激光器的基本组成及典型激光器介绍

2019年2月18日星期一 理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
(1)气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
产生激光作用的物质 未电离的气体原子 原子 所采用的物质 氦、氖、氩、氪、 氙、氧、溴、碘、 氮、硫、碳、铯、 镉、铜、锰、锡等 金属原子蒸气 未电离的气体分子 CO2、N2、O2、CO、 N2O 和水蒸气等 工作气体在常态下为原子， 当激 Ar2*、Xe2*、XeF*、 发时， 可暂时形成寿命很短的分 KrF*、 ArF*、 XeCl*、 子，称为准分子 XeBr*、 XeQ*、 KrQ* 等 利用电离后气体离子产生激光 惰性气体离子和金 作用 属蒸气离子
§ 1-3 典型激光器简介
☞ 激励不仅要快，还有强有力；
☞ 激励作用是通过消耗一定的能量来实现的，产生
受激辐射所需要的最小激励能量称为激光器的阈值 （threshold）； ☞ 激励方式（Practical laser materials can be pumped in many ways.）：光、电、化学、原子能；
泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels. )
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§ 1-3 典型激光器简介
He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neon gas laser)
• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现
激光输出，多采用连续工作方式，输出功率与放 电毛细管长度有关；输出激光方向性好，（发散 角达1mrad以下），单色性好（可小于20Hz）， 输出功率和波长能控制得很稳定; • He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管 和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学 谐振腔组成，放电管是He-Ne激光器的心脏，是产 生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构 成。
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§ 1-3 典型激光器简介
2、泵浦系统—粒子搬迁的动力
粒子数的正常分布？ 处于低能级上的粒子数在热平衡情况下总是多于高能 级上的粒子数，受激吸收占优势。 粒子数的反转分布？ 高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数。 如何实现粒子数反转？ 把大量的粒子从低能级“搬运”到高能级的过程，称 为泵浦或激励； “搬运”粒子的工具－“光泵”
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§ 1-3 典型激光器简介
二、激光器的分类
工作物质形态---可以分为气体、固体、半导 体、液体等； 工作方式---连续工作(CW or continuous wave lasers)和脉冲工作(Pulsed lasers)； 激光技术---调Q激光器(Q-switched lasers)、 锁模激光器(Mode locked lasers)、倍频激光器 (Frequency doubling lasers)、可调谐激光器 (Tunable lasers)、单模和多模激光器(Singlemode and Multi-mode lasers)等。
§ 1-3 典型激光器简介
1、工作物质——激光产生的内因，实现粒子 数反转和产生光的受激辐射作用的物质体系。 ☞ 激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于
合适的工作物质。 ☞ 二能级系统能否实现粒子数反转???
☞ 亚稳能级：需要一个可以有较长寿命且能贮存 大量粒子的能级，经过不断激发，粒子数反转就 能实现，这样的能级称为“亚稳能级”。 ☞可能实现粒子数反转分布的系统可归结为三能 级系统和四能级系统。

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§ 1-3 典型激光器简介
3、谐振腔：形成激光振荡的必要条件；对输出
的模式、功率、光束发散角等均有很大影响。
谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的 反馈，产生光放大； 谐振腔的组成：谐振腔由全反射镜和部分反射 镜（输出反射镜）组成，激光由部分反射镜输 出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界 稳定腔。
☞ 根据不同激光工作物质激励；气体工作物 质吸收光谱多在紫外波段，多采用气体放电的电子 碰撞激励方法。
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§ 1-3 典型激光器简介
光激励---用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子 数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能和激光； 放电激励---在放电过程中，气体分子（或原子，离子）与被 电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成 粒子数反转； 热能激励---用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加，然 后突然降低气体温度，因高、低能级的热驰豫时间不同，可 使粒子数反转； 化学能激励——利用化学应过程中释放的能量来激励粒子， 建立粒子数反转。为产生化学反应，一般还需采用一定的引 发措施，如采用光引发、电引发、化学引发等方式； 核能激励——用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变 碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数反转；
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典型代表 He-Ne laser
分子
CO2 和 N2 KrF*、ArF*
准分 子 离子
氩离子（Ar+） 、氦— 镉（ He-Cd ）离子激 光器
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§ 1-3 典型激光器简介
• 气体激光器的激励方式很多，最普通的激 励方式是气体放电激励。 • 气体激光器的工作物质种类多，又能采用多 种激励方式，所以覆盖的波段宽，从紫外到 亚毫米波。是目前种类最多、激励方式最多 样化、激光波长分布区域最宽、应用最广泛 的一类激光器。
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§ 1-3 典型激光器简介
• 由于增益低，谐振腔一般用平凹腔;
• 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，毛细管 中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子 数反转，产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助 气体，用以提高Ne原子的泵浦速率; • 最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、 3.39m和1.15m ，常用的为0.6328m • 四能级系统.