激光器种类

激光器种类 激光器分类 •按工作物质分类Gain Medium : –气体激光器Gas Laser 有He-Ne(632.8nm,1.15μm, 3.39μm) CO2(10.6μm) Ar+(488nm,514.5nm) N2(337.1nm,357.7nm,315.9nm) –染料激光器Dye Laser 优点：可调谐 –固体激光器Solid State (Doped Insulator) Laser Nd3+:YAG掺钕钇铝石榴石1.064μm Ti:sapphire(Ti:Al2O3)钛蓝宝石660-1180nm –半导体激光器Semiconductor Laser 工作原理有一定差别，光通信中应用广泛 0.8μm－1.3μm－1.5μm 气体激光器与固体激光器的比较 固体：密度大，粒子多，功率大；结构紧凑；工作稳定 气体：较均匀，激光质量较好 激光器分类 •按谐振腔分类 –无谐振腔 G足够大，激光放大器，行波 L足够大，光纤放大器 –有谐振腔 激光振荡器，驻波 稳定腔：FP腔，对称共焦腔 非稳腔： R1=R2=L 激光器分类 •按泵浦方式Excitation Method, Pump: –光泵 用于固体、液体激光器 –放电泵浦 用于气体激光器 放电－电离－电子与工作物质碰撞 电子动能－粒子位能 –电注入 用于半导体LASER 激光器分类 •按运行方式Operation Type : –连续波Continuous Wave Laser –脉冲Pulse Laser 调Q；锁模 峰值功率TW＝1012W 脉冲宽度fs＝10-15s 激光器的结构 •工作物质、谐振腔、泵浦源 激光器举例 •红宝石激光器Ruby Laser •氦氖激光器He-Ne Laser 固体激光器 •光激活物质(<1%)掺入固体材料中 •固体物质必须是透明的 •常见的固体基质材料: 1) 玻璃 2) 蓝宝石（单晶 Al2O3）Sapphire 3) 钇铝石榴石YAG（Y3Al5O12） 红宝石激光器 •工作物质：Cr3+(发光) Al2O3(基质) •谐振腔：稳定腔 •光泵 +电源- Cr3+ Al2O3 Xe灯 R1 R2 触发 F1棒 F2灯 Ruby Laser •工作过程 •电源接通（未放电） －触发（高压脉冲） －Xe灯发光－通过聚 光腔聚到工作物质上 －Cr吸收部分光能量 跃迁4F－通过无辐射 跃迁(晶格振动)到 2E(形成粒子数反转) －受激辐射回到基态 (694.3nm) +电源- Cr3+ Al2O3 Xe灯 R1 R2 触发 10-9s 10-3s Ruby Laser •注意： 光泵的工作过程 如何形成粒子数反转 •三能级系统（二能级） •红宝石激光器：效率较低<1%－转换环节 太多 三能级系统 •三能级系统：激光下能级是基态 321 nnnn  21 nnn  12 nnn 令   nnnn 2 1 2 1 2  E3寿命很短，n3~0 至少要泵浦一半的粒子 到E3--阈值高，效率低 气体激光器 •气体激光器不宜采用光源泵浦，气体工 作物质吸收谱线宽度小 •放电泵浦 He-Ne Laser •工作物质：He Ne混合气体，体积比8：2，少 量N2 •He通过电离产生电子 •Ne原子－发光粒子 +电源- R1 R2 He-Ne Laser •工作过程 He Ne s He-Ne Laser 工作过程 1、放电－He电离产生电子 2、He与电子碰撞 3、能量共振转移 形成粒子数反转(能级寿命上10-7s :下10-8s) He Ne     eSHeeSHe  11 21        21011 312 SNeSHeSNeSHe         21013 212 SNeSHeSNeSHe  He-Ne Laser 工作过程 4、受激辐射 5、紫外辐射 6、下能级排空 He Ne mPS 39.333 42  nmPS 8.63223 42  mPS 15.122 42     sNePPNe 12,3 44     011 SNeSNe  He-Ne Laser 工作过程 6、下能级排空 通过Ne与管壁的碰撞，管壁发热 放电管很细（2－3mm），加大碰撞几 率，利于碰撞发生    011 SNeSNe  +电源- R1 R2 He-Ne Laser •注意： 激光上能级如何激励 激光下能级如何排空 四能级系统 •四能级系统：激光下能级不是基态 3210 nnnnn  212 nnnn 令 E3寿命很短，n3~0 n2>0即可--阈值低，效 率高 E1及时排空，n1~0 He-Ne Laser •谱线竞争：几条谱 线共有相同的上能 级（或下能级） 时，竞争粒子数的 现象 •632.8nm-3.39μm He-Ne Laser •控制方法： •①全反射镀膜，对 632.8nm反射率～ 100％，对3.39 μm 和1 .15 μm反射率很 低，损耗>增益 •②棱镜/光栅分光 Nd:YAG掺钕钇铝石榴石 •四能级系统，易于Pump •单晶YAG是基质 Y3Al5O12 •发光物质 Nd，doped <1% by weight •可连续运行，YAG热导性高，易于散热 •也可脉冲方式运行 •Pump：闪光灯，LD Nd:YAG掺钕钇铝石榴石 Ti:Sapphire钛蓝宝石 •可调谐（660-1180nm） Ti:Sapphire •Pumping Ti:Sapphire •Emission CO2 Laser •> 1 atm 一定压力的 CO2, N2, He • 电子－pump －N2 • N2 －pump －CO2 • CO2是活性工作物质 •高功率 (kW) CO2 Laser •振动能级 CO2 Laser 9.6 10.6μm001 020 100 010 000 CO2 Laser 工作过程 •①放电，气体电离产生电子 •②激励 或 或        10000100000 2222  nCOCOnCOCO     eCOeCO  001000 22        00011000 2222 NCONCO      eNeN  10 22 共振转移 001 CO2 Laser 工作过程 •③受激辐射 •④下能级排空(碰撞排空)       12 22 0102 000100 ECO COCO         22 22 0102 000020 ECO COCO         32 22 0002 000010 ECO COCO       mCOCO 6.10100001 22     mCOCO 6.9020001 22  9.6 10.6μm001 020 100 010 000