精品课件- 激光器件

光谱如图9-3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。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9-3。
图9.5 Nd3+:YAG晶体的能级结构
室温下Nd3+:YAG在近红外区有三条明显的荧光谱线,其中心波长和对应的能级跃迁
线的荧光分支比(每条谱线的强度与总荧光强度之比)分别为0.25,0.60,和0.14，其中以 1.06μm处的荧光谱线最强。
4F3/2 向4F9/2跃迂属三能级系统,阈值高;只有在低温下才能实现擞光振荡。4F3/2向4F1/2和 4F13/2跃迁为四能级系统,阈值低,易实现激光振荡。而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。实际上，Nd3+由于受基质 晶格场的影目响向,能级将产生斯塔克分裂,在1.06附近的能级精细结构及相应的荧光谱线 如图9.7所示。由图可见,4F3/2分裂成两个子能级,4F11/2分裂成六个子能级,共产生八条荧光 谱线。其中,在室温时以1.064um的最强，低温（77K）时1.061um的荧光线最强。一般脚 情况下,1.064um的光先起振形成激光(对应图9.7中的第5条谱线)。按波尔兹曼分布,它的 激光上能级(11502cm-1)上的粒子数占4F3/2能级上的总粒子数的40%,它的激光下能级 (2111cm-1）上的粒子数占4F11/2上总粒子数的20%。粒子在激光下能级的寿命为30ns左右, 因此对于连续激光和长脉冲激光,受激跃迁到下能级的粒子数积存不住,会很快无辐射跃迁 到基态。而调Q激光器,因其激光脉宽在十几纳秒左右,在这样短的时间内受激跃迁到下能 级上的粒子数来不及全部跃迁到基态,故而不能认为下能级上的粒子数为零。这在分析动 态激光时应当注意。
ηcou为激光能量输出的偶合效率。谐振腔内的激光能，一部分用于输出，一部分用于 损耗。输出部分所占的比重为T/(T+ac)(T为透过率，ac为光在腔内往返一次的损耗)。 ηcou与透过率和腔内耗损有关。设ηcou︾50%。
激光器的总的转换效率为:ηtot=ηLηcηabηtrηcou=0.15*0.8*0.9*0.5*0.5=2.7%。
激光器件
9.1 固体激光器
一般固体激光器是指没有调Q、倍频、锁模等特殊功能的固体激光器,它是固体激光器 的最基本组成形式。本章重点讨论固体激光器的共同部分,即讨论固体工作物质、泵浦系 统、冷却与滤光以及连续和长脉冲固体激光器的阙值、激光输出能量(功率)和效率。在泵 浦系统中着重讨论当前最常用的灯泵浦系统和时可国内外重点发展的激光二极管泵浦系统。
为了便于查找,将红宝石的一些主要性能列于表9.1中。为了便于比较,表中也列出了 Nd3+:YAG和钕玻璃的主要性能参数。
表9.1三种圄体工作物质的主要性能(室温)
红宝石突出的缺点是阙值高(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。
图9.2红宝石中铬离子的能级结构
图9.3红宝石中铬离子的吸收光谱.
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。
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
由上可见，灯泵固体激光器的能量转换环节多，效率低（只有百分之几），因此设计， 制造，调整激光器时，对每个环节都必须充分注意
9.2.2 固体工作物质
能实现激光振荡的固体工作物质多达数百种,激光谱线多达数千条。本节从使用观点出 发,重点介绍红宝石、Nd3+:YAG、钕玻璃三种常用的工作物质,简略的介绍其它常用的工作 物质。
(3)红宝石的荧光寿命也是温度的函数。实验 发现:室温时,R1线的荧光寿命约为3ms,温度降到 100K时,荧光寿命逐渐增大到4.3ms左右;温度再 降低,寿命又开始下降,在很低温度时可减少到 3.7ms左右。
(4)温度升高后,荧光量子效率机下降η。低温(77K)时, R1线的量子效率η。≈1,室温(300K)时约0.7,当T=500K时, η。下降到0.1以下,上述红宝石的荧光寿命和量子效率随 温度的变化,是由于2A和E两能级上的粒子分布与温度有关,以及由于温度升高后非辐射跃 迁S21增加的缘故。
Hale Waihona Puke ηL为灯在工作物质吸收带内的有效电光转换效率,简称灯的有效辐射效率。输入到灯上 的电能一部分转的册,一部分由电路、灯电极和灯管发热损失掉。灯辐射的是续谱,处 于工作物质吸收带内的有效光谱只占一小部分,因此ηL很低约为15%。的灯的种类、技术 参数和使用情况有关(详见本章9-3)。
ηc为聚光器的聚光效率。泵灯发出的光能只有一部分被会聚到工作物质上，其余部分有冷 却和滤光系统吸收，从聚光器中逃逸.聚光器吸收发热等损失掉。它与聚光器的类型，聚 光器内表面发射情况，泵灯与工作物质尺寸匹配情况，冷却和滤光方式有关。ηc约80%。
图9.7 Nd3+:YAG晶体30OK时在1.06um附近的荧光谱线
Nd3+:YAG的光谱特性随温度变化较小,实验发现,当晶体由4.2K升高到300K时,吸收光谱 峰值波长移动一般不大于1nm量级,1.06um附近的荧光线向长波移动约1nm左右。在室温 或略高于室温的范围内,1.06um处的荧光线宽、荧光寿命和量子效率随温度升高不发 生显著变化。Nd3+:YAG的某些性能参数列于表9.1中。
由于Nd3+:YAG属四能级系统,量子效率高,受激辐射截面大,所以它的阈值比红宝石和敏 玻璃低得多。又由于Nd3+:YAG晶体具有优良热学性能,因此非常适合制成连续和重频 器件。它是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质。在中小功率脉冲器件中, 目前应用Nds3+:YAG的量远远超过其它固体工作物质。Nd3+:YAG连续器件的最大输出功 率已超过1000W,每秒5000次的重复频率器件的峰值功率已达1KW以上，每秒几十次的重 复频率调Q器件的峰值功率已达几百兆瓦。NNd3+:YAG也可用做倍频器件和锁模器件。
二、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。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。
(5)由于温度升高引起荧光谱线加宽,量子效率降低,从而导致红宝石的阈值升高,效 率下降,严重时还会引起"温度猝灭"(温度升高到一定程度后,激光终止)。
由于红宝石的性能随温度变化比较明显,在室温情况下不适于作连续和高重频器件。值 得注意的是在低温时,红宝石的性能非常良好;例如在低温77K时,红宝石的激光阙值比室温 下可低两个数量级。同时低温下红宝石的导热性比室温下好得多。因此在低温下可连续输 出。
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,而抑制了儿线。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。
一、红宝石晶体 红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铅离子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。 晶体的生长方向大致有三种:生长轴与光轴C平行的叫0o。红宝石,生长轴与光轴C相垂
直的为90o.红宝石,此外还有60o。红宝石等。
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9-2所示。4A2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。4E1和4F2是两个吸收能带。红宝石的吸收