激光原理与应用讲-第五章资料.ppt

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1、激光原理与应用本章主要内容：1.固体激光器2.气体激光器3.染料激光器4.半导体机光器5.其他激光器5.1.1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、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1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)。图5-1固体激光器的基本结构示意图固体激光器的特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达几十太瓦），结构紧凑牢固。5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质2.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体,它的吸收光谱

2、特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，如图5-2所示。图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石激光器属于典型的三能级系统，如图5-3所示。红宝石激光器荧光谱线为R1线（694.3nm）和R2（692.9nm）线，由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以红宝石激光器的激光输出为694.3nm。图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)工作物质：将一定比例的A12O3、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＋)，吸收光谱如图(5-4)所示。图(5-

3、4)Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示，属于四能级系统。YAG激光器的两条荧光谱线中心波长分别为1.35μm和1.06μm，后者强度约为前者的4倍，因此激光输出为1.064μm。图(5-5)Nd3＋:YAG的能级结构5.1.4新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器图(5-7)半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比主要优点包括：能量转换效率高、产生的无功热量小、寿命长、结构简单、使用方便等。半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)所示。调谐波长：700-900

4、nm5.1.4新型固体激光器2.可调谐固体激光器实现激光器调谐基本要素：工作物质能够提供较宽的连续或准连续荧光光谱带，在谐振腔内插入适当的调谐器件。可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。5.1.4新型固体激光器3.高功率固体激光器高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-

5、8)所示。图(5-8)板条形固体激光器结构示意图小结：固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固。红宝石激光器输出的典型波长：694.3nm。YAG激光器输出的典型波长：1064nm。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的结构图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。气体激光器的特点是：输出光束的质量好（包括：单色性、相干性、光束方向和稳定性）。亚稳态电子碰撞碰撞转移亚稳态图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图2.He-Ne激光器的激发机理其激光谱线主要有三条:3

6、S2P632.8nm2S2P1.15m3S3P3.39m5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器图(5-10)是与产生激光有关的He原子核Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。其他谱线还包括黄光和橙光。He-Ne激光管的工作原理由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比Ne原子被激发的概率大。He的23S，21S这两个能级都是亚稳态，集聚了较多的原子。由于Ne的5S和4S与He的21S和23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”；He把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5S或

7、4S态。正好Ne的5S，4S也是亚稳态，下能级4P，3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3S态的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态。这样可及时减少3S态的Ne原子数，有利于Ne原子的下能级4P与3P态的“抽空”。Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:0.6328ｍ1.15m3.39ｍ