第二章：激光材料2

“焦外放置” ——将泵灯和激光棒平行地安置在焦线和腔壁之间 (如 图b所示)。
椭圆长轴上焦点外任意点发出的光,经椭圆
反射后必交于另一端焦点外的长轴上,因此,
焦外放置的棒可以截获焦外放置的泵灯所 辐射的大部分能量。 焦外放置不如焦上放置成象质量好,但采用 焦外放置,结构设计上可以做得比较紧凑。
图b椭圆腔的焦外几何光路 图a椭圆柱聚光腔
红 宝 石 晶 体 结 构
红宝石的基本物理化学特性
莫氏硬度 熔点 9 2050（摄氏度） 0.42W/cmK(300K) 10W/cmK(77K) 6.7E-6K-1(平行于c） 5.0E-6K-1(垂直于c） 稳定，抗腐蚀
热导率
热膨胀系数 化学性质
红宝石激光器工作特征
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。
钕玻璃激光器
1961年出现钕玻璃激光器。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、硼酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。
优点：
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。
掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
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。
气体激光器
一、氦-氖(He-Ne)激光器
放电管：毛细管和贮气室
He-Ne 激光器
激光管
电极 光学谐振腔组成。
激光电源
放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，
这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成
毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，
（3）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g2=4的能级。
红宝石激光器的优缺点
缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。 优点:机械强度高,能承受很高的激光功率密度;
Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。
掺钕钇铝石榴石激光器工作特征
掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)
Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
Nd3＋:YAG 的能级结构
掺Nd3＋的YAG中属于四能级系统。
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。
He-Ne激光器的基本结构形式
内腔式
将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端。
优点：使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、 不易碎裂，安装方便。 缺点：在工作过程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造 成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管
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。
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。
4A 2是基态又是激光下能级,其简并度g1=4, 2E
是亚稳态,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。 红宝石中铬离子的能级结构
由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近,称为紫带或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。
（1）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%。E能级比2A能级有更多的粒子数。 （2）由于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。
红宝石中铬离子的能级结构
2
4
E3:三条激光谱线公共的激光 上能级 4 F3 / 2 E2: 含二条激光谱线的二个激 光下能级(四能级系统), 即 4 4 I13 / 2 ( 4 F I 1 3 / 2 ,对应1.4μm 3/2
谱线)
4
I 11 / 2
(4 F3 / 2 谱线)
4
I 11 / 2
,对应1.06μ m
E1:基态, 一条激光谱线的激光 下能级(三能级系统):
He, Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。
放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用 热胀系数小的石英玻璃制作。
氦-氖(He-Ne)激光器基本结构形式
He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约 1%～2％，凹面镜为全反射镜。 He－Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放臵方式不同可分内 腔式、外腔式和半内腔式。
常 用 的 泵 浦 光 源 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)
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 半导体激光器 的光谱特性应与激光各种物质的吸 日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中) 收光谱相匹配.
红宝石中铬离子的吸收光谱
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。
为什么红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射？
4
I9/ 2
(
4
F3 / 2
4
I9/ 2
对应0.9μm谱线)
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;
③0.9μm:三能级系统, 难实 现粒子数反转, 一般不 出现.
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。
因此，四能级系统的粒子数反转是E2和E3之间。
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。
易造成工作物质光照不均匀,影响激光光斑质量. 因此,一般取e=0.4为宜。 为了尽可能利用沿轴向发射的泵灯光能,在椭圆柱的两端应有反射端 面。但当聚光器横向尺寸较小,而轴向尺寸比棒、灯长得多时,两端也可以
不加反射面,因为此时可利用的轴向光能很少。
圆柱聚光器
这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔,激光棒和泵灯置于轴线两
缺点：
钕玻璃最大的缺点wk.baidu.com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。
钕玻璃激光器工作特征
E4:含三个吸收带(抽运能带) *(吸收特定波长的光而跃迁到 这三个吸收带)
2
G5 / 2 F9 / 2 F7 / 2
(中心波长5900A)
(............... 7500A) (............... 8000A)
n3
wn1 w23n2 31 A32 w12
n2 w n1 21
wA32 31 A32 n2 n1 wn1 w23n2 w 21 23 31 A32
3、四能级系统
快 慢
E E3 E2 快 E1
w
在外界激励的条件下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，又迅 速转移到E3，E3是亚稳态寿命长，E2能级寿命短，到了E2能 级的粒子很快回到基态。
激光的能级系统
1、二能级系统
E2 B12 B21 A21 E1
n2的变化率:
dn2 w(n1 n2 ) n2 21 dt
E1和E2能级上单位体 积的原子数分别为n1 和 n2 。 原子的吸收速率和受
激辐射速率都等于w
A21是自发辐射系数
dn 2 吸收和辐射平衡时： 0 dt
n2 w n1 A21 w
2、三能级系统，红宝石激光器
E3
n2， n3的变化率:
w23 w A31
A32 E2 w12 A21 E1
dn3 wn1 A31n3 w23 n2 A32 n3 dt dn2 w12 n1 A21n2 w23 n2 A32 n3 dt
吸收和辐射平衡时： dn3 dn2 0 dt dt
红宝石连续激光器多用高压乘蒸气灯,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 铁激光器。 日光泵适用于空间技术中的激光器。
惰性气体放电灯的结构
电极 灯管
充入的气体
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)。 灯管材料用机械强度高、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。
a
b O
c
设椭圆的长半轴为a,短半轴为b,焦距为2c,偏心率为e=c/a. 在灯内径和激光工作物质确定后,e越小,聚光器的聚光效率越高,因为e小, 泵灯截面经椭圆面反射后成象弥散小,光能被工作物质截获得多。 但e太小,意味着a大或c小.a大则聚光器尺寸大。
c小则二焦点靠得近,采用"焦点"放置时则灯和工作物质靠得近,直照强,容
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。
聚光器（泵浦腔）
聚光器的作用： 将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去聚光
器设计得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。
聚光器的分类：
椭圆柱聚光器
圆柱聚光器
椭圆柱聚光器
这种聚光器的内反射表面的横截面是一椭圆。
“焦上放置”——如果把直管灯和棒分别置于椭圆柱聚光器的两条 焦线上(如图a所示),则可以得到比较好的聚光效果。
侧.由于圆相当于焦点重合的椭圆,因此圆柱聚光器内棒、灯的放置相 当于椭圆柱聚光器的"焦外放置"。
两种聚光器的比较
圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光器强,而且在同样棒、
灯直径情况下,圆柱聚光器横截面积大,体积也大。
但圆柱聚光器具有结构简单、加工方便等优点。
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。