激光器的基本组成及典型激光器介绍

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1、 理 学 院 物 理 系 1-3 典 型 激 光 器 简 介 2021年 4月 26日 星 期 一 一 、 激 光 器 的 基 本 组 成 （ Essential elements of a laser) 激 光 工 作 物 质 A laser medium （ 核 心 部 分 ） 泵 浦 系 统 A pumping process （ 光 能 、 电 能 、 原 子 能 、 化 学 能 ） 光 学 谐 振 腔 A suitable optical feedback elements 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 激 励 只

2、是 一 个 外 部 条 件 ， 激 光 的 产 生 还 取 决 于合 适 的 工 作 物 质 。 二 能 级 系 统 能 否 实 现 粒 子 数 反 转 ? 亚 稳 能 级 ： 需 要 一 个 可 以 有 较 长 寿 命 且 能 贮 存大 量 粒 子 的 能 级 ， 经 过 不 断 激 发 ， 粒 子 数 反 转 就能 实 现 ， 这 样 的 能 级 称 为 “ 亚 稳 能 级 ” 。 可 能 实 现 粒 子 数 反 转 分 布 的 系 统 可 归 结 为 三 能级 系 统 和 四 能 级 系 统 。1、 工 作 物 质 激 光 产 生 的 内 因 ， 实 现 粒 子数 反 转 和 产 生 光

3、 的 受 激 辐 射 作 用 的 物 质 体 系 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介粒 子 数 的 正 常 分 布 ？处 于 低 能 级 上 的 粒 子 数 在 热 平 衡 情 况 下 总 是 多 于 高 能级 上 的 粒 子 数 ， 受 激 吸 收 占 优 势 。粒 子 数 的 反 转 分 布 ？高 能 级 上 的 粒 子 数 大 于 低 能 级 上 的 粒 子 数 。如 何 实 现 粒 子 数 反 转 ？把 大 量 的 粒 子 从 低 能 级 “ 搬 运 ” 到 高 能 级 的 过 程 ， 称为 泵 浦 或 激 励 ； “

4、搬 运 ” 粒 子 的 工 具 “ 光 泵 ”泵 浦 系 统 为 实 现 粒 子 数 反 转 提 供 外 界 能 量 (A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels. ) 2、 泵 浦 系 统 粒 子 搬 迁 的 动 力 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 激 励 不 仅 要 快 ， 还 有 强 有 力 ； 激 励 作 用 是 通 过 消 耗 一

5、定 的 能 量 来 实 现 的 ， 产 生受 激 辐 射 所 需 要 的 最 小 激 励 能 量 称 为 激 光 器 的 阈 值（ threshold） ； 激 励 方 式 （ Practical laser materials can be pumped in many ways.） ： 光 、 电 、 化 学 、 原 子 能 ； 根 据 不 同 激 光 工 作 物 质 的 不 同 而 异 。 如 固 体 工 作物 质 常 用 强 光 照 射 激 励 ， 简 称 光 激 励 ； 气 体 工 作 物质 吸 收 光 谱 多 在 紫 外 波 段 ， 多 采 用 气 体 放 电 的 电 子碰 撞 激

6、 励 方 法 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介n光 激 励 -用 光 照 射 工 作 物 质 ， 工 作 物 质 吸 收 光 能 后 产 生 粒 子数 反 转 ， 可 采 用 高 效 率 、 高 强 度 的 发 光 灯 、 太 阳 能 和 激 光 ；n放 电 激 励 -在 放 电 过 程 中 ， 气 体 分 子 （ 或 原 子 ， 离 子 ） 与 被电 场 加 速 的 电 子 碰 撞 ， 吸 收 电 子 能 量 后 跃 迁 到 高 能 级 ， 形 成粒 子 数 反 转 ； n热 能 激 励 -用 高 温 加 热 方 式 使 高

7、 能 级 上 气 体 粒 子 数 增 加 ， 然后 突 然 降 低 气 体 温 度 ， 因 高 、 低 能 级 的 热 驰 豫 时 间 不 同 ， 可使 粒 子 数 反 转 ；n化 学 能 激 励 利 用 化 学 应 过 程 中 释 放 的 能 量 来 激 励 粒 子 ，建 立 粒 子 数 反 转 。 为 产 生 化 学 反 应 ， 一 般 还 需 采 用 一 定 的 引发 措 施 ， 如 采 用 光 引 发 、 电 引 发 、 化 学 引 发 等 方 式 ；n核 能 激 励 用 核 裂 变 反 应 放 出 的 高 能 粒 子 、 放 射 线 或 裂 变碎 片 等 来 激 励 工 作 物 质

8、， 也 可 实 现 粒 子 数 反 转 ； 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介谐 振 腔 的 作 用 ： 模 式 选 择 、 提 供 轴 向 光 波 模 的反 馈 ， 产 生 光 放 大 ；谐 振 腔 的 组 成 ： 谐 振 腔 由 全 反 射 镜 和 部 分 反 射镜 （ 输 出 反 射 镜 ） 组 成 ， 激 光 由 部 分 反 射 镜 输出 。 根 据 实 际 情 况 选 用 稳 定 腔 、 非 稳 腔 或 临 界稳 定 腔 。3、 谐 振 腔 ： 形 成 激 光 振 荡 的 必 要 条 件 ； 对 输 出的 模 式 、 功

9、率 、 光 束 发 散 角 等 均 有 很 大 影 响 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介工 作 物 质 形 态 -可 以 分 为 气 体 、 固 体 、 半 导体 、 液 体 等 ；工 作 方 式 -连 续 工 作 (CW or continuous wave lasers)和 脉 冲 工 作 (Pulsed lasers)；激 光 技 术 -调 Q激 光 器 (Q-switched lasers)、锁 模 激 光 器 (Mode locked lasers)、 倍 频 激 光 器(Frequency doubling las

10、ers)、 可 调 谐 激 光 器(Tunable lasers)、 单 模 和 多 模 激 光 器 (Single-mode and Multi-mode lasers)等 。二 、 激 光 器 的 分 类 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介(1)气 体 激 光 器 :以 气 体 或 金 属 蒸 气 为 发 光 粒 子 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 气 体 激 光 器 的 激 励 方 式 很 多 ， 最 普 通 的 激励 方 式 是 气 体 放 电 激 励 。 气

11、 体 激 光 器 的 工 作 物 质 种 类 多 ， 又 能 采 用 多种 激 励 方 式 ， 所 以 覆 盖 的 波 段 宽 ， 从 紫 外 到亚 毫 米 波 。 是 目 前 种 类 最 多 、 激 励 方 式 最 多样 化 、 激 光 波 长 分 布 区 域 最 宽 、 应 用 最 广 泛的 一 类 激 光 器 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 氦 一 氖 气 体 激 光 器 ： 原 子 激 光 器 类 ， 1961年 实 现激 光 输 出 ， 多 采 用 连 续 工 作 方 式 ， 输 出 功 率 与 放电 毛 细 管

12、长 度 有 关 ； 输 出 激 光 方 向 性 好 ， （ 发 散角 达 1mrad以 下 ） ， 单 色 性 好 （ 可 小 于 20Hz） ，输 出 功 率 和 波 长 能 控 制 得 很 稳 定 ; He-Ne激 光 器 的 结 构 形 式 很 多 ， 但 都 是 由 激 光 管和 激 光 电 源 组 成 。 激 光 管 由 放 电 管 、 电 极 和 光 学谐 振 腔 组 成 ， 放 电 管 是 He-Ne激 光 器 的 心 脏 ， 是 产生 激 光 的 地 方 ， 放 电 管 通 常 由 毛 细 管 和 贮 气 室 构成 。He-Ne(氦 -氖 )激 光 器 (helium-neon

13、 gas laser) 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 由 于 增 益 低 ， 谐 振 腔 一 般 用 平 凹 腔 ; 放 电 管 中 充 入 一 定 比 例 的 氦 （ He） 、 氖（ Ne） 气 体 ， 当 电 极 加 上 高 电 压 后 ， 毛 细 管中 的 气 体 开 始 放 电 使 氖 原 子 受 激 ， 产 生 粒 子数 反 转 ， 产 生 激 光 跃 迁 的 是 Ne气 ， He是 辅 助气 体 ， 用 以 提 高 Ne原 子 的 泵 浦 速 率 ; 最 强 的 谱 线 有 三 条 ： 0.6328m（ 红 色

14、） 、3.39m和 1.15m ， 常 用 的 为 0.6328m 四 能 级 系 统 . 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介（ 2） 固 体 激 光 器 (Solid-state lasers) 激 光 介 质 :由 掺 杂 于 固 体 基 质 中 的 金 属 离 子（ 也 称 激 活 离 子 ） 和 基 质 所 组 成 。 工 作 物 质 的物 理 、 化 学 性 能 主 要 取 决 于 基 质 材 料 ， 它 的 光谱 特 性 主 要 由 激 活 离 子 的 能 级 结 构 决 定 ， 但 受基 质 材 料 的 影 响 ， 光

15、 谱 特 性 将 有 所 变 化 ， 有 的甚 至 变 化 很 大 。 可 作 激 活 离 子 的 元 素 有 四 大 类 ： 过 渡 族 金 属离 子 、 三 价 稀 土 金 属 离 子 、 二 价 稀 土 金 属 离 子 、锕 系 离 子 ， 覆 盖 的 波 长 2753022nm。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介基 质 材 料 分 为 玻 璃 和 晶 体 两 大 类 。 常 用 的 基 质 玻 璃 有 ： 硅 酸 盐 玻 璃 、 硼 酸 盐 玻璃 、 磷 酸 盐 玻 璃 、 氟 化 物 玻 璃 ; 晶 体 有 金 属 氧

16、化 物 、 氟 化 物 、 酸 盐 晶 体 ; 典 型 代 表 有 红 宝 石 、 Nd3+： YAG(Nd3+ ions in yttrium aluminum garnet)、 钕 玻 璃 激 光 器(Neodymium-glass laser); 特 点 ： 能 量 大 、 峰 值 功 率 高 、 结 构 紧 凑 、 牢固 耐 用 等 优 点 ， 广 泛 应 用 于 工 业 、 国 防 、 医 疗 、科 研 等 方 面 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 固 体 激 光 器 一 般 都 是 用 光 泵 浦 。 最 常 用

17、的 泵浦 光 源 有 惰 性 气 体 放 电 灯 、 金 属 蒸 气 灯 、 卤 化物 灯 、 半 导 体 激 光 器 、 日 光 泵 等 ， 日 光 泵 适 用于 空 间 技 术 中 的 激 光 器 。 用 半 导 体 激 光 二 极 管 泵 浦 的 固 体 激 光 器 是 90年 代 激 光 发 展 的 主 要 方 向 之 一 ， 兼 容 了 二 者 的优 点 ， 泵 浦 效 率 高 ， 体 积 小 、 结 构 紧 凑 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介一 般 固 体 激 光 器 ： 由 工 作 物 质 、 泵 浦 系 统

18、、 谐 振腔 和 冷 却 滤 光 系 统 四 个 主 要 部 分 组 成 。有 连 续 工 作 (Continuous Wave)和 脉 冲 (Pulsed Wave)两 种 工 作 方 式 ； 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介红 宝 石 激 光 器 (Ruby Laser)红 宝 石 是 掺 有 少 量 Cr3+离 子 的 Al2O3单 晶 。E1为 基 态 ， E2为 亚 稳 态 ， E3是 大 量 能 级 组 成 的 能 带 。光 放 大 在 E2和 E1间 产 生 ， 波 长 为 694.3nm。 三 能 级 系 统 。激

19、 光n 1n2 氙 灯 泵 浦 n1减 少 ， n2增 加自 发 辐 射 （ 荧 光 ） 氙 灯 光 强 继 续 增 加 到n2n1粒 子 数 反 转 分 布光 放 大 器 光 强 继 续 增 加 到 某 一 阈 值满 足 振 荡 条 件 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介半 导 体 激 光 器(Semiconductor laser or laser diode) 半 导 体 激 光 器 以 半 导 体 为 工 作 物 质 ， 常 用材 料 有 GaAs（ 砷 化 镓 ） 、 InP等 。 利 用 半 导体 中 载 流 子 （ 电

20、 子 或 空 穴 ） 在 导 带 和 价 带 之间 的 受 激 跃 迁 而 实 现 受 激 辐 射 光 放 大 。 （ 半导 体 中 的 电 流 是 电 子 和 空 穴 的 移 动 而 形 成 的 ，称 为 载 流 子 。 ） 具 有 小 型 、 高 效 率 、 结 构 简 单 、 价 格 便 宜等 优 点 ， 在 光 纤 通 信 、 激 光 唱 片 、 光 盘 、 数显 、 准 直 等 领 域 得 到 广 泛 应 用 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介液 体 激 光 器 有 机 化 合 物 液 体 （ 染 料 ） 激 光 器

21、（ 简 称 染 料 激光 器 ） 和 无 机 化 合 物 液 体 激 光 器 （ 简 称 无 机 液 体激 光 器 ） 。 染 料 激 光 器 ： 若 丹 明 6G、 隐 花 青 ， 豆 花 素 特 点 ： 激 光 波 长 可 调 谐 且 调 谐 范 围 宽 广 、 可 产生 极 短 的 超 短 脉 冲 （ 3fs） 、 可 获 得 窄 的 谱 线 宽 度 广 泛 应 用 到 光 生 物 学 、 光 谱 学 、 光 化 学 同 位 素分 离 、 全 息 照 像 等 技 术 中 ， 研 究 物 质 的 瞬 态 变 化过 程 及 微 观 动 力 学 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 2

22、6日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介染 料 激 光 器 (Dye lasers)一 种 波 长 连 续 可 调 的 激 光 器 ， 染 料 分 子 的 吸 收 光谱 和 荧 光 光 谱 均 为 宽 带 结 构 ， 这 是 由 染 料 特 殊 的 分子 结 构 造 成 的 ， 也 是 能 波 长 连 续 可 调 的 原 因 。 可 采用 光 栅 、 棱 镜 、 法 布 里 一 珀 罗 干 涉 仪 、 双 折 射 滤 光片 等 调 谐 元 件 ；主 要 采 用 光 泵 浦 ， 即 用 短 脉 冲 宽 度 的 闪 光 灯 泵 浦或 其 它 激 光 器 泵 浦 ； 脉 冲 泵 浦 和

23、连 续 泵 浦 ；调 谐 范 围 随 泵 浦 光 波 长 变 化 ， Nd:YAG激 光 器 泵 浦时 ， 调 谐 范 围 最 大 ， 达 3001400nm； 对 比 ： 固 体 可 调 谐 激 光 器 ： 掺 钛 蓝 宝 石 激 光 器 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介其 它 激 光 器光 纤 激 光 器化 学 激 光 器气 动 激 光 器色 散 激 光 器自 由 电 子 激 光 器单 原 子 激 光 器X射 线 激 光 器 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介光

24、 纤 激 光 器 (Fiber lasers) 属 于 固 体 激 光 器 。 光 纤 的 典 型 结 构 为 多 层 同 轴 圆 柱 体 ， 自 内 向 外 为 纤芯 、 包 层 和 涂 覆 层 。 (core, cladding and coating) 纤 芯由 高 度 透 明 的 材 料 组 成 ， 是 光 波 的 主 要 传 输 通 道 ； 包层 的 折 射 率 略 小 于 纤 芯 ， 形 成 光 波 导 效 应 ， 使 光 的 传输 束 缚 在 纤 芯 中 ， 并 使 传 输 性 能 稳 定 。 涂 覆 层 包 括 一次 涂 覆 、 缓 冲 和 二 次 涂 覆 ， 保 护 光 纤

25、不 受 水 汽 的 侵 蚀和 机 械 的 擦 伤 ， 同 时 又 增 加 光 纤 的 柔 韧 性 ， 延 长 光 纤寿 命 。 多 模 光 纤 ： 能 够 传 导 多 种 模 式 的 光 纤 ， 其 截 面 尺 寸较 大 ， 阶 跃 多 模 光 纤 芯 径 50m， 包 层 直 径 125m。 单 模 光 纤 ： 只 能 传 导 一 种 模 式 的 光 纤 ， 其 纤 芯 直 径很 小 ， 约 在 410m范 围 ， 包 层 直 径 125m。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 一 般 将 稀 土 元 素 离 子 掺 杂 在 纤

26、芯 中 。 主 要 通 过 其 它 激 光 器 激 励 。 为 使 结 构 紧 凑 ， 优 先 使用 半 导 体 激 光 器 作 为 泵 浦 源 。 20世 纪 80年 代 后 期 ， 英 国 南 安 普 敦 大 学 的 佩恩 （ D. N. Payne） 等 人 发 展 了 工 作 于 最 小 通信 损 耗 窗 口 1550nm光 纤 放 大 器 。 由 于 泵 光 难 以 有 效 地 耦 合 进 光 纤 芯 中 ， 限 制了 它 作 为 高 功 率 的 光 子 源 。 同 期 美 国 麻 省 宝丽 来 公 司 研 究 发 展 了 包 层 泵 浦 方 式 ， 解 决 了这 一 难 题 。 理

27、 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介 双 包 层 结 构 光 纤 包 括 两 个 包 层 。 纤 芯 被 包 在 比 其 折射 率 低 的 内 层 硅 材 料 之 中 ， 内 层 被 具 有 更 低 折 射 率 的外 层 聚 合 物 所 包 含 。 内 层 被 设 计 成 形 状 和 结 构 适 合 于有 效 耦 合 端 面 泵 浦 的 高 功 率 半 导 体 激 光 器 的 泵 浦 光 。由 于 外 层 的 限 制 ， 进 入 内 层 的 泵 光 传 入 光 纤 芯 ， 激 发掺 杂 的 离 子 ， 产 生 较 强 的 光 束 输 出

28、 。 易 与 光 纤 传 输 系 统 连 接 ， 大 功 率 、 宽 波 段 、 结 构 紧凑 、 运 转 可 靠 、 具 有 高 性 能 性 价 比 的 光 纤 激 光 器 ， 已经 或 将 在 航 天 航 空 、 生 命 科 学 、 医 学 、 材 料 科 学 、 精密 机 械 加 工 、 家 庭 电 视 、 广 告 显 示 、 印 刷 业 、 光 通 信等 领 域 得 到 广 泛 应 用 。 理 学 院 物 理 系 2021年 4月 26日 星 期 一 1-3 典 型 激 光 器 简 介化 学 激 光 器（ 1 ） 通 过 化 学 反 应 实 现 粒 子 数 反 转 的 激 光 器 。其 工 作 物 质 多 用 气 体 ， 但 在 化 学 反 应 的 引 发 、粒 子 数 反 转 过 程 等 方 面 的 特 殊 性 ， 一 般 不 列 入气 体 激 光 器 。（ 2 ） 化 学 反 应 物 质 本 身 蕴 藏 巨 大 的 化 学 能 ，基 本 无 需 外 界 提 供 能 力 ， 对 外 依 赖 性 很 小 ， 装置 体 积 不 大 ， 重 量 轻 ， 对 野 外 和 军 事 应 用 求 之不 得 。（ 3 ） 工 作 物 质 多 有 毒 。