红宝石激光器结构1
第六部分量子物理基础习题
第六部分 量子物理基础 习题：1.从普朗克公式推导斯特藩玻尔兹曼定律。
（提示：15143π=-⎰∞dx e xx）解：λλπλλλd e hc d T M T M T k hc⎰⎰∞-∞-==52000112),()(令x Tk hc =λ，则dx kTxhc d 2-=λ，所以442545034234025252015212)(11)(2112)(TTch kdxexTc h k dxkTxhc e hckTx hc d e hc T M xxT k hcσπππλλπλ=⋅⋅=-=--=-=⎰⎰⎰∞∞∞-证毕。
2.实验测得太阳辐射波谱中峰值波长nm m 490=λ，试估算太阳的表面温度。
解：由维恩位移定律b T m =λ得到K bT m3931091.51049010897.2⨯⨯⨯==--＝λ3.波长为450nm 的单色光射到纯钠的表面上（钠的逸出功A ＝2.29eV ），求： （1）这种光的光子能量和动量； （2）光电子逸出钠表面时的动能。
解：（1） 2.76eV J 1042.4104501031063.6199834＝＝－－⨯⨯⨯⨯⨯===-λhchv Es m /kg 1047.1104501063.6hp 27934⋅⨯⨯⨯--－＝＝＝λ（2）由爱因斯坦光电效应方程，得光电子的初动能为eV A hv E k 47.029.276.2=-=-=4.铝的逸出功是4.2eV ，现用波长nm 200=λ的紫外光照射铝表面。
试求： （1）发射的光电子的最大动能； （2）截止电压； （3）铝的红限频率。
解：（1）由光电效应方程得光电子的最大动能为J 102.3106.12.4102001031063.619199834－－－－＝⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=A hcA hv E k λ（2）截止电压V 0.2106.1102.319190＝－－⨯⨯==eE V k（3）红限频率Hz 1001.11063.6106.12.41534190⨯=⨯⨯⨯==-－hA v5.在一次康普顿散射中，传递给电子的最大能量为MeV E 045.0=∆，试求入射光子的波长。
激光器的分类
激光器的分类自从上世纪60年代以来，激光器已经发展出了众多类型，主要包括不同的工作介质、不同的脉宽，因此我们按照激光器的工作介质和输出脉冲两个思路对目前主要的激光器进行分类，并且介绍相关的激光术语。
按激光工作介质，激光器可以分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器、染料激光器和自由电子激光器。
固体激光器(晶体，玻璃)：在基质材料中掺入激活离子而制成，都是采用光泵浦的方式激励。
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：λ=1.053μm2）红宝石激光器：输出波长：λ=694.3nm，输出线宽：∆λ=0.01∼0.1nm工作方式：连续，脉冲3）掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)：YAG晶体内掺进稀土元素钕，输出波长：λ=1064nm,914nm,1319nm工作方式：连续，高重复率脉冲连续波可调谐钛蓝宝石激光器：输出波长：λ=675∼1100nm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，频率稳定性好，是很好的相干光源，可实现最大功率连续输出，结构简单，造价低，转换效率高。
谱线丰富，多达数千种(160nm--4mm)。
工作方式：连续运转(大多数)1）氦-氖激光器：常用的为λ=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(λ=3.39μm,1.15μm)2）CO2激光器：λ=10.6μm3）氩离子气体激光器：λ=488nm,514.5nm4）氦-镉激光器：波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝光5）铜蒸汽激光器：波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光6）氮分子激光器：紫外光，常见波长：337.1nm，357.7nm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；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。
工作物质包括GaAS(砷化镓)，InAS(砷化铟)，Insb(锑化铟)，CdS(硫化镉)。
红宝石激光器讲解
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E3 (10-9s) E3
(10-3s)
E2
E2
E2
h
E1
E1
E1
在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒 子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在 E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无 辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长， 可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成 E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hV＝ E2—E1的成分就被放大。
• 眼科：用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的 切除等；
激光的首次在医学上 的成功应用是进行眼 内手术，无需要切开 眼球。早在1962年， 一台红宝石激光器将 病人脱落的视网膜与 眼球重新连接，使他 恢复了视力。
红宝石激光器医学应用
• 皮肤科：用于照射治疗； 红宝石激光器是1960年世界上制成的第一台激光 器，也是最早应用于医疗上的激光器。 • 红宝石激光器波长为694.3nm的可见红光，这种 波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收，而黑色 素对其吸收率较高，尤其适用于各种色素性疾病。 • 临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真皮层，破坏 毛囊，永久性去除身体多余毛发； • 调Q模式，使黑色素细胞大量吸热，并在超脉冲 波的作用下破裂分解，可有效治疗蓝、黑和绿色 文身及各种良性色素性病变。
激光的诞生
1960 年 5 月 15 日 ， 美 国 加利福尼亚州休斯实验 室的科学家梅曼设计和 建造了一台小型的激光 发生器。他将闪光灯线 圈缠绕在指尖大小的红 宝石棒上，从而产生一 条相当集中的纤细红色 光柱，当它射向某一点 时，可使这一点达到比 太阳还高的温度 ，激光 时代由此开启，从此和 人们的生活息息相关。
激光器原理
激光器原理各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢典型激光器的原理与应用激光之源--典型激光器的原理、特点及应用一前言自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。
激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。
图1 第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。
其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。
激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
二典型激光器1，气体激光器气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。
它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式最常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
下面是典型激光器的示意图：图2 气体激光器示意图根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。
采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。
原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。
He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。
红宝石激光器
发明者
发明者
美国物理学家、世界上第一台激光器的发明者希尔多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大温哥华的 不列颠哥伦比亚大学逝世，享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemic mastocytosis)，一种罕 见的遗传疾病。
终其一生，梅曼获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的 他，而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学 家巴索夫、普罗霍罗夫，但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还 于1984年被列入“美国发明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念 的一本书中，汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。
为了维持这种翻转的粒子数够多，必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上，这就需要脉冲激光（例 如YAG激光器、红宝石激光器）中的脉冲氙灯，半导体泵浦激光（又叫DPSS激光，例如绿色的激光笔）中的半导 体激光器，气体放电激光（例如氦氖激光器、CO2激光器）中的放电，化学激光（例如武器级的氧碘激光器）中 的化学反应等能量源来提供能量了。
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
红宝石激光器的工作原理
红宝石激光器的工作原理红宝石激光器是一种利用红宝石晶体产生激光的装置。
它的工作原理基于激光的受激辐射，通过加载能量到红宝石晶体中，使晶体产生激光放大效应。
首先，让我们来了解红宝石晶体的结构和性质。
红宝石晶体的结构是由氧化铝（Al2O3）组成的，其中掺杂有少量的铬离子（Cr3+）。
这些掺杂的铬离子是红宝石激光器产生激光的关键。
在红宝石激光器中，首先通过能量输入装置将能量传递到红宝石晶体中。
这个能量输入装置通常是一个弧光灯，它会通过通电形成电弧，产生高温和高压的气体，进而激发红宝石晶体。
在激发的过程中，红宝石晶体会吸收能量并使其原子的电子跃迁到高能级。
这个高能级是红宝石晶体内激光产生的起始位置。
在这个高能级上，电子处于不稳定的状态，会很快回到基态。
当电子从高能级回到基态时，会通过辐射的方式释放能量。
这个能量释放的过程中，电子会向基态过渡并释放光子。
这些光子具有相同的频率和相位，并且在晶体中以一定的模式传播。
此时，一个光学谐振腔被放置在红宝石晶体的两端。
这个光学谐振腔由两个高反射镜和一个部分透射镜组成，用于反射和放大激光。
当光子从红宝石晶体中发射出来时，它们会在光学谐振腔中来回地反射。
反射的光子与基态的电子再次发生能量交换，更多的光子被释放，这就是激光放大效应。
在光学谐振腔中，激光光束会不断被反射和放大，最终形成一个强大且定向的激光束。
为了维持激光的连续输出，需要一个能量反馈机制。
在红宝石激光器中，一个部分透射镜会允许一小部分光子从光学谐振腔中逸出。
这些逸出的光子会被光学器件收集起来，通过反馈系统传递回红宝石晶体，补充能量。
这样，红宝石晶体就能够持续地产生激光输出。
总结一下，红宝石激光器的工作原理是通过加载能量到红宝石晶体中，使晶体产生激光放大效应。
在这个过程中，红宝石晶体的铬离子扮演着重要的角色，通过光子的辐射和电子的能量交换释放激光。
激光通过光学谐振腔的反射和放大，最终形成一个强大和定向性的激光束。
第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵
能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 典型激光器介绍
▪ Ar+离子激光器
➢ Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
15
3.1 典型激光器介绍
3、不同介质介面（平面）
ro ri 0
ro
0
1 2
ri
1
ro ro
0
0
1 2
ri ri
Байду номын сангаас
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
辐射不是基于原子分子或离子的束缚电子能级间的跃磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动从而产生辐射当速度接近光速的电子作圆周运动时将会辐射出光子由于这种辐射1947年在同步加速器上被发现的因而被命名为同步辐射synchrotronradiation切伦科夫辐射当电子在介质中运动时如果它们的速度比光在介质中的相速度大电子也会产生光辐射其波长随着电子速度而变化虽然光很弱但却是单色性很好的辐射光
➢ 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，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～ 2毫弧度。
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
红宝石激光器
• 激光器由三部分组成： 激活介质，谐振腔和激 发源。
• 激光具有：单色性，方 向性，高亮度，相干性。
激活介质 激发源
激光器的特性参数
• 功率（平均／峰值），能量 • 波长，频率，线宽 • 脉冲宽度，重复频率 • 光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子 • 模式，波长可调谐性 • 稳定性（波长／频率／功率／能量／方
能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学 谐振腔, 要获得光自激振荡, 须令光在腔内来回一次 所获增益,至少可补偿传播中的损耗。
激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受 激辐射(激光)转变的转折点。
(一) 激光器的增益
增益系数的定义： G 1 dI (z) I (z) dz
光强随距离的变化： I (z) I (0) exp(Gz)
激光器在光电检测中的应用
• 激光测距，测长，测平面度等 • 激光大气污染检测 • 激光ＤＮＡ检测 • 激光海洋探测 • 激光制导 • 激光雷达 • 激光干涉测量（探伤） • 激全息测量
激光器工作原理
一、激光产生的阈值条件
二、激光器的工作特性 三、激光放大器
一、激光产生的阈值条件
激光工作物质位于谐振腔内，当工作物质的某对 能级之间发生粒子数反转分布时，频率处在这对能级 自发辐射谱线宽度内的微弱光信号，将获得增益而放 大；由于谐振腔内存在各种损耗，光信号在其中传输 时，又会不断衰减。
激励方法(按激励能源分类): 光泵抽运、电激励 (气体放电激励)、化学激励、 核能激励等。
(二) 激光器的损耗
1、内部损耗
增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷 而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，
激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质
1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和 冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结 构示意图(冷却、滤光系统未画出)。
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器 ➢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＋)， 如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能 级模型
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器
2. He-Ne激光器的输出特性
(1) 谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m， 3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。 见图(5-10) (2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图 (5-11)是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线
3.图(5-6)所示的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。
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(5-6) 椭圆柱聚光腔
➢图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激 光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。
➢He-Ne激光器是 典型的四能级系 统，其激光谱线 主要有三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
激光原理-激光器基本结构
粒子数反转 (population inversion) 从E2→E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能 引起吸收过程。
dN21 dt
受激
B21
,T
N2
W21 N 2
dN12 dt
吸收
B12
,T
N1
W12 N1
产生激光必须 dN21 dN12 dt 受激 dt 吸收
694.3 nm
基态
(2)氦氖激光器
全反射镜
内腔式 部分反射镜
阳极
毛细管
阴极
E4
激发态 无辐射跃迁
泵 E3
亚稳态
浦 E2
E!
基态
氦氖原子能级
布儒斯特窗
布儒斯特窗
球面反 阳极 射镜
外腔式
阴极 球面半 反射镜
受激辐射过程
外来光子满足频率条件:
(E2 E1) / h
趋近高能级E2上的粒子时
发射一个全同光子 (频率相同、
传播方向相同、 偏振方向相同）
感应跃迁至低能级E1
光放大
受激吸收过程（stimulated absorption ）
E2 N2
h
E1 N1
上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：
至低能级;
E2
E2 E1
h
E1
②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁
至高能级.
E2
E1
3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)
4.激发态的平均寿命 τ : 粒子在激发态停留时间的平均值τ的
红宝石激光器的工作原理
红宝石激光器的工作原理
红宝石激光器的工作原理基于激光的放大过程，使用红宝石晶体作为工作介质。
在激光器内，红宝石晶体的两端被镀膜，其中一端被反射镜封闭，另一端被准反射镜封闭。
首先，通过一个能量源（如闪光灯）将能量输入红宝石晶体。
晶体中的铬离子（Cr3+）受到能量激发，从低能级跃迁到高能级。
这个过程可能需要在室温下或者通过制冷系统来保持晶体温度较低。
在晶体中部分铬离子跃迁至高能级之后，会经历自发辐射的过程，从而退回到低能级。
这个过程中，铬离子会发射出特定波长的光子，即激光光子。
然而，这些光子并不会立即形成连续，相干的激光束。
为了实现光子的放大和聚焦，需要在晶体两端的反射镜之间构建一条光学腔。
准反射镜只反射一小部分光子，而其余的光子逃逸光学腔。
然后，逃逸的光子会与处于高能级的铬离子相互作用，从而引起多次反复的受激辐射过程。
这些受激辐射的光子与之前已经发出的光子相位相同，方向一致，在反射镜之间不断来回地反弹。
随着多次反射放大，激光束逐渐形成，光子从铬离子的高能级向低能级跃迁时产生的辐射加速了光子数目的增长。
在达到足够大的光强后，激光器将输出连续、同相且高度相干的红光激
光束。
值得注意的是，红宝石激光器的运行需要稳定的能源供应和注意保持晶体温度，以确保红宝石晶体始终处于激活状态并发出相干激光。
红宝石激光器工作原理
红宝石激光器工作原理一、前言红宝石激光器是一种基于固体激光器的激光器，具有高功率、高效率、稳定性好等优点，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
本文将对红宝石激光器的工作原理进行详细介绍。
二、红宝石晶体红宝石晶体是红宝石激光器的核心部件，其化学式为Al2O3。
晶体中掺杂有Cr3+离子，这些离子受到外界能量刺激后会发生跃迁，产生较为稳定的能量差，从而发射出特定波长的激光。
三、能级结构在红宝石晶体中，Cr3+离子处于一个复杂的能级结构中。
其中最低能级为基态（4A2），最高能级为第二亚带（2E）。
在这两个能级之间还存在着多个亚带和元带。
四、吸收和辐射过程当红宝石晶体受到外界能量刺激时，Cr3+离子会从基态跃迁到第一亚带（2E）。
在此过程中，晶体会吸收光子的能量。
当Cr3+离子处于第一亚带时，它们会通过非辐射跃迁回到基态，释放出热能。
如果晶体中存在足够的外部刺激，这些Cr3+离子可以通过受激辐射跃迁到第二亚带，并在此过程中发射出激光。
五、泵浦源为了实现红宝石晶体中的受激辐射跃迁，需要提供足够的外部刺激。
这个刺激源通常被称为泵浦源。
泵浦源可以是闪光灯、半导体激光器或其他类型的激光器。
六、闪光灯泵浦闪光灯泵浦是最早也是最常见的红宝石激光器泵浦方式。
在这种方式下，一个高压电容器储存电荷并将其释放到一个氙气闪管中。
当电荷通过氙气时，会产生一个瞬间高达几百千伏的电压，从而使氙气放电并产生强烈的白光。
这种白光会被红宝石晶体吸收，并刺激Cr3+离子发生受激辐射跃迁，从而产生激光。
七、半导体泵浦半导体泵浦是一种新型的红宝石激光器泵浦方式。
在这种方式下，使用高功率的半导体激光器来代替传统的闪光灯。
由于半导体激光器具有高效率、小尺寸等优点，因此该方式已经被广泛应用。
八、输出镜和反射镜为了将产生的激光输出到外界，需要在红宝石晶体两端分别安装一个输出镜和反射镜。
输出镜通常是一个部分透明的薄膜，可以让一部分激光通过并输出到外界；反射镜则可以将未被输出的激光反射回晶体中进行进一步增益。
激光器的基本结构
激光器的基本结构1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是常体、液体、固体或半导体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。
作为激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。
根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。
工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状。
2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。
泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。
常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。
其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件，尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源，二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。
LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦；纵向:垂直入射的侧面泵浦。
LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。
固体激光器红宝石激光器
工作元件是一根淡红色的红宝石棒（AL２O3晶 体），其中掺0.05%的铬离子（Gr3+）。这些 铬离作为激活离均匀地分布在基质（即AL２O3 晶体）中，浓度大约为 1.62×10的19次方cm3，它们替代了晶格中一部分铝离子（AL3+） 的位置，红宝石激光器有关有能级和光谱性质 都来源于Gr3+。
脉冲氙灯
1.35μm +1.06μm；一般只 产生1.06μm
氪灯
由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励
*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上 *泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。
阈值高、温度效应非常严重、室温下不适 于连续和高重复率工作
阈值低、有优良的热学性质、 适于连续和高重复率工作；是 目前能在室温下连续工作的唯
红宝石激光器的工作过程
• 红宝石棒两个端面精磨抛光，平行度在1‘（弧分） 以内，其中一个端面镀银，成为全反射面，另一 个端面平镀银，成为透射率10% 的部分反射面。
• 激励能源是光源——螺旋形脉冲氙灯（现经常采 用直管氙灯），氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较 强有光输出，这正好同红宝石的吸收光谱对应起 来。由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面， 外有聚光器加强照射效果，闪光灯通常一次工作 几毫秒，输入能量1000-2000J，闪光灯的大部分 输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝 石所吸收，并转移到其中Cr3+的相应能级上。当 由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时，则每激 励一次，就有一束相干光从红宝石的半镀银面射 出，其波长为 6943 A（红光），谱线宽度小于 0.1 A.
固体激光工作物质的组成：激活离子和基 质
✓激活离子和它的配位场决定固体激光的能级结 构、荧光寿命和激光特性，激光跃迁发生在激 活离子的不同能级之间
激光器讲解
2)圆形镜面共焦腔模式的空间分布
在拉盖尔—高斯近似下，圆形镜面共焦腔 中场的空间分布函数为
其中
是用来确定共焦腔中横截面上场的的振 幅分布的；而相位函数Φ(r,φ,z)是用 来描述共焦腔中场的相位分布的。
气体激光器
1、氦-氖(He-Ne)激光器
（一）He-Ne激光器的结构
He-Ne激光器的基本结构形式
激光，激光器及其应用技术
1964年诺贝尔物理学奖一半授予 国马萨诸塞州坎布里奇的麻省理 工学院的汤斯（Charles H．Townes， 1915一），另一半授予苏联 莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫（Nikolny G． Basov，1922一）和普罗霍罗夫（ Aleksandr M． Prokhorov， 1916－－），以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工 作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器。
激光输出
部分反射镜
光学谐振腔
谐振腔模式
控制振荡光束的特性。激光特性与光腔结构密切 相关，涉及到组成腔的两个腔镜面上的电磁场的分 布问题，涉及到谐振腔模式问题。
(1)谐振腔纵模
法布里—珀罗(Fabry-Perot)干涉仪的重要光学元件， 是由两块具有一定反射率的相距为L的平行板构成，
类似于电子学中滤波器，即对入射光 束的频率具有选择性，入射光束通过 它的透过率Ｔ＝Ｉ１／Ｉ０具有如图 (b) ，只有满足关系:
在He-Ne激光器中,谱线竞 争最严重的是3.39μm谱 线与0.6328μm谱线。
因为它们有共同的激光上 能级3s，所以3.39μm激 光振荡的存在，会降低 0.6328μm谱线的增益和 输出功率。
尽管激光器反射镜对 0.6328μm波长有很高 的反射率，而对3.39μm波长的反射率很低。
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红宝石激光器是世界上最早实现激光输出的器件，它是一种输出波长为694.nm（红光）的脉冲器件。
它具有输出能量大、峰值功率高、结构紧凑、使用方便等优点。
目前已广泛应用于打孔划片、动态全息、信息存储等方面。
固体红宝石激光器通常由工作物质、谐振腔、泵浦光源和聚光腔所组成。
1．工作物质。
红宝石激光器以掺杂离子型绝缘晶体红宝石棒为工作物质。
红宝石激光晶体是以刚玉（或称白宝石）单晶为基质，掺入金属铬离子（Cr3+）为激活粒子所组成的晶体激光材料。
呈淡红色，其掺杂波度一般为0.05％（重量）。
工作物质要求有较好的光学质量。
在红宝石晶体中，Cr3+的吸收带有两个，分别在410nm和560nm波长附近，吸收带宽度约为100nm波长左右。
2.光泵。
红宝石激光器采用光激励，脉冲激光器中一般采用发光效率较高的脉冲氙灯。
脉冲氙灯用石英管制成，两端用过渡玻璃封以钍钨电极，管内充以300-500Torr氙气。
灯管由高压充电电源和高压触发器控制点燃。
3．聚光腔。
为了使光泵的光更集中地照射在激光棒上，常用的聚光腔有：圆柱面聚光腔、单椭圆柱面聚光腔、双椭圆柱面聚光腔。
为提高对光线的反射率聚光腔常采用黄铜或不锈钢材料制成，内壁经抛光处理后镀银。
4．光学谐振腔。
红宝石激光器谐振腔多采用平行平面镜腔，全反射镜是反射率为99％以上的多层介质膜，输出镜透过率为50％以上。
近年来，为了减小激光光斑尺寸，也有采用平凹腔结构的，全反射镜采用凹球面镜，其曲率半径约为腔长的3－4倍。