1、激光器原理與技應用第三章 典型激光器第一節 概述第二節 氣體激光器 第三節 固體激光器第四節 染料激光器主要內容：第一節 概述一、 激光器的基本結構 激光器的基本結構由工作物質、泵浦源和光學諧振腔三部分構成。激光器的基本結構工作物質是激光器的核心,是激光器產生光的受激輻射放大作用源泉之所在。泵浦源為在工作物質中實現粒子數反轉分布提供所需能源。工作物質類型不同,采用的泵浦方式不同。光學諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋,同時,諧振腔的參數影響輸出激光束的質量。第一節 概述二、分類及輸出特性激光器種類繁多,習慣上主要按照以下兩種方式劃分:一種是工作物質,另一種是按照激光器工作方式。1 按照激光工作

2、物質1） 氣體激光器氣體和金屬蒸氣作為工作物質。根據氣體工作物質為氣體原子、氣體分子或氣體離子,又可將氣體激光器分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。 原子激光器中產生激光作用的是未電離的氣體原子,激光躍遷發生在氣體原子的不同激發態之間。采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體和鎘、銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸氣。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。第一節 概述分子激光器中產生激光作用的是未電離的氣體分子,激光躍遷發生在氣體分子不同的振-轉能級之間。采用的氣體主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子氣體。分子激光器的典型代表是CO2 激光器。準分子激光器。所謂準分子

3、,是一種在基態離解為原子而在激發態暫時結合成分子(壽命很短)的不穩定締合物,激光躍遷產生于其束縛態和自由態之間。采用的準分子氣體主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表為XeF* 準分子激光器。離子激光器中產生激光作用的是已電離的氣體離子,激光躍遷發生在氣體離子的不同激發態之間。采用的離子氣體主要有惰性氣體離子、分子氣體離子和金屬蒸氣離子三類。其典型代表為Ar+ 激光器。第一節 概述 激勵方式 氣體激光器一般采用氣體放電激勵,還可以采用電子束激勵、熱激勵、化學反應激勵等方式。 波長范圍： 氣體激光器波長覆蓋范圍主要位于真空紫外遠紅外波段 特點：激光譜線

4、上萬條,具有輸出光束質量高(方向性及單色性好)、連續輸出功率大(如CO2 激光器)等輸出特性,其器件結構簡單,造價低廉。第一節 概述應用 氣體激光器廣泛應用于工農業生產、國防、科研、醫學等領域,如計量、材料加工、激光醫療、激光通信、能源等方面。 1961年,第一臺氣體激光器He-Ne激光器問世。2)固體激光器固體激光器以固體激光介質作為工作物質。固體工作物質通常是在基質材料,如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子(稱為激活離子),激光躍遷發生在激活離子的不同工作能級之間。用作激活離子的元素可分為四類:三價稀土金屬離子、二價稀土金屬離子、過渡金屬離子和錒系金屬離子。固體激光器的典型代表是紅寶石(Cr3

5、+:Al2O3 )激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光器、釹玻璃激光器和摻鈦藍寶石(Ti 3+:Al2 O3 )激光器。第一節 概述固體激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有閃光燈和半導體激光二極管兩類。固體激光器的波長覆蓋范圍主要位于可見光近紅外波段,激光譜線數千條,具有輸出能量大(多級釹玻璃脈沖激光器,單脈沖輸出能量可達數萬焦)、運轉方式多樣等特點。器件結構緊湊、牢固耐用、易于與光纖耦合進行光纖傳輸。固體激光器主要應用于工業、國防、科研、醫學等領域,如激光測距、材料加工、激光醫療、激光光譜學、激光核聚變等方面。第一節 概述3)液體激光器液體激光器的工作物質分為二類:一類為有機化合物液

6、體(染料),另一類為無機化合物液體。其中,染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的有機染料有四類:吐噸類染料、香豆素類激光染料、惡嗪激光染料和花青類染料。染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和閃光燈泵浦染料激光器的波長覆蓋范圍為紫外到近紅外波段(300nm1.3m),通過混頻等技術還可將波長范圍擴展至真空紫外到中紅外波段。激光波長連續可調諧是染料激光器最重要的輸出特性。器件特點是結構簡單、價格低廉。染料溶液的穩定性比較差是這類器件的不足。染料激光器主要應用于科學研究、醫學等領域,如激光光譜學、光化學、同位素分離、光生物學等方面。1966年,世界上第一臺染料激光器由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青

7、染料激光器問世。第一節 概述4)半導體激光器 半導體激光器也稱為半導體激光二極管,或簡稱激光二極管(LaserDiode,縮寫LD)。由于半導體材料本身物質結構的特異性以及半導體材料中電子運動規律的特殊性,使半導體激光器的工作特性有其特殊性。 半導體激光器以半導體材料為工作物質。常用的半導體材料主要有三類:(1)A A 族化合物半導體,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。(2) B A族化合物半導體,如硫化鎘(CdS)等。(3)AA族化合物半導體,如碲錫鉛(PbSnTe)等。 根據生成pn結所用材料和結構的不同,半導體激光器有同質結、異質結(單、雙)、量子阱等多種類型。 半導體激光器采用

8、注入電流方式泵浦。第一節 概述 半導體激光器波長覆蓋范圍一般在近紅外波段(920nm1.65m),其中1.3m與1.55m為光纖傳輸的兩個窗口。半導體激光器具有能量轉換效率高、易于進行高速電流調制、超小型化、結構簡單、使用壽命長(一般可達數十萬乃至百萬小時以上)等突出特點。半導體激光器廣泛應用于光纖通信、光存儲、光信息處理、科研、醫療等領域,如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動化、激光準直及激光醫療等方面。 1962年,世界上第一臺半導體激光器GaAs激光器問世。第一節 概述5)化學激光器 化學激光器是通過化學反應實現粒子數反轉從而產生受激光輻射的。工作物質可以是氣體或液體,但目前主要

9、是氣體,如氟化氫(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。化學激光器采用化學能激勵。為促成工作物質的化學反應,一般需采用一些引發措施,如光引發、電引發、化學引發等。 化學激光器的波長覆蓋范圍為紫外到紅外波段,直至微米波段,功率高、能量輸出高,無需外界提供泵浦源,可將化學能直接轉換成激光能量是其突出特點,特別適合于野外等無電源處工作。 化學激光器主要應用于國防、科學研究等領域,如激光武器、同位素分離等。 1964年,第一臺光解離碘原子化學激光器問世。第一節 概述6)自由電子激光器自由電子激光器是一種新型激光器。自由電子激光器的工作物質是相對論電子束。所謂相對論電子束是指通過電子加速器加速的高

10、能電子。自由電子激光器將相對論電子束的動能轉變為激光輻射能。自由電子激光器的泵浦源為空間周期磁場或電磁場。具有非常高的能量轉換效率、輸出激光波長連續可調諧是自由電子激光器兩個最顯著的特點。自由電子激光器在未來的生物、醫療、核能等領域具有重要的應用前景 第一節 概述7）X射線激光器X射線激光器輸出激光波長位于X射線波段(110nm)。 X射線激光器工作物質為高度電離的等離子體,采用光泵浦,但需要特殊的X射線泵浦源。第一節 概述8) 光纖激光器工作物質:以摻入某些激活離子的光纖,或者利用光纖自身的非線性光學效應制成的激光器。分類： 晶體光纖激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學效

11、應光纖激光器。泵浦方式主要采用半導體激光二極管泵浦。特點： 光纖激光器是一種新型的激光器件,具有總增益高、閾值低、能量轉換效率高、很寬的波長調諧范圍及器件結構緊湊等突出特點,在遠距離光纖通信等領域顯示出了廣闊的應用前景。1963年,第一臺光纖激光器Nd2 O3 光纖激光器問世 第一節 概述二、按照激光器工作方式劃分激光器可分為連續輸出和脈沖輸出兩種方式, 連續激光器脈沖激光器。按照激光技術的應用分為調Q激光器鎖模激光器穩頻激光器可調諧激光器等,按照諧振腔腔型的不同分為非穩腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型。第二節 氣體激光器一、 氣體放電激勵基礎所謂氣體放電,是指在高電壓作用下,氣體分子(

12、或原子)發生電離而導電。常用氣體激光器的氣體放電屬于弱電離氣體放電,其氣體電離度一般不超過0.1%。1. 分類 1).直流連續放電直流連續放電是指在氣體激光器放電管兩電極間加上可調的直流電壓。調節放電管兩端的電壓或電阻，測出相應的放電電流，即可得到放電管直流連續放電的伏安特性曲線。第二節 氣體激光器 點所對應的管壓降稱為著火電壓，也稱起輝電壓，或擊穿電壓。AD段為非自持放電階段。放電電流雖然隨端電壓升高而增加,但其值很小。此時若去掉外界電離源,放電電流則很快減小直至放電終止。此階段的放電電流范圍一般在10 -20-10 -11 A之間。 第二節 氣體激光器 D點以后,則為自持放電階段,原因陰極

13、產生二次電子發射DE段叫作自持暗放電,放電不穩定平坦的EF段。該區域的特點是電流增加,但管壓降幾乎保持不變,放電管內出現明暗相間的輝光,稱之為正常輝光放電。輝光放電階段,由于二次發射的電子隨電場的增加而迅速增加,故當放電管端電壓略有增加時,放電電流就增大很多。輝光放電的電流范圍一般在10-410-1 A之間FG段則為反常輝光放電階段。此階段管壓降隨著電流增加而增加。反常輝光放電階段,陰極濺射很強烈,放電管一般應避免在此狀態下工作。第二節 氣體激光器G點所對應的電壓叫做弧光著火電壓。過G點后,放電管管壓降再次迅速下降,放電電流快速增大,放電管中發出耀眼的弧光,稱之為弧光放電。弧光放電的GH段呈現

14、出負阻特性,放電不穩定。HK段為穩定弧光放電階段,放電電流一般大于10-1A。輝光放電 高電壓、小電流(幾毫安至幾十毫安)放電,是一種穩定的自持放電。 He-Ne激光器與CO2 激光器都是工作在輝光放電區域。 第二節 氣體激光器弧光放電 低電壓大電流(幾十安至幾千安)的自持放電。弧光放電的著火電壓一般比輝光放電的著火電壓高,但對陰極表面積和電子逸出功都很小的放電管而言,其弧光著火電壓也可低于輝光著火電壓。弧光放電分類： 熱陰極弧光放電、 冷陰極弧光放電 人工陰極弧光放電Ar+ 激光器工作于弧光放電區域。第二節 氣體激光器 2).高頻放電高頻放電也叫做射頻氣體放電。所謂射頻,通常指頻率在幾兆到幾

15、百兆范圍內的電磁波。當兩電極間施加高頻交變電場后,由于帶電粒子在兩電極之間的渡越時間遠大于電場的變化周期,使得電子不能再做長距離的運動,而只能在某個固定位置附近振蕩,并在振蕩過程中與氣體粒子碰撞,產生電離和激發,以維持放電。射頻放電時,由于電子不斷來回運動使電子飛越的路程增大,從而使電子與氣體粒子碰撞的次數增加,電離能力極大提高,也使得作為電子來源的陰極的重要性大為減弱。因此,射頻放電可以用內電極,也可以用外電極,甚至可以不用電極。20世紀70年代,射頻氣體放電技術成功地應用于大功率輸出CO2 激光器,并已展示出其廣闊的應用前景。第二節 氣體激光器 3).脈沖放電放電管兩電極間施加脈沖電壓時,

16、即產生脈沖放電。按放電電流密度的大小,放電管內可產生脈沖輝光放電和脈沖弧光放電。按所加電壓的交變狀態,可分為直流脈沖放電和交流脈沖放電。按脈沖持續時間,又可分為短脈沖放電和長脈沖放電。準分子激光器采用脈沖放電方式。大功率高氣壓氣體激光器多采用短脈沖放電方式。氣體放電除上述三種放電方式外,還有火花放電和電暈放電等方式。第二節 氣體激光器2氣體放電中的粒子碰撞與激發、電離過程在氣體放電中,帶電粒子(電子和離子)與中性氣體粒子(原子或分子)之間的碰撞決定著放電進行的情況。其中,有兩種基本的碰撞過程影響著器件粒子數反轉分布的建立和維持。第一種過程是電離,它對于維持放電是不可或缺的;第二種過程是激光上、

17、下能級粒子的激發與消激發。粒子的碰撞一般可分為兩類:彈性碰撞和非彈性碰撞。在氣體激光器工作物質的激發與電離過程中,粒子的碰撞都屬于非彈性碰撞。非彈性碰撞又可分為第一類非彈性碰撞和第二類非彈性碰撞。第二節 氣體激光器1）.第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞指一個粒子的動能轉變為另一粒子內能的碰撞。其最常見的形式之一就是快速電子與氣體粒子發生碰撞激發和電離。在碰撞過程中,快速電子失去能量,速度變慢,氣體粒子得到能量被激發到高能態或被電離。電子的能量大于或等于氣體粒子的激發態能量時,碰撞激發過程則有可電子能量等于或大于氣體粒子的電離能時,碰撞電離過程便可以發生。其電離過程可表示為第二節 氣體激光器電子

18、和氣體粒子的碰撞,還可以使粒子從一個激發態躍遷到另一個更高的激發態,或者使激發態粒子發生電離,分別叫做逐級激發和逐級電離。2).第二類非彈性碰撞 第二類非彈性碰撞指一個粒子的內能轉變為另一粒子內能或動能的碰撞。其形式主要有共振轉移、電荷轉移和潘寧效應等。共振轉移是指激發態的粒子A * (通常指亞穩態)與基態粒子B碰撞,使B激發到高能態B* ,而A* 返回基態。其過程可表示為 A* +BA+B* +E 其中,E為A* 和B* 兩者激發態之差。E越小,共振轉移截面越大。當E 趨于零時,共振轉移截面大于10-14cm2 ,轉移最易發生。 共振轉移是選擇性激發過程中最重要的形式之一。第二節 氣體激光器

19、電荷轉移是指離子與中性氣體粒子碰撞引起的激發與電離過程。其激發過 A+ +BA+B+ E 其中,A為A+ 從中性粒子B處獲得一個電子而成為中性粒子;B 為中性粒子失去一個電子而成為正離子B +;E為A 和B 兩者電離能之差。 電荷轉移過程中出現的電離激發,可表示為 A+ +BA+B* +E其中,B*為離子激發態;E為離子激發態B*與粒子A+的電離能之間的位能差。 正離子與中性氣體粒子之間的電荷轉移過程。負離子與中性氣體粒子碰撞亦可失去電子而成為速度較快的中性粒子,同時使原中性氣體粒子成為速度較慢的負離子。第二節 氣體激光器 潘寧電離 指處于激發態的氣體粒子A* 與處于基態的粒子B碰撞,A*失去

20、能量返回基態,而B被電離,或電離后又被激發。其過程可表示為 A*+BA+B*+ +e A* +BA+B+ +e 由上述反應過程可見,只要A 的激發能大于基態粒子B的電離能,潘寧電離便可以進行,電離中產生的多余能量可轉化為電子的動能。氣體放電過程中,除上述介紹的由于粒子碰撞所產生的激發和電離過程外,還存在著復合、吸附與轉荷等過程.第二節 氣體激光器二、He-Ne激光器 工作介質：He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器,Ne為工作物質,He為輔助氣體。特點： He-Ne激光器輸出連續光,主要工作波段在可見光到近紅外區域,其中,最常用的工作波長為632.8nm(紅光),其次是1.15m和3.39

21、m以及1.52m、543.5nm等。He-Ne激光器輸出光束質量很高,表現為單色性好(20Hz)和方向性好(Qn2,則有n=n3-n2n3。因此,以下主要分析n3與總氣壓P的關系。在He、Ne氣壓比一定的條件下,總氣壓P升高可以使He與Ne原子的粒子數密度n0、n1上升,有利于提高n3,使n上升。但若總氣壓P太高,在n0與n1上升的同時,電子與原子碰撞次數也隨之增多,致使電子動能下降,S04降低,從而導致n3 下降,使反轉粒子數密度n下降。因此,He-Ne激光器存在一個最佳充氣總氣壓,在此條件下工作,器件增益最大。增益與充氣總氣壓的關系第二節 氣體激光器(3)增益與He、Ne氣壓比(PHePN

22、e )的關系 在總氣壓P一定的條件下,Ne的分壓上升,可提高基態Ne原子粒子數密度n 1 ,同時使He原子基態粒子數密度n 0 下降。由式(3.6)知,n 1 比n 0 對n 3的影響大。因此,Ne的分壓上升,可以提高n 3 。但若其分壓過高,由于Ne原子電離電位低,易電離而導致電子能量下降,使S 04 下降,導致n3 下降。同時,由于Ne原子激光上能級的粒子數主要通過與He原子亞穩態能級粒子之間的共振轉移而獲得,因此,作為工作氣體的Ne氣所占比例要適當。P HeP Ne 也存在一個最佳值,P He PNe ,一般P HeP Ne 71101。第二節 氣體激光器最佳充氣總氣壓與最佳He、Ne氣

23、壓比稱為He-Ne激光器的最佳充氣條件。當器件工作于最佳充氣條件時,其放電毛細管內徑d與最佳充氣總氣壓Popt的乘積為一常數,其取值范圍Poptd=480533(Pa mm)。由上述分析得出結論:為獲得最大增益,He-Ne激光器應工作在最佳放電條件下,即采用最佳放電電流、最佳充氣總氣壓和最佳He、Ne氣壓比。第二節 氣體激光器3He-Ne激光器的譜線競爭 632.8nm、3.39m與1.15m三條譜線是He-Ne激光器上百條譜線中最強的三條。三者之中,由于3.39m譜線與632.8nm譜線共用一個激光上能級3s2 ,且增益都很高。因此,二者之間存在激烈的譜線競爭。3.39m譜線的振蕩,將大量消

24、耗激光上能級的粒子,導致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降,甚至振蕩被抑制。為保證632.8nm譜線起振并提高其輸出功率,應設法抑制3.39m譜線的振蕩。抑制所遵循的原則是增大3.39m譜線的損耗或者降低其增益。采取的方法有:第二節 氣體激光器2）腔內放置甲烷吸收盒該法利用甲烷氣體對632.8nm 透明而對3.39 強吸收的特性，增大3.39譜線的腔內損耗以抑制其振蕩，結構如圖所示。1）棱鏡色散法第二節 氣體激光器3）外加非均勻磁場法 其原理是利用塞曼效應。塞曼效應指磁場將引起譜線的分裂，譜線分裂的大小與磁感應強度成正比。施加非均勻磁場后，造成放電管內各處譜線分裂程度不同，其作用相當于把譜

25、線展寬第二節 氣體激光器對放電管長度小于的He-Ne激光器，使用前兩種方法就能抑制3.39譜線振蕩。若放電管長度大于，往往需要幾種方法相結合才能有效抑制。第二節 氣體激光器三Co2激光器 CO2 激光器是一種混合氣體激光器,CO2 為工作物質,N2 、He、CO、Xe、H2 O、H2 與O2 等為輔助氣體,其作用是提高激光器的輸出功率和效率。 CO2激光器的工作方式分為連續和脈沖兩種,也可以在穩頻、調諧(選支)等狀態下運轉 CO2激光器的輸出特性有兩個顯著的特點:其一是輸出功率或能量相當大,能量轉換效率高。CO2 激光器連續輸出功率可達數十萬瓦,是所有激光器中連續輸出功率最高的器件;脈沖輸出能

26、量可達數萬焦,脈寬可壓縮到納秒量級,脈沖功率密度可達太瓦量級。其二是輸出波長分布在918m波段,已觀察到的激光譜線二百多條。其中,911m紅外波段中最重要的輸出波長10.6m處于大氣傳輸的窗口,有利于激光測距、激光制導、大氣通信等方面的應用,且該波長對人眼安全。 CO2 激光器于1964年問世。第二節 氣體激光器 CO2 激光器種類很多,主要有封離型、流動(縱向和橫向)型、大氣壓型、氣動型以及波導等結構形式,激勵方式有低功率器件采用的縱向氣體放電激勵、大功率器件采用的橫向氣體放電激勵、射頻激勵、化學、氣動、電子束激勵等。1）CO2 分子的能級結構及振-轉躍遷 a.CO2分子的能級結構分子的總能

27、量包括以下四部分：電子繞核運動的能量；分子中原子的振動能量；分子的轉動能量；平動能量。除平動能量外，前三種運動的能量部是量子化的。相鄰電子能級、振動能級及轉動能級問能量差的比例約為104：102：1。第二節 氣體激光器CO2 分子的振動有三種基本形式,或稱三種簡正振動: 對稱振動。CO2 分子中的2個原子沿分子軸同時朝向或同時背向碳原子振動,碳原子保持不動,如圖3.15(b)所示。 形變（彎曲）振動。CO2 分子的3個原子不是沿分子軸振動,而是垂直于分子軸振動,且碳原子的振動方向與2個氧原子相反,如圖3.15(c)所示。 反對稱振動。CO2 分子的3個原子沿分子軸振動,其中,碳原子的振動方向與

28、2個氧原子相反,如圖3.15(d)所示。 第二節 氣體激光器 在一級近似下,CO2 分子上述三種振動方式相互獨立,其振動能量為三種振動方式的能量之和。我們用4個對應的量子數標記其振動能級,標記符號為(v1 vl2 v 3 )。VI 分別代表其對稱、形變及反對稱的主量子數，而l代表形變時，其投影的角動量守恒的且量子化的，用量子數l表示，lv2，v2-2，v2-4，1或0。第二節 氣體激光器CO2 分子可能產生的躍遷譜線有很多條,其中強度最強和最具價值的是10.6m譜線(對應于00 0 110 0 0能級的躍遷)和9.6m譜線(對應于0001 0200能級的躍遷)。上述兩條譜線的躍遷過程表明,CO

29、2 分子的能級結構屬四能級系統。表3.4給出了與CO2 分子10.6m和9.6m譜線躍遷有關的振動能級壽命。 由上表可見,CO2 分子激光上能級(000 1)壽命長于激光下能級第二節 氣體激光器b) CO2能級激發1）直接電子碰撞電子與基態CO2碰撞，將其激發到激光上能級CO2(0000)+e-CO2(0001)+e2）級聯躍遷 電子與基態CO2碰撞，將其激發到激發態000n能級，其與基態CO2碰撞將其激發到激光上能級CO2(0000)+ CO2(000n) -CO2(0001)+ CO2(000n-1) 3）共振轉移基態N2和電子碰撞躍遷到基態V=1的振動能級，該能級壽命長，屬于亞穩態，其與

30、基態C02發生非彈性碰撞并躍遷激光上能級e(快)+N2(v=0)-e(慢)+N2(v=1)第二節 氣體激光器CO2分子0001能級與N2的v=1的能級接近， N2的v=24能級與CO2的0002-0004也接近易發生共振轉移， 0002-0004的CO2與基態CO2分子碰撞，也可激勵到0001以上三種激發途徑，共振轉移幾率最大，作用最顯著C) .CO2 分子的振-轉躍遷CO2 分子的紅外光譜并不是一條單一的振動譜線,而是一條有一定寬度的譜帶。這是由于CO2 分子除振動運動外,同時存在轉動運動。在其影響下,CO2分子的振動能級將分裂為一系列轉動子能級。根據分子光譜理論,分子振動能級之間的躍遷必然

31、伴隨著轉動子能級之間的躍遷,產生帶狀光譜。第二節 氣體激光器振-轉躍遷的選擇定則為:對于振動能級:v=0,1對于轉動子能級:J=0,1對轉動子能級間的躍遷,選擇定則規定:J=+1,稱為R支,記為R(J)J=-1,稱為P支,記為P(J)J=0,稱為Q支。因為CO2分子的對稱性質,譜帶中心沒有該支譜線,即不存在Q支躍遷。第二節 氣體激光器由圖3.17可以看出,在CO2 分子0001與1000振動能級上,不是對應地存在著全部的轉動子能級。在000 1振動能級上,只存在J為奇數的轉動子能級,而在100 0振動能級上,則只存在J為偶數的轉動子能級。這種情況稱之為轉動子能級的缺位,它來源于分子態波函數對稱

32、性的要求。 對于000 1100 0的振-轉躍遷,已觀察到的P支譜線27條,R支譜線26條,光譜帶范圍1011m。其中最強的P支譜線有4條,即P(18)、P(20)、P(22)和P(24),對應波長分別為10.57m、10.59m、10.61m和10.63m。最強的R支譜線也有4條,即R(18)、R(20)、R(22)和R(24),對應波長分別為10.26m、10.25m、10.23m和10.22m。 對于000 1020 0的振-轉躍遷,觀察到P支譜線29條,R支譜線25條,光譜帶范圍910m。其中最強的P支譜線為P(18)、P(20)、P(22)、P(24)與P(26),對應波長分別為9.

33、54m、9.55m、9.57m、9.59m和9.60m。最強的R線為R(18)、R(20)、R(22)與R(24),對應波長分別為9.28m、9.27m、9.26m和9.25m。第二節 氣體激光器CO2 分子00 0 1020 0的振-轉躍遷中能形成一百多條熒光譜線,但在CO2 激光器中卻只有13條譜線能同時形成激光振蕩。這源于CO2 分子轉動子能級之間的競爭效應。處于同一振動能級的各轉動子能級之間靠得很近,粒子在各子能級間轉移很快。一旦處于某一轉動子能級上的粒子躍遷后,服從玻爾茲曼分布規律的其他能級上的粒子會立即轉移到該能級,而使其他能級上的粒子減少。在CO2激光器中,當某條譜線獲得較大增益

34、而優先起振時,亦同時抑制了其他譜線的振蕩。例如,9.6m譜線與10.6m譜線共用一個激光上 能級,而粒子從000 1100 0能級的躍遷幾率要大得多,故CO2 激光器中若無波長選擇裝置,則9.6m譜線將在與10.6m譜線的競爭中失敗而無法起振。正是由于轉動子能級間激烈的競爭效應,當CO2 激光器諧振腔長度發生變化時,振蕩譜線的頻率易跳動到其他頻率上。CO2激光器的諧振腔大多采用平凹腔，由于其增益高，也可采用非穩腔以增加其模體積。高反射鏡可用金屬制成，也可在玻璃表面鍍以金膜。輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過紅外光的Ge、GaAs等材料制成輸出窗.第二節 氣體激光器 D氣體成分 實驗發現,當CO

35、2 激光器中充有適量的N2 、CO、Xe、Ne、H2 、H2O等氣體時,輸出功率顯著提高。而當充有Ar、N2 O等氣體時,輸出功率則顯著下降。為提高輸出功率,CO2 激光器都充有不同組分的輔助氣體,主要分為含N2 組分與含CO組分兩種。 含N2 組分為CO2 +N2 +He+Xe+H2 , 含CO組分為CO2 +CO+He+Xe, 含N2 組分的輸出功率要高于含CO組分。 上述各種氣體成分在CO2激光器中的主要作用: 氮:N2 是CO2 激光器中最主要的輔助氣體,其作用主要是提高CO2 分子0001能級的激發速率,同時加快011 0能級的弛豫速率。加入適量的N2 后,能明顯提高輸出功率。但其含

36、量不能太高,因總氣壓一定時,N2含量高,則CO2含量就相應降低,且放電時CO2 離解出的O會與N2 發生化學反應,生成N2 O和 NO,它們對CO2 分子的000 1能級有消激發作用。 第二節 氣體激光器 一氧化碳:CO作用與N2 類似,不僅能增大CO2 分子000 1能級的激發速率,還能加快01 10能級的弛豫速率。但其含量過高時會造成對000 1能級的消激發。 氦:在CO2 +N2 混合氣體中,加入適量的He(He的含量可以是CO2 的45倍)可以大幅度提高輸出功率。其原因是:He原子質量輕,導熱率高(其導熱率比CO2和N2高約一個數量級),可有效降低工作氣體溫度,提高輸出功率。另外He對

37、CO2分子激光下能級100 0、020 0和011 0的弛豫作用遠大于其對激光上能級000 1能級的弛豫作用,有利于實現粒子數反轉。在高氣壓CO2激光器中,He的主要作用是改善氣體放電的均勻性。 氙:在CO2 +N2 +He混合氣體中,加入少量的Xe,可使輸出功率進一步提高約30%40%,能量轉換效率提高10%15%。原因是:Xe的電離電位低,加入后可增加放電氣體中的電離度,使E/N值降低(充有Xe的放電管管壓降可以下降20%),從而提高激光器的效率。混合氣體中Xe的含量有一最佳值,一般其分壓強在107160Pa之間。Xe的含量不可過高,過高雖使電子密度增加,但電子碰撞機會也隨之增加,導致電子

38、溫度下降。第二節 氣體激光器水蒸氣和氫: 在CO2 +N2 +He混合氣體中再加入少量的水蒸氣或H2 ,能提高器件的輸出功率和使用壽命。原因是H2O 分子對CO2 分子激光下能級100 0以及011 0能級的弛豫速率很大,且H2O分子振動能級壽命很短,可以很快返回基態。H2 的作用與H2O 相同,因CO2 分子在放電時會離解出O,H 2 與O合成H2O 。因H2 在常態下是氣體,其充入量比水蒸氣更易于控制,故常用H2 代替水蒸氣。混合氣體中,H2O和H2的含量一般在13.340Pa之間,不能過高,因為它們除對激光下能級10 0 0和011 0有很強的抽空作用外,對激光上能級00 0 1能級也有

39、顯著的消激發作用。由于H2O和H2能對CO與O的復合起催化作用,故能延長CO2 激光器的使用壽命。第二節 氣體激光器E. Co2激光器可分為以下七類: 1. 縱向慢流co2激光器氣體從放電管一端流人，由另一端抽走，氣流、電流均和光軸方向一致。氣體流動的目的是排除Co2與電子碰撞時分解出來的CO氣，并補充新鮮氣體 第二節 氣體激光器在這類激光器中，放電電流密度和氣體壓強均有一位輸出功率最大的最佳值。電流度增加時激光上能級激發速率增加，但由此造成的氣體溫度的升高又會增加下能級集居數，因而存在一最佳電流值。同樣，氣體壓強增高時一方面由于氣體分子密度增加使反轉集居數隨之增加，另一方面，氣體分子間更加頻

40、繁的碰撞又阻礙了熱量向管壁的擴散，從而導致氣體溫度升高。實驗表明，電流密度與壓強的最佳值大致與放電管徑成反比。在最佳放電條件下，激光器的輸出功率約為(50一60)wm。2 、封離型CO2 激光器所謂封離型是指工作氣體與He-Ne激光器一樣被封離在放電管內。這種結構的器件單位放電長度可輸出的功率比流動型或氣動型器件要低得多,一般輸出功率都低于200W。第二節 氣體激光器冷卻回氣放電諧振腔第二節 氣體激光器3縱向快流CO2激光器 在縱向慢流激光器中放電產生的熱量主要靠氣體的擴散運動傳給管壁，再由沿管壁外表而流動的冷卻液帶走。由于這種散熱方式效率較低，電流密度和壓強不能太大，因此限制了輸出功率。如果

41、提高氣體流動速度(約50ms)，使放電管內的熱氣流流出管外，在管外冷卻后再返回放電管，則不再存在放電電流密度的最佳值，輸出功率隨放電電流密度線性增加。單位長度輸出功率可達1kWm以上。目前，(13)kw的縱向快流CO2激光器已廣泛用于激光加工。與大功率的橫向流動激光器相比，縱向快流c02激光器中放電電流密度分布的圓對稱性較好，因此具有更好的光束質量。第二節 氣體激光器第二節 氣體激光器4橫向流動CO2激光器縱向快流Co2激光器需要很高的氣體流速才能及時將熱氣體導出。若使氣體流動方向與光軸垂直，由于氣體通道截面大，氣體流動路徑短，因此較低的流速就能達到縱向快流同樣的冷卻效果。和縱向快流CO2激光

42、器一樣，在橫向流動CO2激光器中，輸出功率的電流飽和效應不明顯。最佳氣體壓強高達1.3X104Pa。高壓強運轉有利于提高輸出功率，但頻繁的碰撞使電子溫度降低，必須在強電場中才能維持足夠高的電子溫度。因此，在橫向流動CO2激光器中，縱向放電不切實際，通常采用電場與光軸垂直的橫向放電方式。采用橫向放電方式的激光器稱作TE激光器。此類激光器中單位長度輸出功率可達每米數千瓦，總輸出功率已高達(120)kw。第二節 氣體激光器5橫向激勵大氣壓CO2激光器 高氣壓橫向激勵激光器中，壓強過高會導致放電不穩定。為此，常常采用脈沖放電激勵方式。由于快速脈沖放電時放電不穩定過程來不及充分發展，因此氣體壓強可增高至

43、大氣壓或高于大氣壓。由于壓強高，橫向激勵大氣壓激光器(簡稱TEA激光器)單位體積輸出能量可高達(1050)J/L，總能量和峰值功率可分別高達10KJ和20TW。 在數個大氣壓的高氣壓情況下，由于壓力加寬效應引起轉動能級的重疊，出現準連續寬帶增益譜，可導致波長在(9.210.7)um范圍內的連續可調激光輸出。第二節 氣體激光器 6氣動CO2激光器 氣動CO2激光器采用熱泵浦方式。含有CO2的混合氣體在容器內燃燒以形成高溫高壓狀態，由于溫度很高，CO2的激光上、下能級均具有較高的集居數密度。混合氣體通過噴管絕熱膨脹時氣體溫度急劇下降，但由于上能級的壽命較下能級長，集居數密度減少的速度較下能級慢，于

44、是在膨脹區的相當大的范圍內可形成集居數反轉狀態。氣動CO2激光器的輸出功率可達80kw。第二節 氣體激光器7波導CO2激光器所謂波導，在微波技術中是指用來引導電磁波的器件。波導激光器由于采用孔徑很小、內表面反射率很高的空心導管對激光光束進行傳輸形成空心波導效果而得名。波導激光器由于自身結構的這一特點，使其激光振蕩模式與普通激光器不同。普通激光器的光學諧振腔理論以電磁波在自由空間的傳播為基礎，而在波導激光器諧振腔中，電磁波在其傳播途中的某一部分或全部上被波導所引導而不服從自由空間的傳播規律。波導激光器本征模的特征已不主要取決于模尺寸、腔鏡的曲率半徑及其間距這些描述普通激光器本征模的特征參量。第三

45、節 固體激光器固體激光器在激光器家族中具有最長的歷史。在其發展進程中,我國的科學工作者曾做出過重要的貢獻。 我國研制的第一臺激光器叫做“小球照明紅寶石激光器”,1961年8月誕生于中國科學院長春光機所。激光器的設計師是王之江教授。王之江教授因此被中國光學界尊稱為“中國激光之父”。“小球照明紅寶石激光器”在結構上比梅曼那臺激光器又前進了一大步,主要表現在泵浦氙燈采用直管式,而非螺旋形;紅寶石棒與氙燈并排放在球形聚光器的球心附近。這種結構可以獲得更高的泵浦效率。直至今天,閃光燈泵浦的固體激光器還大都采用這種方式。 本節中,將重點介紹固體工作物質、光泵浦系統、工作物質的熱效應及其散熱幾方面的內容。第

46、三節 固體激光器一、固體工作物質 固體工作物質由固體基質材料和少量摻雜離子(金屬離子)兩部分構成。其中固體工作物質的物理性能由基質材料體現,而其光譜特性則由摻雜離子決定。 基質材料有晶體和玻璃兩大類。晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧化物晶體有單一氧化物和混合氧化物。單一氧化物晶體如Al2 O3 ,混合氧化物晶體如石榴石型晶體YAG、YAP。氟化物晶體也有單一氟化物,如CaF2晶體和混合氟化物,如LiYF4 晶體。玻璃則有硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。 摻雜離子有四類: (1)三價稀土金屬離子:如釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、釤(Sm3+)、銪(Eu3+)、 鏑(Dy3+) 、鈥(

47、Ho3+)、鉺(Er3+)、鐿(Yb3+)等。 (2)二價稀土金屬離子,如釤(Sm2+)、鉺(Er2+ )、銩(Tm2+ )、鏑(Dy2+)等。 (3)過渡金屬離子,如鈦(Ti3+)、鉻(Cr)、鎳(Ni3+ ) 、鈷(Co3+)等。 (4)錒系金屬離子,多具有放射性,不易制備,其中,只有鈾(U3+)曾有所應用。第三節 固體激光器固體工作物質十分豐富,達數百種,從中已獲得激光譜線數千條。 在一般固體工作物質中,參與受激輻射作用的離子濃度約為1025 1026 m -3 ,比氣體工作物質高34個數量級以上,且固體工作物質激光上能級的壽命也比較長,因此固體激光器比較容易獲得大能量輸出,適合于調Q。

48、 固體工作物質通常加工成圓棒狀(也有盤片狀的),棒側面磨毛。對棒兩端面的加工要求很高:兩端面為垂直于棒軸向的平行平面,平行誤差在510之間;端面與棒軸向的垂直度1;端面的平整度小于半個光圈。為避免端面反射和內部寄生振蕩,端面鍍有增透膜。固體工作物質的譜線加寬有均勻加寬和非均勻加寬,其中,均勻加寬由晶格熱振動引起,而非均勻加寬則由晶格缺陷引起。因機構復雜,很難從理論上求得固體工作物質譜線加寬線型函數的具體表達形式,一般是通過實驗求出它的譜線寬度。第三節 固體激光器 紅寶石晶體在低溫時,譜線加寬主要是由晶格缺陷引起的非均勻加寬,室溫時,以晶格熱振動引起的均勻加寬為主。 Nd3+ :YAG:因晶體質

49、量比紅寶石好,故由晶格缺陷引起的非均勻加寬可忽略,在整個溫度范圍內都以均勻加寬為主。 釹玻璃的非均勻加寬由配位場的不均勻性引起,均勻加寬則由玻璃網絡體的熱振動引起。二者所占比例因材料而異。在室溫下,1.06m譜線非均勻加寬為1203600GHz,均勻加寬為60225GHz。雖然非均勻加寬大于均勻加寬,但由于交叉弛豫過程,釹玻璃的增益飽和特性與均勻加寬工作物質相似。1.紅寶石晶體(1)晶體的物理性質 紅寶石晶體是在Al2 O3 (剛玉)中摻入少量的Cr2O3 ,由Cr 3+部分取代Al 3+而成,其激活離子為Cr3+。摻入Cr2O3的重量比為0.03%0.07%,一般為0.05%。晶體顏色為淡紅

50、色。其晶體結構如圖3.24所示。第三節 固體激光器紅寶石晶體是各向異性晶體。當入射光波長為700nm時,n0 =1.763,ne =1.755紅寶石晶體有三種生長方向:生長軸平行于光軸,為0紅寶石晶體,無偏振特性;生長軸垂直于光軸,為90紅寶石晶體,產生線偏振光;生長軸與光軸成60,為60紅寶石晶體,產生線偏振光。實際使用中,多用60紅寶石晶體。化學表達式:Cr3+ :Al2 O3 。第三節 固體激光器(2)晶體的激光性質晶體的激光性質主要指其能級結構、吸收光譜和熒光光譜。 能級結構: 晶體的激光性質主要取決于Cr3+。Cr的外層電子組態為3d5 4s1 ,摻入Al2 O3 后失去3個電子,剩

51、下3d殼層上3個外層電子(3d3 )。紅寶石晶體的光譜特性即是由這3個電子躍遷形成的,晶體與激光躍遷有關的部分能級結構如圖3.25所示。第三節 固體激光器圖3.25中, 2 E能級為激光上能級,也是亞穩能級(Cr3+在該能級的壽命約為3ms)。由于晶格場的作用,該能級分裂為2A和E2個子能級(能級差29 cm-1 )。粒子由這兩個能級向基態躍遷時產生692.9nm和694.3nm兩條譜線。4A2 能級為激光下能級,也是基態能級, F1 與 4 F2 為兩個吸收能級。粒子在其上的壽命約為納秒量級,故很快通過輻射躍遷弛豫到激光上能級。Cr 3+的能級結構屬三能級系統,因而其器件閾值比較高,只能以脈

52、沖方式運轉。吸收光譜:由于紅寶石是各向異性晶體,故其吸收特性與光的偏振狀態有關。當入射光的振動方向平行或垂直于晶體光軸C時,晶體的吸收曲線略有不同,如圖3.26所示。紅寶石晶體在可見光區有兩個強吸收帶。一個稱為紫帶(或U帶),中心波長位于410nm附近,帶寬為360450nm,對應于 4A2向 4F1能級的躍遷吸收。另一個稱為綠帶(或Y帶),中心波長位于550nm附近,帶寬為510600nm,對應于 4A2向4 F2能級的躍遷吸收。基于紅寶石晶體的吸收光譜,適于采用脈沖氙燈這類強可見光光源進行泵浦。第三節 固體激光器熒光光譜:紅寶石晶體有兩條強熒光譜線,分別稱為R1線和R2線。 R1 線中心波

53、長為694.3nm,對應于E4 A2 能級的自發輻射躍遷。 R2 線中心波長為692.9nm,對應于2A 4A2 能級的自發輻射躍遷。第三節 固體激光器紅寶石激光器通常只產生694.3nm激光,692.9nm不能形成振蕩的主原因有兩條,其一,躍遷到激光上能級E和2A上的粒子數服從玻爾茲曼分布,能級上約占53%,2A能級上占47%;其二,R1 線的熒光強度高于R2 線,使R線的受激輻射幾率高于R2線。因此,R1線先達到閾值形成激光振蕩。由于2A與E兩能級之間能級差很小,粒子交換頻繁,E上的粒子躍遷后,2A能級上的子迅速轉移到該能級,從而進一步抑制了R2 線的振蕩。當激光脈沖持續時間大于10-9

54、s時,激光上能級的粒子都會通過R1 線的受激輻射而返回基態。(3)溫度對紅寶石晶體的影響紅寶石晶體的性能易受溫度的影響,主要表現在以下幾方面:其一,溫度上升導致紅寶石激光中心波長向長波方向移動,如圖3.27(a)所示。這是由于溫度上升使晶格場變化加劇,能級發生位移,造成激光上、下能級差縮小所致。第三節 固體激光器其二,溫度上升導致熒光線寬加寬,量子效率下降。紅寶石R1 、R2 線熒光線寬與溫度的關系如圖3.27(b)所示。紅寶石晶體低溫下性能優良。溫度升高將使其熒光譜線展寬,量子效率下降,從而導致器件閾值上升,效率下降,嚴重時會引起“溫度猝滅”。因此,紅寶石激光器在室溫條件下以脈沖方式運轉第三

55、節 固體激光器(4)紅寶石晶體的主要特點主要優點為:機械強度和化學穩定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成較大尺寸;亞穩態壽命長,儲能大,可獲得大能量輸出;熒光譜線較寬,易獲得大能量單模輸出;低溫性能優良;輸出可見光。從應用觀點看,紅寶石激光器輸出可見光極具吸引力,一是因為光電探測器件的響應波長大多位于可見光區,而大多數稀土元素四能級系統固體激光器工作波長則位于近紅外區域,二是對于全息照相等應用,需要使用可見光作為光源。缺點:能級結構屬三能級系統,器件閾值高;晶體性能隨溫度變化明顯,室溫下不適于做連續和高重頻器件。第三節 固體激光器二、光泵浦系統固體激光器一般采用光泵浦。主要的泵浦光源有惰性

56、氣體放電燈(脈沖氙燈、連續氪燈等)、半導體激光二極管金屬蒸氣燈(汞燈、鈉燈等)鹵化物燈(碘鎢燈、溴鎢燈等)四類。惰性氣體放電燈具有輻射強度高、既能脈沖工作又能連續工作、工藝簡單、使用方便等優點,應用最為廣泛。惰性氣體放電燈與聚光腔共同構成固體激光器的燈泵浦系統。半導體激光二極管泵浦固體激光器較之其他的泵浦方式具有最高的泵浦效率,代表了固體激光器的一個發展方向。第三節 固體激光器一). 燈泵浦系統1 惰性氣體放電燈1) 惰性氣體放電燈的結構及性能參數惰性氣體放電燈的結構由工作氣體、電極和燈管三部分組成。工作氣體一般采用氙或氪。電極采用高熔點、高電子發射率、低濺射的金屬材料,常用鎢、釷鎢等材料。燈

57、管則通常采用耐高溫、透光性好、機械強度高的石英玻璃。結構形式有直管(比較常用)和螺旋之分,如圖3.31所示。第三節 固體激光器惰性氣體放電燈在工作方式上分為脈沖和連續兩種,如脈沖氙燈,連續氪燈。惰性氣體放電燈工作于弧光放電狀態,著火電壓和觸發電壓是燈啟動的重要參數。對脈沖燈而言,其使用壽命與最大輸入能量密切相關。脈沖氙燈的常用規格及其性能參數見表3.9。2) 惰性氣體放電燈的光譜特性惰性氣體放電燈的輻射光譜中有連續光譜和線狀光譜兩種成分。產生連續光譜的主要原因是燈內濃度很高的電子和正離子復合發光。因帶電粒子的動能連續可變,故其輻射光譜為連續譜;此外電子減速發光,其光譜也為連續譜。產生線狀光譜的

58、主要原因是放電時被激發的原子和離子自發地返回基態時輻射發光,其光譜中具有氣體原子和離子的特征光譜線。第三節 固體激光器在連續弧光燈的輻射光譜中,線狀光譜的貢獻很顯著。而在脈沖燈的輻射光譜中,則以連續光譜的貢獻為主。二者在放電燈的輻射光譜中所占據的比例取決于燈內的放電電流密度、充氣壓和充氣種類。在此重點分析放電電流密度的影響。脈沖氙燈在兩種電流密度下的輻射光譜如圖3.32所示。第三節 固體激光器放電電流密度較小時,線狀光譜所占比例上升。對脈沖氙燈,其特征譜線的峰值波長位于0.84m、0.9m和1m附近。對連續氪燈,其特征譜線的峰值波長位于0.76m、0.82m和0.9m附近,與Nd3+ :YAG的吸收譜帶相匹配。