第5章 典型激光器

2010-12-14

首都师范大学物理系王卫宁

1

第5章典型激光器

1 按工作物质分：

固体、液体、气体、半导体、光纤、自由电子……

2 按输出激光波长的不同分：

远红外、红外、可见光、紫外、x 射线等

3 按激光器的泵浦方式不同分：

光泵浦、电泵浦、化学反应等

4 按运转方式不同分

连续、脉冲、重复脉冲、模式可调

5 按输出激光的脉冲时间宽度不同分

长脉冲、短脉冲、超短脉冲（皮秒、飞秒、阿秒）

本课程按工作物质的分类方式讲解

2010-12-14首都师范大学物理系王卫宁

2

常见激光器及其特性

类型名称

工作物质

波长(μm )激励方式特征

气体激光器

原子He-Ne He-Ne 0.6328气体放电广泛分子

CO 2CO 210.6气体放电高功率输出N 2N 20.3371气体放电无谐振腔离子

Ar +

Ar +0.4880气体放电常用作泵浦源He-Cd Cd 3+0.4416气体放电固体红宝石

Cr 3+-Al 2O 30.6943光泵浦应用广泛，可得到高功率输出

Nd 3+－YAG Nd 3+－YAG

1.06光泵浦钕玻璃Nd 3+ 1.06光泵浦液体染料染料0.32激光泵浦波长可调半导体

GaAs/ GaAlAs GaAs 0.85电流注入短波长通信InP/InGaAsP

InP

1.30

电流注入

长波长通信

2010-12-14

首都师范大学物理系王卫宁

3

5.1 固体激光器

♣固体激光器最早实现激光输出. 目前，激光输出能量高达105焦耳，最高峰值功率达1013瓦，中小型激光器技术的发展已相当成熟。

♣光泵激励:气体放电灯激励，半导体激光器激励

♣常用固体激光器：红宝石激光器、掺钕钇铝石榴

石激光器、钕玻璃激光器、光纤激光器、钛宝石激光器

♣工作物质：以绝缘晶体或玻璃作为基质，掺入少量的过渡金属离子或稀土作为激活介质; 参与受激辐射的离子密度一般为1025-1026m -3，激光上能级的寿命10-4-10-3s

2010-12-14

首都师范大学物理系王卫宁

4

5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质1.基本结构:

工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统

图5-1 固体激光器的基本结构示意图

2010-12-14

首都师范大学物理系王卫宁

5

一种比较好的激光材料主要有以下几个要求：1.宽的吸收带和较大的吸收系数2.高的荧光量子效率3.激光上能级的寿命长4.参杂浓度高5.荧光谱线宽度较窄6.热导率高，光学均匀性好7.最好是四能级系统

2. 红宝石激光器

¾优点：

机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出；红色激光可见，适用于硅探测器探测；动态全息、医学等应用.¾缺点：三能级系统，阈值高

红宝石中铬离子的吸收光谱

¾基质：A12O 3晶体，掺入Cr 2O 3¾激活介质：Cr 3+ （铬离子）¾三能级系统

¾脉冲运转

Q 调制峰值功率可达10~50MW ，

脉宽10~20ns

¾中心波长：0.6943µm 红宝石中Cr 3+与激光有关的能级图

2010-12-14首都师范大学物理系王卫宁

7

3. 钕激光器

将一定比例的A12O 3、Y 2O 3和Nd 2O 3在单晶炉中进行熔化结晶而成的

Nd 3+Nd 3+

钕玻璃硅酸盐或磷酸盐中掺入适量的Nd 2O 3

YAG （Y 3Al 5O 12）晶体

(yttrium aluminium garnet)

掺钕钇铝石榴石(Nd 3＋：YAG)

硅酸盐或磷酸盐

¾基质：¾激活介质：¾四能级工作系统，较易实现粒子数反转¾中心波长：1.06μm ¾运转方式：单脉冲,高重复率或连续

超短脉冲，大能量大功率

连续最大输出功率可达1000W ，脉冲>1000W ，调Q ~ 百MW 2010-12-14

首都师范大学物理系王卫宁

8

Nd 3+: YAG 晶体中Nd 3+与激光产生有关的能级图

几率最大

Four-level Laser

Nd 3＋：YAG 吸收光谱

2010-12-14

首都师范大学物理系王卫宁

9

•北京国科世纪激光技术有限公司：全固态激光器（激光打标机）全固态：

半导体泵浦YAG 激光器（激光晶体端面泵入808nm 泵浦光，光光转换效率达50% ）

激光波长1064nm (倍频：532nm ）激光功率12W

打标范围100mm ×100mm 150mm ×150mm 扫描速度≤7000mm/s

最小字符0.1mm,最小线宽0.02mm,雕刻深度≤0.3,重复精度±0.001mm 光束质量M 2≤2 调Q 频率≤50KHz ……

2010-12-14首都师范大学物理系王卫宁10

5.1.2 固体激光器的泵浦系统

1. 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；要求泵浦光源有高的发光效率和光谱特性匹配；

2. 泵浦灯在空间的辐射是全方位的，采用聚光腔；

3. 内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆；椭圆柱聚光腔

4. 泵浦系统常用的冷却方式为液体冷却；

5. 在泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件，以滤去泵浦光中的紫外光谱.

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

2. 转换效率

¾总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比. 连续激光

器和脉冲激光器分别用功率和能量描述：cou ab c L p in th in out t P P P P ηηηηηννη121

1⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−==cou ab c L p in th in out t E E E E ηηηηηννη121

1⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−==¾一般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，各个短脉冲的持续时间约为0.1∼1 μm ，各短脉冲之间的间隔约为5∼10 μs ；泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，但包络峰值并不增加。ηL :泵浦光的电光转换效

率

ηc :聚光腔的聚光效率ηab :激活粒子的吸收效

率ηl :E 3-E 2跃迁的量子效率

ηcou :输出耦合效率

2010-12-14首都师范大学物理系王卫宁12

常用固体激光器的输出参数

5

1~2×10-8

5×106

0.3

普通脉冲Q-调制

1.06

Nd 3+:YAG

50.7×10-31~2×10-811.4×1033×1078.0普通脉冲Q-调制1.06钕玻璃5

0.7×10-31~2×10-85.7×103

1084.0

普通脉冲Q-调制0.6943

红宝石

发散角(mrad)脉宽(s)

峰值功率（W)脉冲能量(J)运转方式工作波长(μm)激光器