1-3激光器的基本组成及典型激光器介绍

2019年8月22日星期四
理学院 物理系
§ 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（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
• 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。
• 最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、 3.39m和1.15m ，常用的为0.6328m
• 四能级系统.
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（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，光谱特性将有所变化，有的 甚至变化很大。
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§ 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。
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一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振 腔和冷却滤光系统四个主要部分组成。
基 工作 质 物质 掺
杂 泵浦系统
激光波长
红宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
源自文库
Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12
Cr2O3
Nd2O3
§ 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；
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. )
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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300~1400nm；
对比：固体可调谐激光器：掺钛蓝宝石激光器。
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其它激光器
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，也可实现粒子数反转；
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3、谐振腔：形成激光振荡的必要条件；对输出
的模式、功率、光束发散角等均有很大影响。
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。
有连续工作(Continuous Wave)和脉冲(Pulsed Wave) 两种工作方式；
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红宝石激光器(Ruby Laser)
红宝石是掺有少量Cr3+离子的Al2O3单晶。 E光1为放基大态在，E2E和2为E1亚间稳产态生，，E波3是长大为量69能4.3级nm组。成三的能能级带系。统。
钕玻璃激光器 光学玻璃（硅酸 盐，硼酸盐、磷 酸盐）
Nd2O3
钛宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
Ti2O3
脉冲氙灯、高压 汞蒸气灯
0.6943m 三能级系统
脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体
1.0640m 四能级系统
1.0600m 四能级系统
闪光灯泵浦、激 光泵浦 0.795m 调 谐 0.66~1.1m
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§ 1-3 典型激光器简介
1、工作物质——激光产生的内因，实现粒子 数反转和产生光的受激辐射作用的物质体系。
☞ 激励只是一个外部条件，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”。
• 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。
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• 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;
氙、氧、溴、碘、
氮、硫、碳、铯、
镉、铜、锰、锡等
金属原子蒸气
CO2、N2、O2、CO、 CO2 和 N2 N2O 和水蒸气等 Ar2*、Xe2*、XeF*、 KrF*、ArF* KrF*、ArF*、XeCl*、 XeBr*、XeQ*、KrQ*
等
惰性气体离子和金 氩离子（Ar+）、氦—
属蒸气离子
镉（He-Cd）离子激 光器
☞ 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 碰撞激励方法。
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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；
• 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。
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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；
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二、激光器的分类
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)、
• 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。
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§ 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。
锁模激光器(Mode locked lasers)、倍频激光器
(Frequency doubling lasers)、可调谐激光器
(Tunable lasers)、单模和多模激光器(Single-
mode and Multi-mode lasers)等。
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☞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。
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2、泵浦系统—粒子搬迁的动力
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； “搬运”粒子的工具－“光泵”
• 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275~3022nm。
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§ 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);
§ 1-3 典型激光器简介
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
n1>>n2
氙灯光强继续增加到 氙灯泵浦 n1减少， n2增加 n2>n1
自发辐射（荧光）
粒子数反转分布
光强继续增加到某一阈值
光放大器
激光
满足振荡条件
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半导体激光器
(Semiconductor laser or laser diode)
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
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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。
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；
热能激励---用高温加热方式使高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；
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；
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§ 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;
(1)气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
产生激光作用的物质 未电离的气体原子 原子
分子 未电离的气体分子 工作气体在常态下为原子，当激
准分 发时，可暂时形成寿命很短的分 子 子，称为准分子 离子 利用电离后气体离子产生激光
作用
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所采用的物质
典型代表
氦、氖、氩、氪、 He-Ne laser