激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质
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5.1.4 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器
➢半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主 要优点 ➢半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦 方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图 2. 可调谐固体激光器
➢可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过 渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。
5.1.4 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器
➢高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、 准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求 的目标。 ➢从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克 服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射 等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
➢红宝石激光器的优点和主要缺点 。
5.1.2 固体激光器的泵浦系统
1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦 光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应当满足两 个基本条件。 2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都 加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上， 必须采用聚光腔。
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
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
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程
➢图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反 射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在 放电管的两端。
图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
❖ 二 激氧光化 器碳 。激 放光 电器 管是 通以常是CO由2气玻体璃作或为石工英作材物料质制的成气，体里 面 气充，以 一般CO还2气有体少和量其的他氢辅或助氙气气体）（；主电要极是一氦般气是和镍氮制 空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一 端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上 加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管 中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长 为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。 一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程
➢CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的输出特性 (1) 放电特性
➢相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳 值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内 总气压，以及气体混合比有关。
➢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
➢在最佳充气条件下，使输出功率 最大的放电电流叫最佳放电电流 ➢He-Ne激光器存在着最佳混合比 和最佳充气总压强，即存在最佳充 气条件。 ➢若放电毛细管的直径为d，充气 压强为p，则存在一个使输出功率 最大的最佳pd值。 ➢在最佳放电条件下，工作物质的 增益系数和毛细管直径d成反比。
图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线
5.1.1 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
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器
1wenku.baidu.com He-Ne激光器的结构和激发机理
➢ He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9) 所示。
图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器
1. He-Ne激光器的结构和激发机理
5.1.3 固体激光器的输出特性
1. 固体激光器的激光脉冲特性
➢一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短 脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)m，各短 脉冲之间的间隔约为(510) s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包 络峰值并不增加。
2. 转换效率
➢总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器 (用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：
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5.1.4 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器
➢半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主 要优点 ➢半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦 方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图 2. 可调谐固体激光器
➢可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过 渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。
5.1.4 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器
➢高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、 准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求 的目标。 ➢从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克 服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射 等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
➢红宝石激光器的优点和主要缺点 。
5.1.2 固体激光器的泵浦系统
1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦 光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应当满足两 个基本条件。 2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都 加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上， 必须采用聚光腔。
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
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
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程
➢图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反 射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在 放电管的两端。
图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
❖ 二 激氧光化 器碳 。激 放光 电器 管是 通以常是CO由2气玻体璃作或为石工英作材物料质制的成气，体里 面 气充，以 一般CO还2气有体少和量其的他氢辅或助氙气气体）（；主电要极是一氦般气是和镍氮制 空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一 端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上 加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管 中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长 为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。 一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程
➢CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的输出特性 (1) 放电特性
➢相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳 值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内 总气压，以及气体混合比有关。
➢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
➢在最佳充气条件下，使输出功率 最大的放电电流叫最佳放电电流 ➢He-Ne激光器存在着最佳混合比 和最佳充气总压强，即存在最佳充 气条件。 ➢若放电毛细管的直径为d，充气 压强为p，则存在一个使输出功率 最大的最佳pd值。 ➢在最佳放电条件下，工作物质的 增益系数和毛细管直径d成反比。
图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线
5.1.1 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
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器
1wenku.baidu.com He-Ne激光器的结构和激发机理
➢ He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9) 所示。
图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器
1. He-Ne激光器的结构和激发机理
5.1.3 固体激光器的输出特性
1. 固体激光器的激光脉冲特性
➢一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短 脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)m，各短 脉冲之间的间隔约为(510) s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包 络峰值并不增加。
2. 转换效率
➢总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器 (用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：