激光波長可調(diào)諧激光波長可調(diào)諧, ,且調(diào)諧范圍比且調(diào)諧范圍比 較寬較寬(0.3-1.3 m), (0.3-1.3 m), 通過混頻通過混頻 等技術(shù)還可將調(diào)諧范圍向紫外與等技術(shù)還可將調(diào)諧范圍向紫外與 中紅外范圍擴展中紅外范圍擴展; ; (2) (2) 可產(chǎn)生超短脈沖。可產(chǎn)生超短脈沖。 無需外界提供泵浦能量無需外界提供泵浦能量, ,適于野外及無電源處適于野外及無電源處 工作工作; ; 可獲得高能量可獲得高能量, ,高功率激光輸出高功率激光輸出; ; 波長覆蓋范圍寬波長覆蓋范圍寬: : 紫外紫外紅外。紅外。 激光波長范圍連續(xù)可調(diào)諧激光波長范圍連續(xù)可調(diào)諧, ,且調(diào)諧范

15、圍相當寬且調(diào)諧范圍相當寬 ( (原則上可以從真空紫外原則上可以從真空紫外厘米波厘米波);); 器件內(nèi)不會出現(xiàn)自聚焦等非線性光學損傷現(xiàn)象器件內(nèi)不會出現(xiàn)自聚焦等非線性光學損傷現(xiàn)象, , 故能獲得很高的激光輸出功率故能獲得很高的激光輸出功率; ; 能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高: : 理論上可達到理論上可達到50%,50%,目前目前 實驗室可做到實驗室可做到10%10% 光纖激光器特點：光纖激光器特點： 能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高, ,閾值低閾值低; ; 工作物質(zhì)可以很長工作物質(zhì)可以很長, ,故總增益很高故總增益很高; ; 有很寬的調(diào)諧范圍。有很寬的調(diào)諧范圍。 陶瓷激光器特點：陶瓷激光器特點：激光陶

16、瓷易實現(xiàn)大尺寸和高摻雜濃度；激光陶瓷易實現(xiàn)大尺寸和高摻雜濃度；高效率、大功率陶瓷激光器是未來發(fā)展方向。高效率、大功率陶瓷激光器是未來發(fā)展方向。 激光器的分類 按工作物質(zhì)劃分:七類(氣體,固體,半導體,液體, 化學,電子,其它) 按工作方式劃分:兩種(脈沖,連續(xù)) 激光器的特點 輸出特性 波長覆蓋范圍; 輸出能量與功率,能量轉(zhuǎn)換效率; 輸出光束質(zhì)量:束散角,單色性等; 運行方式:連續(xù),脈沖. 構(gòu)造,價格,使用壽命 激光器最基本的三個組成部分 工作物質(zhì) 泵浦源 諧振腔 激光器主要的泵浦方式激光器主要的泵浦方式 氣體放電激勵氣體放電激勵 光泵浦光泵浦( (閃光燈閃光燈, ,激光激光, ,日光日光)

17、) 注入電流注入電流 化學能激勵化學能激勵 磁場泵浦磁場泵浦 熱激勵熱激勵重點：兩類重點：兩類 光泵浦光泵浦適用于固體、染料激光器適用于固體、染料激光器 電激勵之一：氣體放電電激勵之一：氣體放電適用于氣體激適用于氣體激光器；光器； 之二：注入電荷之二：注入電荷適用于半導體適用于半導體激光器。激光器。 請回答1.1.在日常生活中在日常生活中, ,你接觸到和使用了哪些與激光器件你接觸到和使用了哪些與激光器件有關(guān)的產(chǎn)品有關(guān)的產(chǎn)品? ? 2.簡述你所了解的激光在各領(lǐng)域應用的情況。補充：關(guān)于激光技術(shù)補充：關(guān)于激光技術(shù)l調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù)l調(diào)制技術(shù)請同學們自學）調(diào)制技術(shù)請同學們自學）問題：為什么要調(diào)問題：為什

18、么要調(diào)Q？諧振腔的品質(zhì)因數(shù)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q Q：000222nLnLEcEQ每秒損耗的激光能量腔內(nèi)存儲的激光能量Q值與腔損耗及閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的值與腔損耗及閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的關(guān)系關(guān)系Q值與腔損耗成反比；值與腔損耗成反比；由閾值條件得：由閾值條件得：2A2c2121QgQAgncth光子在腔內(nèi)的壽命，自發(fā)輻射幾率，模式數(shù)，式中，諧振腔的損耗分類諧振腔的損耗分類諧振腔的主要損耗：諧振腔的主要損耗：反射損耗，記為反射損耗，記為 ；吸收損耗，記為；吸收損耗，記為 ；衍射損耗，記為衍射損耗，記為 ；散射損耗，記為；散射損耗，記為 ；輸出損耗，記為輸出損耗，記為 。1234554321則總損耗通過控制腔內(nèi)的不同損耗，可獲得通過控制腔內(nèi)的不同損耗，可獲得多種調(diào)多種調(diào)Q的方法：的方法：控制吸收損耗控制吸收損耗可飽和吸收染料調(diào)可飽和吸收染料調(diào)Q；控制反射損耗控制反射損耗電光調(diào)電光調(diào)Q、機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)、機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q控制衍射損耗控制衍射損耗聲光調(diào)聲光調(diào)Q；控制輸出損耗控制輸出損耗透射式調(diào)透射式調(diào)Q。調(diào)調(diào)Q激光器的特點激光器的特點1、工