第五章 典型激光器介绍

红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr 的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3后失去外 层三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层 电子组态为3d3。红宝石的光谱特性就是Cr3+的 3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电 子完全暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。 Cr3+在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的 变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的 情况。通过实验和理论分析,已确定红宝石中 Cr3+的工作能级属三能级系统。如图5-3所示。 4A 是基态又是激光下能级,其简并度g =4,2E是 2 1 亚稳态,它是由能量差为29cm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。
第 5章 典型激光器
按工作波段分类


远红外、红外激光器
可见光激光器 紫外、真空紫外激光器 X光激光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 连续激光器 脉冲激光器 超短脉冲激光器 固体激光器 气体激光器 染料激光器 半导体激光器
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按运转方式分类
按工作物质分类
5.1 固体激光器
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
一、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)。
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掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(5-4)所示
图(5-4) Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(55)所示。它属于四能级系统。
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
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1.06um比1.35um的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振,进而抑制1.35um 谱线起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um激光。只有采取选频措施， 才能实现1.35um波长的激光振荡。 四、钕玻璃激光器 继1960年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某 种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量为1%~5%重量比。 对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为3×1020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃 系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可 塑性。大的钕玻璃棒长可达1~2m,直径30~100mm,可用来制成特大能量的激光器。小 的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。 钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的 器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
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二、红宝石激光器
（1）红宝石晶体 红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体 (化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶体。 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳 量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr3+密度为ntot=1.58x1019cm-3。
图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构
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三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
YAG, an acronym for yttrium aluminum garnet) Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石 晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为 Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度为 1.38×1020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的 A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG 属立方晶系,是各向同性晶体。
图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构
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红宝石的吸收光谱如图5-2所示。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近, 称为紫外带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55μm附近,称为黄绿带或Y 带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约0.1um左右。由于红宝石晶体的各向异 性,它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行 这两种情况下,其吸收曲线略有差别,见图5-2。
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构
红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应 的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。
通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943μm线才能形成激光输出。
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应指出,红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂 成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占 47%,E能级上约占53%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度 比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。 同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去, 这就加强了R1线,而抑制了R2线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的粒子均 将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。 红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随 温度变化。 但具有很多优点,如: 机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大 尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线 较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连 续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为 人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和 照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍属一 种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺 寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容 易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对 载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器 件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激 光发展上是贡献比较大的一种晶体。