第5章 典型激光器

1964诺贝尔物理学奖
•A.M.普洛霍罗夫 •在量子电子学中
的研究工作导致 微波激射器和激 光器的制作
1964诺贝尔物理学奖
•1964 C.H.汤斯 •在量子电子学的
基础研究导致根 据微波激射器和 激光器原理构成 振荡器和放大器
1964诺贝尔物理学奖
•N.G.巴索夫
•用 于 产 生 激 光 光束的振荡器 和放大器的研 究工作
三、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。
四、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 （它在工作物质中形成色心，使激光性能劣化）。
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、氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时,辐射的特 征谱线的峰值波伏在0.84、0.9和1um附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的 特征谱线的峰值波长在0.76、0.82和0.9um附近。可见,氪灯的特征谱线与 Nd:YAG的主要泵浦吸收带相匹配,因此连续和小能量(<10J)脉冲Nd:YAG激光 器用氪灯泵浦效率较高。实验发现、充气压增高,特征谱线的线宽也增加。随着 放电流密度的增大,连续谱增加的份量比线谱多,当电流密度增加到一定值后,连 续谱逐渐掩盖了线光谱,与黑体辐射相接近,且短波部分的增长比长波快,光谱重 心移向短波。因此,在高电流密度放电情况下,有利于红宝石的吸收。大中型钕 玻璃和Nd:YAG脉冲激光器,由于泵灯的放电电流密度高,灯辐射的特征谱线相对 减弱,此时应采用辐射能量大、效率较高的脉冲氙灯。
③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一 般不 出现.
5.1.2 固体激光器的泵浦系统
一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。最常用的泵 浦光源有惰性气体放电灯(灯内充入氙山、氪等惰性气体)、金属蒸气灯(灯内充入 汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器、日光 泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他 灯都高,是红宝石钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯.氪灯在低 电流密度下工作时,其辐射光谱与Nd:YAG泵浦吸收带相匹配,故在连续和小能量 脉冲Nd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨灯用220V电压即可,使用简单、方 便,在功率小于1OW的连续Nd:YAG器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高 压汞蒸气灯,它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体 积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配,可用于小型掺钕激光器。日光 泵适用于空间技术中的激光器。
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：
缺点: 阈值高(因是三能级)、温度效应严重。 优点: 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; 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)。
1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼 （T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台红宝石 激光器，获得了世界上第一束激光，波长为694.3纳 米。
三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG) Nd3+:YAG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,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是各向同性晶体。
阈值低、导热性好，适宜于连续和高重复率工作。
1kW的脉冲Nd:YAG激 光器
灯泵浦Nd:YAG激光 器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm， 直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最 大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50-800W。
四、钕玻璃激光器
第5章 典型激光器
二十世纪四大发明—— 半导体； 原子能； 计算机；
激光
梅曼和第一只激光器
1917 年 爱因斯坦提出了受激辐射理论； 1958年 肖洛和汤斯发表了《红外线和光的微波激器 》； 1960年 梅曼制成了世界上第一台激光器——红宝石激 光器
1921诺贝尔物理学奖
•A.爱因斯坦
•对现物理方面 的贡献，特别 是阐明光电效 应的定律
在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚 光器。
二、泵浦光源应当满足两个基本条件。①有很高的发光效率 ②辐射的光 谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.
1、惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、 灯管和充入的气体组成。见图 (a)。
电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅 射的金属材料制成。常用的电极材料有钨， 钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电极要设计成 水冷结构,见图(b),灯管用机械强度高、耐高 温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充 入氙(Xe)、氪(kr)气体。
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,亚稳态上的位子均将通过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。
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。 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。同时，价格 便宜。
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。
图(5-3) 红宝石中铬离子的 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（占优势）和0.6929um。
问题：荧光和激光的区别？激光选频可用什么方法？
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
固体激光的发展史，就是固体 激光材料的发展历史。
一代材料，一代器件
激光的来历
1964年12月，在上海召开的 全国第三届受激光发射学术报告会 上，根据钱学森教授的提议，决定 把这种光辐射称为“激光”。
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光激光器
按运转方式分类
连续激光器 脉冲激光器
超短脉冲激光器
按工作物质分类
固体激光器 气体激光器 染料激光器
半导体激光器
激光器的工作原理 自由辐射、受激吸收和受激辐射
产生激光 必要条件
1. 实现粒子数反转 ２.使原子被激发 ３.要实现光放大
——工作物质 ——激励能源
——光学谐振腔
激光的形成过程
工作物质 激励、受激辐射 自激振荡
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(5-5) 图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构 所示。它属于四能级系统。
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。
图a椭圆柱聚光腔
（2） 聚光器的材料选择 制做聚光器时，常用的金属材料有铝、铜和不锈钢，常用的非金属材料有 玻璃、陶瓷等。 铝通常用在轻型系统中；如果重量要求不严时，最好选用铜， 这是因为铜的热胀。热导率高；不锈钢具有不易生锈和抛光精度高等优点， 但热导率很低，仅为铜的 1／10。玻璃和陶瓷虽然易碎，导热性差，但它们 具有金属所没有的优点，如不生锈，不易被腐蚀。陶瓷的漫反射性能也好， 可制成反射率很高的漫反射激光器。
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。同时，受热效应影响，激光的输出质量 变差。
跃迁谱线:
①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观 察到;
②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定 可观 察到;
红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。 红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。如图5-3所 示。4A2是基态又是激光下能级,2E是亚稳态,它是由 能量差为29cm^(-1)的2A和E二能级组成。4F1和4F2是 两个吸收能带。