典型激光器

Nd:YAG能级示意图
主要吸收带：
0.53µm 4I9/2->4G7/2+2G9/2 0.58µm 4I9/2->4G5/2+2G7/2 0.75µm 4I9/2->4F7/2+2S3/2 0.81µm 4I9/2->4F5/2+2H9/2 0.87µm 4I9/2->4F3/2 主要发射带： 870~950纳米(4F3/2-4I9/2)、 1050~1120纳米（4F3/2-4I11/2） 1310~1350纳米（4F3/2-4I13/2） 其中除4F3/2跃迁至4I9/2为三能级 系统外，其余两种发射方式均为 四能级系统。
(a) 红宝石线宽与温度的关系
Nd:YVO4晶体
四方晶系 密度4.22g/cm3 莫氏硬度：4~5 热导系数： //C:0.0523W/cm/K ┴C:0.0510W/cm/K • 热膨胀系数： αa=4.43x10-6/K αc=11.37x10-6/K • • • • •受激辐射截面25x10-19cm2@1064 •荧光寿命90µs •吸收系数31.4cm-1@810nm •本征损耗0.02cm-1@1064nm •增益带宽0.96nm@1064 •激光偏振π偏振，即平行于光轴 （C轴） •光光转换效率>60%
钛宝石
•钛宝石通常为在Al2O3晶体内掺入0.1%的Ti3+离子制 成，Ti3+离子取代晶体内的Al3+离子的位置，整个晶 体呈蓝色，故有时也称为掺钛蓝宝石； •钛宝石的激光跃迁发生在2E激发态到2T基态之间， 为四能级系统。钛宝石的受激发射截面和Nd:YAG相 当，但其能级寿命仅为3.2μm，因此，为了获得较 高的上能级粒子数积累，通常需要采用亮度较强的 脉冲光源进行泵浦。
神光系列
• • • • • • • • • • • 1964年，王淦昌提出激光聚变倡议 1973年，上光所完成万兆瓦钕玻璃激光器 1985年，激光12号建成并运行 1986年，张爱萍为激光12号题词“神光”，“神 光”正式使用，该装置正式成为“神光I” 1994年，神光I退役，神光II立项 1995年，神光III开始计划 2000年，神光II开始试运行打靶 2004年，神光II装置突破100万亿瓦 2006年，神光II开始第9路建造 2007年，神光III奠基 2011年，神光III开始运行
典型激光器
几种重要的激光器
• • • • • • • 固体激光器 气体激光器 光纤激光器 半导体激光器 化学激光器与染料激光器 准分子激光器 自由电子激光器
固体激光器的特点
• • • • • • • • 体积小 功率高 稳定性较好 光泵浦 稳定性好 寿命长 可连续或脉冲工作 脉冲固体激光器可达极高的峰值功率
神光II
• • • • • 激光净口径：240mm 可输出1ns与100ps两种脉宽 可输出1.053µm、0.53µm和0.35µm 输出能量达6kJ/1ns@1.053µm 共8路输入（第9路也完成调试）
神光III
• • • • 晶体达380mm 计划60束激光输入 计划紫外激光能量为60KJ 总占地28154m2
氩离子激光器常用输出波段
457.9nm(8%)、476.5nm(12%)、488.0nm(20%)、 496.5nm(12%)、501.7nm(5%)、514.5nm(43%)
氩离子激光器的输出功率
氩离子激光器在可见光波段是连续运转输出功 率最高的气体激光器，但由于气体的电离度不 高，且量子效率较低，故转换效率并不高，一 般仅万分之一左右
• 视力检查：包括不戴镜视力和戴镜最佳矫正视力。 • 屈光检查：包括初检、散瞳验光和复验三个步骤。验光度 数正确与否直接影响手术效果。 • 眼前节及眼底检查：重点检查角膜透明度是否有疤痕，晶 体是否浑浊，眼底检查是否有玻璃体浑浊、眼底病变等。 • 眼压检查：以排除高眼压和青光眼的可能性。 • 角膜曲率检查：排除圆锥角膜及扁平角膜可能性。 • 角膜测厚：对角膜中心厚度低于500者，如果病人是高度 近视，应注意角膜中心切削深度，术前向患者说明有关情 况。 • 角膜地形图检查：主要目的是对整个角膜表面的规则性和 对称性有所了解，除外各种异常因素。 • 术前停戴隐形眼镜二周
与He-Ne激光器不同，CO2激光器的能量是利用分子的振动-转动能级间跃 迁产生的，故其输出谱线较为丰富
CO2的工作原理
CO2的激发过程可分为三种：电子碰撞激发、级联跃迁和共振转移，其中 共振转移是激发CO2气体最重要的途径，即CO2分子的激发主要依靠分子 之间的碰撞来完成，因此，考虑到CO2的输出激光频率较低，其多普勒加 宽效应较小，所以在谱线加宽机制中，由碰撞加宽占有主导的地位。
常见准分子激光器
准分子 Ar2* Kr2* Xe2* ArF KrF XeBr XeCl XeF KrCl 输出波长 126nm 146nm 172和175nm 193nm 248nm 282nm 308nm 351nm 222nm
准分子用途
• 眼科手术 • 皮肤病治疗 • 芯片制备业
眼科激光手术(LASIK)注意事项
CO2激光器
• • • • • • 输出为10.6 µm的远红外激光 输出功率很大 转换效率较高 需要散热系统 可连续工作或脉冲工作 放电管比He-Ne激光器粗
CO2激光器一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层 为水冷套管，最外一层为储气管
CO2能级示意图
CO2激光器工作原理
与He-Ne激光器类似，CO2激光器也不是单类气体运转，通常混合N2气与 He气，有时也混合极少量H2气或Xe气，在这些混合气体中，CO2一般占 10~20%，N2占10~20%，剩下的多为He气，其辅助气体其能量转换和导 热作用
Nd:YVO4光学系数
热致折射率变化： dn0 = 8.5 × 10 − 6 / K
dT dne = 2.9 × 10 −6 / K dT
Sellmeier方程：
2 no = 3.77834 + 0.069736 /(λ2 − 0.04724) − 0.0108133λ2
ne2 = 4.59905 + 0.110534 /(λ2 − 0.04813) − 0.0122676λ2
Nd:YVO4晶体吸收和发射特性
Nd:YAG, Nd:YVO4激光器泵浦方式
端泵
侧泵
Nd玻璃
• • • • • 能级结构与晶体相差不多 钕玻璃更容易制造 钕玻璃尺寸可更大 掺杂性能更好 荧光寿命更长 Nd玻璃很适合用于超大功率激光器的制备 玻璃很适合用于超大功率激光器的制备
神光II
神光II
适合与不适合LASIK的人群
• 适合接受准分子激光治疗的人为：18周岁 至50周岁，近两年度数稳定的近视眼150度 至2000度、或合并散光100度至400度、及 远视200度至800度均适合治疗。 • 眼部患感染性炎症、圆锥角膜、青光眼、 白内障、眼底病变等，或有糖尿病、胶原 性疾病等全身性疾病的人不适合准分子激 光治疗
He-Ne激光器
He-Ne激光器谐振腔
He-Ne激光器
输出波长： 0.6328µm 1.15 µm 3.39 µm
He-Ne激光器放电电流、 气压和输出功率的关系
He-Ne激光器
• • • • • 在可见波段有输出 输出功率一般仅为几个毫瓦或数十个毫瓦 线宽基本是多普勒加宽 线宽非常窄，约1.5GHz 当激光器腔长为10~15cm时，仅含2个模式
红宝石激光器激光器
红宝石的组成: Cr3+:Al2O3
•基态为4A2 •4F1, 4F2为吸收带 •2E为亚稳态 •2E分裂为R1和R2，分别 对应694.3nm和692.9nm 的激光输出
红宝石的吸收光谱
红宝石激光器的构成
红宝石激光器常用聚光腔结构
•低温下,红宝石的线宽主要表现为非 均匀加宽 •较高温度下,红宝石的线宽主要表现 为均匀加宽
CO2分子的振动ຫໍສະໝຸດ Baidu式
• 两个氧原子沿分子轴向相反方向振动，碳 原子不动----对称振动 • 两个原子垂直于分子轴向相同方向振动， 而碳原子向相反方向运动----变形振动 • 三个原子沿对称轴振动，其中碳原子和两 个氧原子振动相反----反对称振动 不同的振动形式确定了不同组别的能级
Ar+激光器
氩离子激光器是以离子态为工作物质，目 前已知氩离子激光器具有35条以上的工作 谱线，其中25条在408.9~686.1nm的可见 光波段内，10条在275~363.8nm范围内的 紫外光。这些输出激光光谱内，以 488.0nm和514.5nm最强
准分子激光器
准分子激光器是指这么一类激光器，其工作物质多由 稀有气体构成，在通常情况下，这些气体都以原子的 形式存在，在在受到诸如电激发之类的能量激发时， 会在很短的时间内形成“分子”，准确地说，分子的 说法并不准确，更为准确的说法是受激二聚物或成为 伪分子，受激的分子在以光子的形式释放掉多余的能 量后，进入到基态，但这种基态的分子并不稳定，会 迅速地瓦崩回独立的原子态。
红宝石激光器线宽和温度的关系
Nd:YAG晶体
• 掺钕钇铝石榴石 （Nd:Y3Al5O12） • 立方晶系 • 熔点1970摄氏度 • 密度4.56g/cm3 4.56g/cm • 莫氏硬度8.5 • 折射率1.82 • 热膨胀系数7.8x10-6/K • 热导系数 14W/m/K@20oC 10.5W/m/K@100oC •受激辐射截面2.8x10-19cm-2 •寿命 550ms •自发辐射寿命 230nm •损耗0.003cm-1@1064nm •泵浦光波长807.5nm •吸收带宽1nm •热致双折射：高 •损坏阈值750MW/cm2@1064nm
钛宝石激光器
钛宝石的吸收峰值功率位于500nm附近，这类激光器通常采 用倍频掺钕固体激光器（532nm）进行泵浦。
飞秒钛宝石激光器
几种比较重要的固体激光器
• 可调谐紫翠金绿宝石激光器* • Ho激光器 • Tm激光器
气体激光器
• • • • 线宽较小，单色性较好 光束质量较好 频率稳定性较好 输出功率和气体室长度关系密切
由于CO2工作在远红外波段，故CO2激光器的一段通常采用镀金反射镜， 而另一端采用半导体材料
CO2激光器工作原理
CO2气体实现粒子数反转的过程如下：首先，电子将能量转移到N原子，并 使得N2分子的振动状态处于激发状态，并且该激发状态可以存在较长的时 间；第二步，受激N2分子与CO2分子发生碰撞，并将N2分子的振动能量传 递给CO2分子，完成能量的转移；最后，CO2分子与冷却作用的He原子作 用，实现振动能级的跃迁，在这个跃迁过程中，能量将以光子的形式辐射 出。从CO2激光器的工作过程来看，很大部分能量最终被转移到He原子， 并使He气发热，因此，如果要保持这个过程的持续运转，CO2激光器必须 予以足够的冷却设备
氩离子激光器输出功率和电流的关系
氩离子激光器输出功率与气压的关系
氩离子激光器的运用
• 焊接视网膜 • 作为染料激光器的泵浦源 • 倍频后用于光刻、光纤光栅制作
其它气体激光器与输出波长
• • • • CO激光器：6~8µm，冷却条件下工作 N2激光器：337.1nm 氦镉激光器：442nm和325nm Kr离子激光器：350.7nm, 356.4nm, 476.2nm, 482.5nm, 520.6nm, 530.9nm, 586.2nm, 647.1nm, 676.4nm, 752.5nm, 799.3nm • 铜蒸汽激光器：510.6~578.2nm
Ho激光器
Ho激光器以YAG为基质材料，激活离子为Ho，通常还掺入敏化元 素Cr，传能离子Tm，即工作物质表示为Cr:Tm:Ho:YAG。 Ho激光器的典型输出波长为2.1微米
Ho激光特性
• • • • • 利用氪灯泵浦，输出多为脉冲 输出波长2.1微米 在人体内穿透深度很低，仅数百微米 可用于治疗结石 具有凝血功能
LASIK警告
• 18周岁以下的青少年正处于身体生长期， 眼睛屈光度不稳定，若盲目接受手术，一 二年后视力极有可能回退，严重影响预期 的疗效。 • 为确保安全和有效，准分子激光治疗近视 眼要求患者术前屈光状态稳定，矫正视力 达到0.5以上。
金绿宝石激光器
金绿宝石是在BeAl2O4基质材料中掺Cr3+形成 的，在700~800纳米范围内可调谐