第5章激光器件

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1、13:021速率方程速率方程增益饱和增益饱和激激 光光 器器工作特性工作特性振荡阈值振荡阈值振荡模式振荡模式输出功率输出功率输出线宽输出线宽弛豫振荡弛豫振荡 放大的放大的自发辐射自发辐射选选 模模调调Q/锁模锁模/放大放大稳稳 频频增益开关增益开关DFB激光器激光器谐振腔谐振腔理理 论论高斯光束高斯光束无谐振腔无谐振腔激激 光光 器器13:0225.1.1 激光器的基本结构激光器的基本结构工作物质工作物质谐振腔谐振腔泵浦源泵浦源由由工作物质工作物质、泵浦源泵浦源、光学谐振腔光学谐振腔三个部分组成三个部分组成工作物质是产生光的受激辐射放大作用源泉工作物质是产生光的受激辐射放大作用源泉泵浦源为工作

2、物质实现粒子数反转提供能源泵浦源为工作物质实现粒子数反转提供能源谐振腔为激光振荡的建立提供正反馈，并影响输出激光束的谐振腔为激光振荡的建立提供正反馈，并影响输出激光束的质量质量1960年，美国人梅曼（年，美国人梅曼（Maiman)首次在实验室用红宝石晶体获得了激首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。光输出，开创了激光发展的先河。13:0235.1.2 激光器的分类及特点激光器的分类及特点按激光按激光工作物质工作物质分类，可分为分类，可分为气体激光器、固体激光器、气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、自由电子激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激

3、光器、自由电子激光器、X射线激光器、光纤激光器射线激光器、光纤激光器等等1.气体激光器气体激光器 1961年第一台氦氖激光器年第一台氦氖激光器气体激光器以气体激光器以气体气体和和金属蒸汽金属蒸汽为工作物质为工作物质原子气体激光器原子气体激光器分子气体激光器分子气体激光器离子气体激光器离子气体激光器产生激光作用的是未电离的原子，产生激光作用的是未电离的原子，如氦氖激光器如氦氖激光器产生激光作用的是未电离的分子，产生激光作用的是未电离的分子，如如CO2分子分子, N2分子分子， 准分子激光器准分子激光器产生激光作用的是已电离的离子，产生激光作用的是已电离的离子，如如Ar+激光器激光器13:024气

4、体激光器的特点气体激光器的特点（1）已观察到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫）已观察到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外到远红外整个光谱区。外到远红外整个光谱区。（2）工作物质均匀性好，使得输出光束质量较高。）工作物质均匀性好，使得输出光束质量较高。（3）容易实现大功率连续运转，如二氧化碳激光器可达万瓦级）容易实现大功率连续运转，如二氧化碳激光器可达万瓦级（4）转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。）转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。（5）气体浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器）气体浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器气体激光器被广

5、泛应用于准直、导向、计量、材料加工、气体激光器被广泛应用于准直、导向、计量、材料加工、全息照相及医学、育种等领域。全息照相及医学、育种等领域。泵浦方式泵浦方式一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等。励、热激励、化学反应激励等。13:0252.固体激光器固体激光器 将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、化学性质主要取决于基质材料，而它的化学性质主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由发光粒光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定子的能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其

6、光谱特，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化。性将有所变化。激活粒子可分为四类激活粒子可分为四类（1）三价稀土金属离子（）三价稀土金属离子（2）二价稀土）二价稀土金属离子（金属离子（3）过渡金属离子（）过渡金属离子（4）锕系金属离子）锕系金属离子基质材料有玻璃和晶体两类基质材料有玻璃和晶体两类常见的：红宝石（常见的：红宝石（Cr3+:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石（、掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG)、钕玻璃、掺钛蓝宝石钕玻璃、掺钛蓝宝石(Ti3+: Al2O3)常采用光泵浦，有闪光灯和半导体激光二极管两类常采用光泵浦，有闪光灯和半导体激光二极管两类突出特点：突出特点：可获得大的激光

7、能量输出可获得大的激光能量输出，但脉冲输出能量可达到，但脉冲输出能量可达到上万焦耳，脉冲峰值功率可达上万焦耳，脉冲峰值功率可达10131014瓦瓦/厘米厘米2。但热效应严。但热效应严重、连续输出功率不如气体高。重、连续输出功率不如气体高。13:0263.液体激光器液体激光器 1966年第一台染料激光器年第一台染料激光器工作物质为：有机化合物液体（染料）、无机化合物液体工作物质为：有机化合物液体（染料）、无机化合物液体波长范围波长范围300nm1.3m，激光波长连续可调。结构简单、价，激光波长连续可调。结构简单、价格低廉。但溶液的稳定性比较差。格低廉。但溶液的稳定性比较差。泵浦方式主要为光泵浦。

8、泵浦方式主要为光泵浦。4.半导体激光器半导体激光器 1962年，第一台年，第一台Ga-As激光器问世激光器问世半导体激光二极管，半导体激光二极管，Laser Diode (LD)采用注入电流的方式泵浦采用注入电流的方式泵浦波长范围：波长范围：920nm1.65 m,其中其中1.3 m和和1.55 m为光纤通讯为光纤通讯的两个窗口。具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、的两个窗口。具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、寿命长等优点。超小型化、结构简单、寿命长等优点。13:0275.化学激光器化学激光器 1964年第一台光解离碘原子化学激光器年第一台光解离碘原子化学激光

9、器通过化学反应实现粒子数反转。工作物质可以是气体也通过化学反应实现粒子数反转。工作物质可以是气体也可以是液体可以是液体采用化学激励，波长范围从紫外到红外，直至微米波段，采用化学激励，波长范围从紫外到红外，直至微米波段，共率高、能量输出高、不需外界提供泵浦源。共率高、能量输出高、不需外界提供泵浦源。6.自由电子激光器自由电子激光器工作物质是相对论电子束工作物质是相对论电子束7.X射线激光器射线激光器工作物质是高度电离的等离子体工作物质是高度电离的等离子体8.光纤激光器光纤激光器 1963年年按工作方式分激光器可分为按工作方式分激光器可分为连续输出连续输出和和脉冲输出脉冲输出两类两类13:0285

10、.2.1 氦氖激光器氦氖激光器 在气体激光器中，采用气体放电或电子束激励的方法实现在气体激光器中，采用气体放电或电子束激励的方法实现泵浦。在激光工作气体中，除能发射激光的气体之外，一般还泵浦。在激光工作气体中，除能发射激光的气体之外，一般还含有辅助气体，如各种惰性气体及氧、氮、氦等。他们在激光含有辅助气体，如各种惰性气体及氧、氮、氦等。他们在激光其中有的作为缓冲气体改善工作气体的传热特性，有的则作为其中有的作为缓冲气体改善工作气体的传热特性，有的则作为能量转移气体。能量转移气体。 Ne为工作物质，为工作物质，He为辅助物质。常用波长为为辅助物质。常用波长为632.8nm（红（红光），其次是光）

11、，其次是1.15m、3.39 m 。增益低，输出功率在毫瓦量。增益低，输出功率在毫瓦量级。级。13:029一、基本结构一、基本结构 HeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光激光管和激光电源组成电源组成。激光管由。激光管由放电管、电极和光学谐振腔放电管、电极和光学谐振腔组成。组成。放电管是氦放电管是氦-氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦(He)、氖、氖(Ne)气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开气体，当