红宝石激光器

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。
红宝石激光器缺点
• 能级结构属三能级系统,器件阈值高; • 晶体性能随温度变化明显,室温下不适于做连续高 重频器件。 • 激发效率较低，不适合连续工作 • 输出发散角较大，一般约为3～10mrad
中国第一台激光器--―小球照明红宝石”激光器在当 时激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率
红宝石激光器的应用
红宝石激光器特点
• 大多数为脉冲激光器，脉冲频率为1.2赫兹或单个 脉冲，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约 为几个微米。 • 输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽 0.01~0.1nm，光斑直径为3~6mm。易于接收和 检测。 • 三能级结构，产生激光所要求的阈值激励功率较 高。 • 晶体升温时(大于50℃）时，荧光量子效率显著下 降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降甚至停 振，故一般应采取冷却措施。
红宝石激光器优点
– 机械强度和化学稳定性高,能承受很高的激光功 率密度,易生成较大尺寸; – 亚稳态寿命长,储能大,可获得大能量输出; – 荧光谱线较宽,易获得大能量单模输出; – 低温性能优良;输出可见光。
红宝石激光器优点
从应用观点看,红宝石激光器输出可见光极具吸引 力, 一、是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见 光区,而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工 作波长则位于近红外区域 二、是对于全息照相等应用,需要使用可见光作为光 源
红宝石激光器的军事应用
• 早期在军事上用于测距和照明，1961年称为柯利 达I型的世界上第一台红宝石激光测距机在美国诞 生后，1962年第一台军用激光测距机便成功地进 行了示范表演。自90年代初起，调谐的激光器进 入使用阶段，1～3µm波段的对人眼安全的激光 器，取代了对目视危险的红宝石和钕激光系统； 可调谐的可见光和近红外激光器，用以改善固定 频率的红宝石和钕激光器的抗干扰性能 。
激光器的组成
常用激光器由三部分组成：
激励能源

工作物质 泵浦源 光学谐振腔
工作物质
激光
M1
谐振腔
激光器结构示意图
M2
Байду номын сангаас
红宝石激光器的工作物质
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+。
红宝石激光器
红宝石激光器属 于三能级系统，相 应于右图的简化能 级模型。
红宝石激光器
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.
• 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。
全息术实验
• 用红宝石脉 冲激光器拍 摄的刚出壳 的小鸡的反 射全息图， 可以白光再 现。
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。