次典型激光器学习教案

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1、会计学1次典型激光器次典型激光器第一页，编辑于星期二：七点 三十分。222*1961He-NeCO,N ,O ,CO ,XeCl+r一、概述年，发明激光器。He,Ne,Ar,Kr,Xe等惰性气体原子气体激光器金属原子蒸汽（铜、锡）水蒸气气体激光器 分子气体激光器准分子激光器惰性气体离子（A 激光器）离子气体激光器金属蒸汽离子2022-6-282第1页/共68页第二页，编辑于星期二：七点 三十分。COkWCO2离子激光器是利用电离后的气体离子产生激光气体激光器的特点：（1） 工作波长极其丰富，从真空紫外到毫米波范围，输出谱线上万条。（2） 激光器的性能有很大提高。激光器的功率可以达到100；激光

2、器的效率可达40%，器件寿命达到上万小时。2022-6-283第2页/共68页第三页，编辑于星期二：七点 三十分。He-Ne1He-Ne三、激光器、激光器的结构套管放电管 毛细管（工作区）贴镜管阳极（钨棒）激光管 电极 阴极（用电子发射率高和溅结构射率小的铝及其合金制成）全反镜（99%）光学谐振腔部分反射镜（98%）激光电源2022-6-284第3页/共68页第四页，编辑于星期二：七点 三十分。根据放电管和谐振腔的放置方式不同，激光器可以分为外腔式、内腔式和半内腔式三种。2022-6-285第4页/共68页第五页，编辑于星期二：七点 三十分。2022-6-286第5页/共68页第六页，编辑于星

3、期二：七点 三十分。655555He-NeHe-NeHeNeNeNe2222322222222pppppp222222222222激光器的发光机理在激光器中，原子只起到传递能量的作用，实际发光的是原子，原子属于惰性气体。原子有10个核外电子基态电子组态：1ss激发态：1sss 1ss3p 1ss4s 1ss4p 1ss5s2022-6-287第6页/共68页第七页，编辑于星期二：七点 三十分。65555220S223222ppppppppp221022满壳层结构的基态1ss恰好形成一个封闭的壳层，称为原子实。原子实的轨道角动量、自旋角动量以及总角动量均等于基态：考虑：（1）1sss情况 一个

4、电子是满壳层缺失一个 电子， 的轨道角动量、自旋角动量以及总角动量与一个 电子的相同。这就相当于一个2 电子和一个3s电子耦合。2022-6-288第7页/共68页第八页，编辑于星期二：七点 三十分。112212121210,1,211 1,0,22,1,.,1,0,1plslsLSLll llllLSpJpJ132电子 3s电子 耦合单态（s=0） =1 三重态（s=1) =0,1,2将这四个态记为1s态。2022-6-289第8页/共68页第九页，编辑于星期二：七点 三十分。5551122222222 1 1,21 1,20,1,2ppppppplsplsLS222222同理1ss4s及1

5、ss5s.均有四个能级记为2s和3s态（2） 1ss3 情况相当于一个2电子和一个3电子耦合2电子 3电子 =0，12022-6-2810第9页/共68页第十页，编辑于星期二：七点 三十分。5S1(0)2,1,0(1)3,2,1(2)22JLJLLpppp1110123130,1,231,2,322单态（s=0） =0，1，2， P ,DS三重态（s=1) =PD共十个原子态，记为2 态。同理1ss4 也有10个原子态，记为3 态。2022-6-2811第10页/共68页第十一页，编辑于星期二：七点 三十分。2022-6-2812第11页/共68页第十二页，编辑于星期二：七点 三十分。11He

6、-Ne0.6328()221.152333.390.1spmcmspmspmcm1-323激光器的主要谱线32 应用广泛，在可见光 波段，10 （最强） （谱线较强，增益）2022-6-2813第12页/共68页第十三页，编辑于星期二：七点 三十分。*10*311He+eHe (2 S )+eeeHe+eHe (2 S )+e1301（3）跃迁过程）高速电子碰撞He原子，激发到上能级2 S 和2 S ：碰撞前电子， ：碰撞后电子 “ ”表示处于激发态2022-6-2814第13页/共68页第十四页，编辑于星期二：七点 三十分。2HeNeNeNeHeHe ()NeNeHe ()NeNe2 323

7、s spp3110）处于上能级的原子与原子发生非弹性碰撞将能量传递给原子，从而使原子激发到上能级（2S、3S），原子则回到基态。2 S(2S)+He+(0.039ev) 2 S(3S)+He+(0.048ev)（上能级、 粒子跃迁到下能级、 产生激光）2022-6-2815第14页/共68页第十五页，编辑于星期二：七点 三十分。3.1 ,2 ,3He423151a sssbppppss1301）形成粒子数反转产生激光以及的2 S ，2 S是亚稳态，能级寿命长，可以积累大量粒子。.2 ,3 能级寿命很短） 、 上粒子再通过自发辐射跃迁到) 上粒子通过与管壁碰撞回到基态2022-6-2816第15

8、页/共68页第十六页，编辑于星期二：七点 三十分。241242243133He-Ne 320.6328221.52333.39spmspmspmmmm激光器的输出谱线：和有共同的激光上能级，且3.39激光的增益要大于0.6328的增益，为了抑制谱线的产生，可以通过镀膜来实现，使得反射镜对0.6328有较高的反射率。2022-6-2817第16页/共68页第十七页，编辑于星期二：七点 三十分。2222三、CO 激光器CO 激光器属于分子气体激光器，广泛应用于金属切割。优点：（1）有比较大的功率和较高的能量转换效率（一般的CO激光器可以做到几十瓦的连续输出，最高的气动CO 激光器可以达到几十万瓦的

9、连续输出，它的能量转换效率可达3040%。）（2）输出谱线很丰富，在10 m附近有几十条。（3）输出波段正好是大气窗口（大气的吸收率比较低）2022-6-2818第17页/共68页第十八页，编辑于星期二：七点 三十分。2.bdca131、工作原理激光输出的能级为电子基态的振动-转动能级间的跃迁。振动方式：对称振动（ ）图（6-1-7 ）b.反对称振动（ ）图（6-1-7 ）c.形变振动（ ）（弯曲振动）图（6-1-7 ）2022-6-2819第18页/共68页第十九页，编辑于星期二：七点 三十分。2J01llJ JJJJJ2132下上CO 分子的振动状态用（ 、 ）表示。（ 用来区分形变振动的

10、两种振动形式）CO 分子除了振动还有转动，转动量子数用表示。转动跃迁的选择定则：=，=-1，P支跃迁，=+1R支跃迁；=0，Q支跃迁2022-6-2820第19页/共68页第二十页，编辑于星期二：七点 三十分。2022-6-2821第20页/共68页第二十一页，编辑于星期二：七点 三十分。21222CO41%0.291Phmev 1702.工作特性（1）量子效率激光辐射能量=激励能量原子气体激光器的效率较低，分子气体激光器的效率较高。分子激光器10.6谱线：0.291ev-(0.172ev课本)=2022-6-2822第21页/共68页第二十二页，编辑于星期二：七点 三十分。22222(2)N

11、He510Xe30%10%H:1:(1.52):(68):0.5:0.1CONHe Xe H 辅助气体对输出功率的影响起传递能量的作用提高输出功率，适量加入，提高倍提高输出功率与转换效率延长激光器寿命的作用2022-6-2823第22页/共68页第二十三页，编辑于星期二：七点 三十分。5226255514.510122331223333 ,34 ,34 ,343543437043434nmnmSSPSPSSPSPArArPdPsPPPdPssPsPnmPPPPs-4电离2262644444444四、其他几种气体激光器1.氩离子激光器输出波长488和能量转换效率很低，10范围基态：（）的激发态：

12、,其中：（基态）辐射真空紫外光 可见光2022-6-2824第23页/共68页第二十四页，编辑于星期二：七点 三十分。2022-6-2825第24页/共68页第二十五页，编辑于星期二：七点 三十分。654544333(4,5)33(3,4)3ArArArArPeArPeArP nse nArPeArP nde nArPpe激发过程：a、二步过程高气压放电过程原子与电子碰撞形成，再与电子碰撞被激发到高能级。（）（） 2（）（）（）（4 ）2022-6-2826第25页/共68页第二十六页，编辑于星期二：七点 三十分。6433bArPeArP、“一步过程”低气压放电过程（）（4P）+2e一般情况下

13、，低气压放电过程中，一步激发占主导地位，高气压放电过程中，二步过程为主。为什么？低气压环境中，气体分子的密度小，平均自由程较大，电子可以被加速到较大速度，能量高，所以可以“一步到位”。而高气压环境中，气体分子的密度大，平均自由程较小，电子还没有加速到较大速度就与气体分子发生碰撞，所以能量小，需两次碰撞才能完成激发过程。2022-6-2827第26页/共68页第二十七页，编辑于星期二：七点 三十分。氩离子激光器的结构：2022-6-2828第27页/共68页第二十八页，编辑于星期二：七点 三十分。XeXeXeXe2、准分子激光器 以惰性气体为例，一般情况下，不能形成分子，只能以原子形式存在。在外

14、界的激励下，处于激发态的原子，可以与另一个原子暂时结合在一起，寿命只有几十纳秒，称为准分子。2022-6-2829第28页/共68页第二十九页，编辑于星期二：七点 三十分。s-8-13这种准分子的激发寿命在10 ns量级，基态寿命更短10，或者说，准分子基态上基本没有粒子，这样在激发态和基态之间很容易形成粒子数反转。所以这种激光器具有较高的量子效率，净效率可达1015%2022-6-2830第29页/共68页第三十页，编辑于星期二：七点 三十分。*2*2Xe+eXe +eXe +2XeXe +Xe+XeXe+XeXe0.173hm激发过程 表示激发态准分子激光波长2022-6-2831第30页

15、/共68页第三十一页，编辑于星期二：七点 三十分。2*2*XeFXe+eXe +eXe +FXe F+F+XeFXe+ +F h对于稀有气体卤化物准分子激光器，以和 为例因为准分子寿命比较短，一般做成的激光器都是在脉冲条件下工作的。2022-6-2832第31页/共68页第三十二页，编辑于星期二：七点 三十分。2022-6-2833第32页/共68页第三十三页，编辑于星期二：七点 三十分。3+2031534387NdYAG10He-Ne1021010He-Ne1010cmcmss19固体激光器是以掺杂的离子型绝缘晶体和玻璃作为工作物质的激光器，最成熟的激光器有：红宝石激光器、：激光器、钕玻璃激

16、光器。一、特点（1）能储存大量能量，输出功率高1）受激发射离子浓度高10 ）上能级寿命较长而气体激光器上能级寿命一般很短的上能级寿命为2022-6-2834第33页/共68页第三十四页，编辑于星期二：七点 三十分。（2）尺寸小，结构紧凑，机械强度好，使用方便（3）能量转换环节多，效率低，只有百分之几。激光棒（工作物质）激励光源基本组成聚光器谐振腔2022-6-2835第34页/共68页第三十五页，编辑于星期二：七点 三十分。1100.70.50.4FFFF二、工作物质、物理特性激光器对工作物质的物理特性有下列要求：（1）宽的吸收带和大的吸收系数提高抽运速率（2）高的荧光量子效率发射荧光光子数吸

17、收光子数优质红宝石，一般左右钕玻璃2022-6-2836第35页/共68页第三十六页，编辑于星期二：七点 三十分。422832.4 10He-Ne101281,Nd.1323ssnmnm3+上3+（3）亚稳态寿命长增益高寿命越长亚稳态积累的粒子越多，反转粒子数越多，增益越大。YAG晶体中钕离子Nd ，能级寿命 （4）掺杂浓度高提高激光输出功率YAG中Y 半径0.而离子半径0晶体畸变2022-6-2837第36页/共68页第三十七页，编辑于星期二：七点 三十分。021051=(6) HHHGB h2211（ ）荧光谱线宽度小，增益高g2（ ）（n -n）gc热导率高 固体激光器工作时，会产生大量

18、的热量，温度升高会严重影响器件性能，所以要求工作物质传热要好。2022-6-2838第37页/共68页第三十八页，编辑于星期二：七点 三十分。223-1、光学质量晶体在光学质量上的缺陷会引起光的散射，吸收和退偏，这些因素都会使器件阈值升高效率下降，严重时甚至不能发出激光。1）吸收损耗小由杂质引起的吸收系数 0.995。2022-6-2862第61页/共68页第六十二页，编辑于星期二：七点 三十分。443112246fFI3+Nd 离子壳层上的三个电子还会受到周围晶格场的影响，能级产生斯塔克分裂。对1.06 m谱线， 分裂为两个能级， 分裂为 个子能级，总共形成了8条荧光谱线。2022-6-28

19、63第62页/共68页第六十三页，编辑于星期二：七点 三十分。4431322443922443152231.319.946.883FImFImFIm180在实际的激光谱线中发现了其中的7条（表6-2-1 P ）还另外发现了 条，那就是由012022-6-2864第63页/共68页第六十四页，编辑于星期二：七点 三十分。3+3+3+Nd :YAG属四能级系统，量子效率高，它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多，而且Nd :YAG晶体的热导率很高，是钕玻璃的十几倍，所以它很适合用做连续或高频率的器件，可以实现在室温下连续工作。在中小功率脉冲器件中，特别是高频脉冲器件中，Nd :YAG是应用最多、最广泛的固

20、体工作物质。1964年，出现较晚，但发展很快，还可用于倍频和锁模器件。2022-6-2865第64页/共68页第六十五页，编辑于星期二：七点 三十分。3+203 196115%3%3 10 cm23六、钕玻璃激光器年出现的，光学玻璃中掺入Nd O 重量比时，Nd 离子浓度玻璃的制备工艺比较成熟，能获得和很好的光学均匀性，可以做成大尺寸。2022-6-2866第65页/共68页第六十六页，编辑于星期二：七点 三十分。1230100优点：大尺寸，长度米，直径mm， 可做成脉冲频率比较低的大能量激光器。缺点： （1）、热性能和机械性能差。 （它的热导率比YAG低一个数量级，不易冷却， 散热不好） （2）、热膨胀系数大，受热变形很严重，不适用 连续或高频率激光器 2022-6-2867第66页/共68页第六十七页，编辑于星期二：七点 三十分。443922443112244313220.92.06.3530.60.90.30.7FImFImFIm3+3+3+光谱特性：与Nd :YAG基本相同（1）吸收光谱带与Nd :YAG相似，但吸收带较宽（2） 1 1（ ）荧光寿命比Nd :YAG长，ms，量子效率为，较YAG低。2022-6-2868第67页/共68页第六十八页，编辑于星期二：七点 三十分。