第2.5讲 典型激光器介绍

系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。右 图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图 (冷却、滤光系统未画出)。 2.红宝石激光器 红宝石是在三氧化二铝(Al2O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶 体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋) ，它属于三能级系统。 3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) 工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结 晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，它属于四能级 系统。
激光原理与技术·原理部分
第2.5讲 典型激光器介绍
2.5 典型激光器介绍
• 固体激光器：红宝石、Nd:YAG • 气体激光器：原子、分子、离子 • 液体激光器：染料激光器 • 新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、
自由电子激光器、化学激光器
2.5 典型激光器介绍
固体激光器的基本结构与工作物质
1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦
– Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管 等几部分组成。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
2.5 典型激光器介绍
2.5 典型激光器介绍
• 气体激光器的输出特性
– 输出功率大 ---气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布， 且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。例如高功率 电激励CO2激光器连续输出功率已达数万瓦以上 。 – 效率高 ---大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前， CO2激光器的电光转换效率已达到25％，而 CO激光器在低温条 件下可达到50％。 – 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测 到的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波 段，甚至 X射线、射线波段。 – 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质 量，在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如 He-Ne激光的单色性很高，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散 角只有l～2毫弧度。
Quantel Frequency-Doubled Nd-YAG
单脉冲能量：500mJ
脉冲宽度：5ns
峰值功率： 108W=0.1GW
重复频率：10Hz
平均功率：5W
2.5 典型激光器介绍
• 气体激光器的分类
– 原子---产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体主 要是 氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体，有时也采用氯、溴、碘、 氮、硫、碳、氧等原子气体，或铯、镉、铜、锰、锡等金属原子 蒸气。 – 分子（准分子）---产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采 用的分子气体有： CO、N2、 O2、 CO2、N2O和水蒸气等；准分 子激光器的工作气体在常态下为原子，当受到激发时，可暂时形 成寿命很短的分子，称为准分子，这种分子也能产生激光。常采 用的准分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、 XeO*、KrO*等。 – 离子---利用电离后的气体离子产生激光作用，主要有惰性气体离 子和金属蒸气离子。离子激光器的典型代表是氩离子(Ar+)和氦-镉 (He– 2.自由电子激光的特点
• 高功率：平均功率可达到 1MW； • 高效率：理论效率可达到50%； • 宽波长可调谐范围：原则上输出波长可以 覆盖从微波、红外、可见光到真空紫外波， 甚至到X射线整个谱区。
– 3.上海光源 • 全波段：从远红外到硬X射线连续可调 • 高强度：总功率为600千瓦； • 优良的脉冲时间结构：其脉冲宽度仅 为几十皮秒，相邻脉冲间隔可调为几 纳秒至微秒量级；
2.5 典型激光器介绍
• 二氧化碳激光器
– 下图是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振 腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单 的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。
封离式CO2激光器结构示意图
2.5 典型激光器介绍
与产生激光有关的CO2分子能级图
2.5 典型激光器介绍
• Ar+离子激光器
– 除放电激励外，还可用电子枪产生的高速电子去激励 气体，使之跃迁到高能级，这称为电子束激励。
2.5 典型激光器介绍
• 氦-氖(He-Ne)激光器
– He-Ne激光器可以分 为内腔式、外腔式和
半内腔式三种，如右
图所示。 – He-Ne激光器是典型 的四能级系统。
2.5 典型激光器介绍
• He-Ne激光器
2.5 典型激光器介绍
• 化学激光器
– 1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数 反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光 器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多 数是用气体。 – 2.化学激光器具有如下三方面的特点
• 将化学能直接转换成激光。 • 输出的激光波长丰富。 • 高功率、高能量激光输出。
2.5 典型激光器介绍
• 固体激光器的基本特性
– 能量转换效率低，要经过电、光、原子、激光 的途径来形成受激辐射放大； – 运行方式有连续、脉冲、调Q、放大、调制等； – 输出光谱有数千条，覆盖了可见光、近红外光、 紫外（利用晶体实现倍频） ； – 输出峰值功率极高（锁模）---太瓦、飞秒；
2.5 典型激光器介绍
2.5 典型激光器介绍
• 气体激光器的工作原理
– 电激励---气体放电
• 在高电压下，气体分子发生电离导电(叫做气体放电)，被电场 加速的电子与气体原子(或分子、离子)碰撞，使后者激发到高 能级，形成粒子数反转，这一过程称为放电激励。 • 气体放电可采用直流或交流的连续放电、射频放电(高频放电)、 脉冲放电等形式。直流和交流放电又分为纵向放电和横向放电 两种。
2.5 典型激光器介绍
红宝石中铬离子的能级结构
Nd3＋:YAG 的能级结构
2.5 典型激光器介绍
固体激光器的泵浦系统
– 固体激光工作物质是绝缘晶体，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。泵浦光源应当满足两个 基本条件。 – 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加 工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上， 必须采用聚光腔。 – 右图所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的 内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 – 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。 – 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。
2.5 典型激光器介绍
• 自由电子激光器
– 1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通 激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或 离子的束缚电子能级间的跃迁。 – 自由电子激光器的工作原理
• 磁韧致辐射 带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动，从而产 生辐射，当速度接近光速的电子作圆周运动时，将会辐射出光 子，由于这种辐射是1947年在同步加速器上被发现的，因而 被命名为同步辐射（Synchrotron radiation）； • 切伦科夫辐射 当电子在介质中运动时，如果它们的速度比光在介质中的相速 度大，电子也会产生光辐射，其波长随着电子速度而变化，虽 然光很弱，但却是单色性很好的辐射光 。