典型激光器介绍教材
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新激光第三章典型激光器01PPT课件
02 激光原理概述
激光产生的基本原理
受激发射
当原子或分子吸收特定频率的光 子后，其电子从低能级跃迁至高 能级，当电子从高能级回落到低 能级时，会释放出与原光子频率
相同的光子。
光学共振腔
为了形成持续的激光输出，需要 一个光学共振腔来选择特定频率 的光子，并维持光子在其中的共
振。
泵浦机制
通过外部能量源（如电流或光泵 浦）为原子或分子提供能量，使 其从低能态跃迁至高能态，为受
激光与其他技术的结合
随着科技的不断发展，激光技术将与其他技术如人工智能 、物联网等结合应用，实现更高效、更智能的技术解决方 案。
05 结论
本章总结
01
02
03
04
理解了典型激光器的原理和结 构，包括气体、固体、染料和
半导体激光器等。
掌握了不同类型激光器的特点 和优缺点，以及它们在不同领
域的应用。
激光在科学研究领域的应用
激光光谱学
利用激光技术进行光谱分析，研究物质的分 子结构和化学性质。
激光显微镜
利用激光技术提高显微镜的分辨率和观察能 力，可观察微小生物和细胞结构等。
激光雷达
利用激光技术进行遥感测量和环境监测，具 有高精度、高分辨率等特点。
激光操控
利用激光能量对微观粒子进行精确操控，如 量子计算、量子通信等。
通信。
测量
由于激光的高亮度和方向性， 可以用于各种高精度测量，如 距离、角度、速度等。
加工
激光的高能量密度可用于各种 材料的加工，如切割、焊接、 打标等。
医学
激光可用于各种医学治疗和诊 断，如眼科手术、皮肤科治疗
、肿瘤治疗等。
03 典型激光器介绍
气体激光器
新激光ppt课件第三章 典型激光器(1)
红宝石中铬离子的能级结构
4).温度的影响
温度
中心波长向长波方向移动
荧光线宽加宽
量子效率下降
红宝石晶体低温下性能优良,室温下以脉冲方式运转
5).主要优缺点
2.掺钕钇铝石榴石 (Nd3＋ :YAG) 谱线加宽:
在整个温度范围内,以均匀加宽为主
晶体的物理性质:
在钇铝石榴石(Y3Al5O12)中掺入0.725%的Nd2O3 各向同性
晶体的激光性质:
1).能级结构
红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的 氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性 主要取决于铬离子(Cr3＋) 。它属于三能级系统， 如图为其简化能级模型。
2).吸收光谱
蓝光带：410nm 绿光带：550nm
3).荧光光谱
E4A2 2A4A2
694.3nm 692.9nm
2.激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主
要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器 (0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激 光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要 在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。
如图为经常采用的三镜 腔式染料激光器结构示 意图。
3.如图椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采 用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截 面是一个椭圆。
4. 固体激光器的泵浦系统还 要冷却和滤光。常用的冷却方 式有液体冷却、气体冷却和传 导冷却等，其中以液冷最为普 遍。Leabharlann 图(5-6) 椭圆柱聚光腔
5.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光 中的紫外光谱。
图(5-22) 典型染料激光器原理示意图
六、新型固体激光器 1. 半导体激光器泵浦的固体激光器
典型激光器介绍大全(精华版)讲解学习共79页
谢谢
11、越是没有本领的就越 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
典型激光器介绍大全(精华版)讲解学 习
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
典型激光器简介
非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主
21
钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加
宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料
而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～
3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽
大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱 和特性与均匀加宽工作物质相似。
光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q
固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。 对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平
行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度
<1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部
寄生振荡，端面镀有增透膜
19
光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成
10
应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等 激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直等等
1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世
11
(5) 化学激光器
通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射 工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘
激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光
②
分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。 主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代 表CO2激光器
6
③
准分子激光器：分子激光器的一种。 准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的 不稳定缔合物。 激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。 采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等 典型代表：XeF准分子激光器
《激光器介绍》课件
激光器与人工智能、3D打印等技术结合，创造更多智能化和多样化的应用。
结论和总结
激光器是一项伟大的科技创新，它在多个领域的应用不断拓展。我们必须充 分了解其原理和注意事项，推动激光技术的发展和应用。
《激光器介绍》PPT课件
欢迎来到《激光器介绍》的PPT课件! 本课程将带您深入了解激光器的定义和 原理，以及其在不同领域的应用。让我们一起探索激光技术的无限潜力！
激光器的定义和原理
激光器是通过受激辐射产生的一种具有高度相干性、高照射强度和直行性的 光源。它的工作原理基于光子的双能态能级跃迁。
不同类型的激光器
戴眼镜
在使用激光器时，务必佩戴适当的激光安全眼镜以保护视力。
避免直射
避免将激光束直接照射到人体和易燃物上，以免引发安全事故。
操作规范
按照使用说明进行操作，确保激光器使用安全可靠。
激光器的发展趋势
1
更小更强
激光器体积将进一步缩小，但功率将持续增强，提供更多应用领域。
2
更高效更环保
激光器的效率将提高，能源消耗将减少，以促进可持续发展。
1 气体激光器
使用气体作为激发介质， 例如二氧化碳激光器和氩 离子激光器。
2 固体激光器
使用固态材料作为激发介 质，例如Nd:YAG激光器和 钛宝石激光器。
3 半导体激光器
使用半导体材料作为激发 介质，例如激光二极管和 垂直腔面发射激光器。
激光器的应用领域
医疗行业
激光器在手术、皮肤治疗和眼 科手术等领域有广泛应用。
通信领域
激光信号传输在光纤通信和激 光雷达等领域发挥重要作用。
制造业
激光切割、激光焊接和激光打 印等技术在制造业中得到广泛 应用。
激光器的优点与限制
华中科技大学激光原理课件--第2.5讲 典型激光器介绍
– 3.上海光源 3.上海光源 • 全波段：从远红外到硬X射线连续可调 全波段：从远红外到硬X • 高强度：总功率为600千瓦； 高强度：总功率为600千瓦； • 优良的脉冲时间结构：其脉冲宽度仅 为几十皮秒，相邻脉冲间隔可调为几 纳秒至微秒量级；
2.5 典型激光基于化学反应来建立粒子数 1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数 反转而产生受激辐射的一类激光器。 反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光 器的工作物质可以是气体或液体， 器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多 数是用气体。 数是用气体。 – 2.化学激光器具有如下三方面的特点 2.化学激光器具有如下三方面的特点
2.5 典型激光器介绍
2.5 典型激光器介绍
• 气体激光器的输出特性
– 输出功率大 ---气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布， ---气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布 气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布， 且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。 且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。例如高功率 电激励CO 电激励CO2激光器连续输出功率已达数万瓦以上 。 – 效率高 ---大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前， ---大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作 目前， 大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。 CO2激光器的电光转换效率已达到25％，而 CO激光器在低温条 激光器的电光转换效率已达到25％， CO激光器在低温条 ％，而 件下可达到50％。 件下可达到50％。 – 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光 目前有数百种气体和蒸气可以产生激光， 到的激光谱线近万余条， 到的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波 射线、射线波段。 段，甚至 X射线、射线波段。 – 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质 在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器， 量，在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如 He-Ne激光的单色性很高，∆λ很容易达到10-9～10-11nm，其发散 He-Ne激光的单色性很高 ∆λ很容易达到 激光的单色性很高， 很容易达到10 nm， 角只有l 毫弧度。 角只有l～2毫弧度。
第1章-典型激光器简介-续分解
• DE段叫作自持暗放电，放电不稳定
• 平坦的EF段。该区域的特点是电流增加,但管压降几乎保 持不变,放电管内出现明暗相间的辉光,称之为正常辉光放 电。辉光放电阶段,由于二次发射的电子随电场的增加而迅 速增加,故当放电管端电压略有增加时,放电电流就增大很 多。辉光放电的电流范围一般在10-4～10-1 A之间
染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光 谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。
1966年,世界上第一台染料激光器——由红宝石激光器泵 浦的氯铝钛花青染料激光器问世。
4）半导体激光器
半导体激光器也称为半导体激光二极管，或简称激光二极管 (LaserDiod，缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特 异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体 激光器的工作特性有其特殊性。
• 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁 发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有 CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光 器的典型代表是CO2 激光器。
• 准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激 发态暂时结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁产 生于其束缚态和自由态之间。采用的准分子气体主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表为XeF* 准 分子激光器。
• 半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处 理、科研、医疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全 息照相、办公自动化、激光准直及激光医疗等方面。
• 1962年,世界上第一台半导体激光器———GaAs激光器 问世。
5）化学激光器 化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光 辐射的。工作物质可以是气体或液体,但目前主要是气体,如 氟化氢(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。
• 平坦的EF段。该区域的特点是电流增加,但管压降几乎保 持不变,放电管内出现明暗相间的辉光,称之为正常辉光放 电。辉光放电阶段,由于二次发射的电子随电场的增加而迅 速增加,故当放电管端电压略有增加时,放电电流就增大很 多。辉光放电的电流范围一般在10-4～10-1 A之间
染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光 谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。
1966年,世界上第一台染料激光器——由红宝石激光器泵 浦的氯铝钛花青染料激光器问世。
4）半导体激光器
半导体激光器也称为半导体激光二极管，或简称激光二极管 (LaserDiod，缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特 异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体 激光器的工作特性有其特殊性。
• 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁 发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有 CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光 器的典型代表是CO2 激光器。
• 准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激 发态暂时结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁产 生于其束缚态和自由态之间。采用的准分子气体主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表为XeF* 准 分子激光器。
• 半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处 理、科研、医疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全 息照相、办公自动化、激光准直及激光医疗等方面。
• 1962年,世界上第一台半导体激光器———GaAs激光器 问世。
5）化学激光器 化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光 辐射的。工作物质可以是气体或液体,但目前主要是气体,如 氟化氢(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。
第三章 典型激光器教材
图3-3 红宝石中铬离子的能级结构
510nm 693.4nm 694.3nm 360nm
如图3-3所示，4A2是基态又是激光下能级，其简并度g1=4，2E是亚稳态，它是 由能量差为29cm-1的2A和E二能级组成，其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收
能带。红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线)，室温下对应的中心波长分别为
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的激发过程
第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程 中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行 非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共 振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。 第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到 更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前 述两过程相比，此过程贡献最小。
4
I 11 / 2，对应1.06μm谱线）
图3-7 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱
E1:基态，一条激光谱线的激光下能级(三能级 系统): 4 4 4 I 9 / 2 ( F3 / 2 I 9 / 2 对应0.9μm谱线)
3.1 固体激光器
钕玻璃激光器
跃迁谱线:
①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观察到; ③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不出现.
3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
能级结构
属于四能级系统。激光上能级是4F3/2，激光 下能级为4I11/2，基态为4I9/2，其主要吸收峰 为0.81 μm和0.75 μm ， 4F3/2 是一个亚稳态。 1.06 μm比1.35 μm的荧光约强四倍，1.06 μm
510nm 693.4nm 694.3nm 360nm
如图3-3所示，4A2是基态又是激光下能级，其简并度g1=4，2E是亚稳态，它是 由能量差为29cm-1的2A和E二能级组成，其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收
能带。红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线)，室温下对应的中心波长分别为
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的激发过程
第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程 中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行 非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共 振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。 第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到 更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前 述两过程相比，此过程贡献最小。
4
I 11 / 2，对应1.06μm谱线）
图3-7 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱
E1:基态，一条激光谱线的激光下能级(三能级 系统): 4 4 4 I 9 / 2 ( F3 / 2 I 9 / 2 对应0.9μm谱线)
3.1 固体激光器
钕玻璃激光器
跃迁谱线:
①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观察到; ③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不出现.
3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
能级结构
属于四能级系统。激光上能级是4F3/2，激光 下能级为4I11/2，基态为4I9/2，其主要吸收峰 为0.81 μm和0.75 μm ， 4F3/2 是一个亚稳态。 1.06 μm比1.35 μm的荧光约强四倍，1.06 μm
新激光ppt课件第三章 典型激光器03
激光束的空间分布示意图
光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光谱。其 中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为 几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的 激光光谱，谱宽达几十埃。
仍比气、
固宽
得多
GaAs激光器的发射光谱
转换效率:
注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功 率，转换效率极高。
4.单异质结半导体激光器:
激活区厚度 d 2m 光波导效应
阈值电流密度降低
由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致 使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,
脉冲工作的典型阈值电流密度达3X104~5X104A/cm2,
而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约
8000A/cm2。
在单异质器件中,有源区宽度d值是关键 因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它 存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对 载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称 波导内光波传输的损耗过大。对于 质量好的典型单异质结激光器, d值的范围在2~2.5um之间。 单异质结激光器的Jth虽比 同质结小若干倍,但仍d较高, 所以常与同质结器件一样用 作脉冲器件。这种器件的脉 冲功率可达数十瓦,寿命可 达数万小时以上.
固体的能带
不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这
个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一
个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg
来
衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应 关系。
电子轨道,能级,和能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带 叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为 “满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带 叫做“空带” ，若价带中的电子受激而进入空带，则此 空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带 后留下一些空着的能级称为“空穴”。
光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光谱。其 中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为 几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的 激光光谱，谱宽达几十埃。
仍比气、
固宽
得多
GaAs激光器的发射光谱
转换效率:
注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功 率，转换效率极高。
4.单异质结半导体激光器:
激活区厚度 d 2m 光波导效应
阈值电流密度降低
由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致 使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,
脉冲工作的典型阈值电流密度达3X104~5X104A/cm2,
而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约
8000A/cm2。
在单异质器件中,有源区宽度d值是关键 因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它 存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对 载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称 波导内光波传输的损耗过大。对于 质量好的典型单异质结激光器, d值的范围在2~2.5um之间。 单异质结激光器的Jth虽比 同质结小若干倍,但仍d较高, 所以常与同质结器件一样用 作脉冲器件。这种器件的脉 冲功率可达数十瓦,寿命可 达数万小时以上.
固体的能带
不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这
个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一
个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg
来
衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应 关系。
电子轨道,能级,和能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带 叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为 “满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带 叫做“空带” ，若价带中的电子受激而进入空带，则此 空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带 后留下一些空着的能级称为“空穴”。
新激光第三章典型激光器03PPT课件
氦氖激光器
总结词：低成本
详细描述：氦氖激光器的成本较低，价格相对较为实惠，因此被广泛应用于各种 领域。此外，由于其结构简单、易于维护和操作，也降低了使用成本。
氦氖激光器
总结词：连续
详细描述：氦氖激光器可以产生连续输出的激光，其波长为632.8nm，属于可见光范围。这种连续输出的 激光可以用于各种需要长时间稳定输出的场合，如指示、测量等。
激光焊接
通过激光束将金属或非金属材料 连接在一起，具有熔池小、热影 响区窄、焊接强度高等优点。
激光打标
在各种材料表面进行永久性标 识，广泛应用于产品追溯、防 伪鉴别等领域。
激光清洗
利用激光能量去除物体表面的 污垢、油渍等杂质，具有高效
、环保的优点。
医疗美容
激光治疗
利用激光能量对皮肤问 题进行精确治疗，如雀
详细描述
气体激光器利用气体作为增益介质，通过放电或燃烧等方式激发气体分子从低能级跃迁到高能级，再 通过受激辐射回到低能级，释放出光子形成激光。气体激光器具有输出功率高、效率高、结构简单等 优点，可应用于科研、工业、医疗等领域。
液体激光器
总结词
具有波长可调谐范围宽、输出功率稳定等优点，广泛应用于生物医学、化学分 析等领域。
要点二
详细描述
随着激光技术的广泛应用，激光安全与环保问题日益突出 。为了确保人员安全和环境保护，需要采取一系列措施， 如制定安全规范、加强人员培训、研发环保型激光器等。 同时，还需要关注废弃物处理问题，确保激光技术的可持 续发展。
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新激光第三章典型激光器03ppt课 件
目录
• 引言 • 激光器的分类 • 典型激光器的特性与原理 • 激光器的应用领域 • 未来激光技术的发展趋势与挑战
第三课 激光原理与典型激光器
三、典型气体激光器
He-Ne激光器
1.发光原理 激活介质按He:Ne=10:1～7:1填充，氖为发光气体；氦为辅 助气体，用来改善放电特性，提高氖原子的反转粒子数密度。 • 在He—Ne激光器中， 实现粒子数反转的主 要激发过程有： • 共振转移； • 电子直接碰撞激发； • 串级跃迁。 He-Ne激光器是典型的 四能级系统，其激光谱 线主要有三条 : 3S22P4 0.6328m 2S22P4 1.15m 3S23P4 3.39m
灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱，或者冷却水中 加重铬酸钾。
2. 半导体激光二极管泵浦（DPSSL) 半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比 有很多优点： 光谱匹配好，能量转换效率高；热效应小，光束空间质量 好；寿命长，可靠性高；体积小，结构紧凑。 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有直接端面泵浦、 光纤耦合端面泵浦和侧泵浦方式。端泵适合中小功率激光器， 侧泵适合大功率激光器。
谐振腔：一般采用平凹腔，平面镜透过率1~2%。有内腔式、外腔式、半 内腔式三种。
气体激光器突出优点： （1）谱线范围宽，有上百种气体可产生激光，谱线有上万条。 波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。 （2）光束质量高，单色性、方向性、相关性均优于其它激光 器。 （3）频率稳定，易获得连续的激光和脉冲输出。 （4）有些气体激光器输出功率很大，如二氧化碳激光器达到 数十万瓦。 缺点：体积庞大。
吸 收 谱 ： 5 条 吸 收 带 ， 带 宽 约 30nm 。 0.53μm ， 0.58μm ， 0.75μm，0.81μm， 0.87μm；以0.75μm， 0.81μm为最强。
（1）发光机理
4 基态： I 9 2
E1
泵浦
E4
（中心波长810nm和 750nm，带宽30nm）
1-3激光器的基本组成及典型激光器介绍
2019年2月9日星期六
理பைடு நூலகம்院
物理系
§ 1-3 典型激光器简介
He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neon gas laser)
• 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。
满足振荡条件
2019年2月9日星期六 理学院 物理系
§ 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。
2019年2月9日星期六 理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
光纤激光器(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4~10m范围，包层直径125m。
§2.1 固体激光器
9
(2)泵浦系统 泵浦系统 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 常用的泵浦源有惰性气体放电灯、 金属蒸汽灯、 常用的泵浦源有 惰性气体放电灯、金属蒸汽灯、 钨丝 惰性气体放电灯 灯、太阳能及发光二极管。 太阳能及发光二极管。 惰性气体放电灯是当前最常用的，如氙、 惰性气体放电灯是当前最常用的， 如氙 、氪闪光灯和 氪弧灯。 氪弧灯。 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用， 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用 ，尤其是在航 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 二极管(激光二极管 半导体激光器 二极管 激光二极管—半导体激光器 作为泵浦源是目 激光二极管 半导体激光器)作为泵浦源是目 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。
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2.工作原理 或工作过程 工作原理(或工作过程 工作原理 或工作过程) (1)高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电 (2)触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路 (3)电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电 (4)工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦 (5) v0弱光导致受激辐射，振荡产生激光。(连续激光采用氪 弱光导致受激辐射，振荡产生激光。 连续激光采用氪 灯)
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2.固体激光器工作物质应满足的条件 固体激光器工作物质应满足的条件 (1)在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； 在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； (2)掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 多的重叠； 多的重叠； (3)能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子 (4)由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率 (5)有良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系 有良好的物理、化学和机械性能，热导率高， 有良好的物理 数小，易于光学加工； 数小，易于光学加工； (6)容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料
(2)泵浦系统 泵浦系统 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 常用的泵浦源有惰性气体放电灯、 金属蒸汽灯、 常用的泵浦源有 惰性气体放电灯、金属蒸汽灯、 钨丝 惰性气体放电灯 灯、太阳能及发光二极管。 太阳能及发光二极管。 惰性气体放电灯是当前最常用的，如氙、 惰性气体放电灯是当前最常用的， 如氙 、氪闪光灯和 氪弧灯。 氪弧灯。 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用， 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用 ，尤其是在航 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 二极管(激光二极管 半导体激光器 二极管 激光二极管—半导体激光器 作为泵浦源是目 激光二极管 半导体激光器)作为泵浦源是目 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。
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2.工作原理 或工作过程 工作原理(或工作过程 工作原理 或工作过程) (1)高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电 (2)触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路 (3)电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电 (4)工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦 (5) v0弱光导致受激辐射，振荡产生激光。(连续激光采用氪 弱光导致受激辐射，振荡产生激光。 连续激光采用氪 灯)
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2.固体激光器工作物质应满足的条件 固体激光器工作物质应满足的条件 (1)在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； 在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； (2)掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 多的重叠； 多的重叠； (3)能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子 (4)由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率 (5)有良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系 有良好的物理、化学和机械性能，热导率高， 有良好的物理 数小，易于光学加工； 数小，易于光学加工； (6)容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料
学激光器的书
学激光器的书
学激光器的书
激光器，是一种能够产生高强度、单色、相干、定向的光束的设备。
激光的特殊性质使得激光器被广泛应用于科学研究、通讯、工业制造
等领域。
而学习激光器的知识，则需要系统的学习和掌握激光器的原理、特性及其应用等方面的知识。
下面我就介绍一些学习激光器的书籍。
第一本是《激光原理》。
该书是激光领域中的“圣经”，是一本经典
参考书。
本书系统地阐述了激光器的物理原理，包括激光量子理论、
光谱学、光学共振器理论、非线性理论等内容。
本书语言通俗易懂，
适合各层次的激光学习者阅读。
第二本是《激光原理与激光技术原理》。
这本书介绍了激光与光学、
电子学和物理学的基础知识，包括激光的量子理论、波动光学、非线
性光学、超快光学等内容。
并详细介绍了各种激光器的构造、性能、
原理和应用。
第三本是《激光物理与技术》。
该书是从激光技术的应用出发，深入
浅出地讲解了激光器的原理和技术。
本书内容丰富，对激光器的构造、
工作原理、调谐、脉冲调制、成像、光学信息处理、激光器与化学等方面的应用都有涉及。
除此之外，还有其他一些相关的经典书籍如《激光光谱学》、《激光工艺与应用》等等。
这些书籍可以让初学者和专业人士都能进一步了解激光技术的最新进展和应用领域。
总之，学习激光器的知识需要大量的理论学习和实践经验。
以上介绍的书籍是激光领域的基础教材，深入浅出地讲解了激光器的工作原理和应用领域，能够帮助读者系统掌握激光器的知识，及早实现激光技术的应用。
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1、固体激光器
A、固体激光器基本结构及特性
1. 激光工作物质 2. 泵浦源 3. 聚光腔 4. 谐振腔 5. 冷却系统
固体激光器的能量转换
0.5
0.4
0.2
0.76 0.9
0.8
0.95
?1
光谱特性
? 多纵模工作 – 空间烧孔效应 – 高增益 – 多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模
? 高注入，高输出伴随激光线宽增加
激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件， 提高激光器输出功率的作用。
输出波长：常用的为 ?=632.8nm
根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。
（?=3.39μm ；?=1.15μm）
（2）CO 2 激光器
工作物质： CO 2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO 2分子发射，其它气体协助改善激 光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用 寿命。
掺杂浓度 受激辐射截面
波长 荧光寿命 量子效率 谱线线宽
1.38E20(cm -3) 88E-20(cm 2)
1064nm 230us
1 4.5(埃)
发射光谱
吸收光谱
2、激光二极管
2、气体激光器
?CO 2激光器 ?He-Ne 激光器 ?Ar 离子激光器 ?准分子激光器
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CO 2激光器
? > 1 atm 一定压力的CO 2, N2, He混合的气体分子激光器 ? 波长 9-11um，最常见10.6um ? 效率高，功率范围大（几瓦~几万瓦） ? 光束质量好 ? 运行方式多样，结构多样
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。
（1）氦-氖激光器
工作物质：氦氖混合气体
典型激光器
1、 常见激光器概述
激光器的分类
已记录到的激光振荡波长有一万种以上。
? 按激光工作介质：
? 按化学激光器）
– 分子激光器
– 气体激光器
– 离子激光器
– 半导体激光器
– 自由电子激光器
– 染料激光器
– 准分子激光器
– 自由电子激光器 ? 激光运转方式 :
（3）氮分子激光器
脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦， 脉宽小于10nS ，重复频率数十 Hz~数千Hz ，主要用作染 料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、医学及 光化学方面。常见波长： 337.1nm 、357.7nm
氮分子激光器 VSL337ND-S Nitrogen Laser
CO 2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能级 抽空。氮气加入主要在 CO 2激光器中起能量传递作用， 为CO 2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激 光输出起到强有力的作用。
24
CO2 激光器结构图
1、激光管，包括：放电管、水冷套管和储气管； 2、光学谐振腔，常用平凹腔，反射镜镀金膜，反射率达98.8％ 且化学性质稳定。反射镜需要应用透红外光的材料. 3、电源及泵浦：封闭式CO 2激光器的放电电流较小，采用冷电 极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30~40mA的工作电流，阴 极25 圆筒的面积500cm2，不致镜片污染。
3. 半导体激光器
由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过 10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW 、W、kW 。
DFB 半导体激光器示意图 DBR 半导体激光器示意图
垂直腔面发射半导体激光器（ VCSEL）
量子级联激光器 (quantum cascade lasers, QCLs) 基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
光纤耦合（尾纤型 -pigtail package ）半导体激 光器件
ProLite 型光纤耦合单发射激光器
2、 常见激光器工作特性
激光束的方向性
M2
?
实际光束的束腰和远场发散角乘积 理想光束的束腰和远场发散角乘积
?
? ?
? 0?
M 2 ? 1, 越小光束质量越好
激光的偏振特性
? 偏振性主要取决于工作物质 ? 各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力
双折射，激光输出具有部分偏振特性。 ? 在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏
– 连续
? 激光调制方式
– 脉冲
– 自由运转
? 单脉冲
– 调Q
? 重复频率
– 锁模
? 准连续
1. 固体激光器
分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。
目前已实现激光振荡的不同基质 ——掺杂体系的 工作物质有 200多种，但是，性能好，使用广泛的主 要有下面三种。
（1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质
输出波长： ? =10.6μm
CO 2 激光器是输出 功率最高的气体激光 器，有连续输出 50kW ； 脉冲输出 1012W 的激光 器。
（3）氩离子气体激光器 输出波长： ? =488nm ； ? =514.5 nm ；
在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦 ~几百瓦。 氩/氪离子激光器， Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser
? = 1.053 μm
由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可制成大 型器件，获得高能量和功率的激光，现已制成输出功率 1014W激光器。
（2）红宝石激光器 工作物质：红宝石晶体
输出波长： 输出线宽：
? ? 694.3nm ? ? ? 0.01 ~ 0.1nm
工作方式：连续、脉冲
发 散 角 ： ? ? 10-3rad ，一般为多模输出； 泵浦功率>阈值10~20%→ 单模
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG ）
工作物质：YAG 晶体内掺进稀土元素钕 输出波长：? = 1064nm 、914nm 、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲
因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
2. 气体激光器
振性
1、红宝石 的基本特性
Cr 3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体
掺杂浓度
1.58E19(cm -3)
受激辐射截面
2.5E-20(cm 2)
波长
694.3nm
荧光寿命
3.0ms
量子效率
0.7
能级结构
谱线线宽
吸收光谱
11(cm-1)，5.3(埃)
Nd:YAG 的基本特性
Nd3＋:Y3Al5O12立方晶系，光学各向同性