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典型激光器简介 激光器的组成 (Essential elements of a laser)
激光器基本组成包括:工作物质、谐振腔和泵浦系统三大部分 (A laser medium, suitable optical feedback elements, and a pumping process.)
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1、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” 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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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.) 根据不同激光工作物质的不同而异。如固体工作物质常用强光照射激励,简称光激励;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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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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2、工作物质——激光产生的内因 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???
亚稳态能级: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“亚稳态能级” 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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3、谐振腔 谐振腔的作用:模式选择、提供轴向光波模的反馈
谐振腔是激光器的重要部件,不仅是形成激光振荡的必要条件,而且还对输出的模式、功率、光束发散角等均有很大影响 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
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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(Single-mode and Multi-mode lasers)等
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气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
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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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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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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
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固体激光器(Solid-state lasers)
激光介质由掺杂于固体基质中的金属离子(也称激活离子)和基质所组成。工作物质的物理、化学性能主要取决于基质材料,它的光谱特性主要由激活离子的能级结构决定,但受基质材料的影响,光谱特性将有所变化,有的甚至变化很大。 可作激活离子的元素有四大类:过渡族金属离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、锕系离子,覆盖的波长275~3022nm。
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基质材料分为玻璃和晶体两大类 常用的基质玻璃有:硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃 晶体有金属氧化物、氟化物、酸盐晶体
典型代表有红宝石、Nd3+:YAG(Nd3+ ions in yttrium aluminum garnet)、钕玻璃激光器(Neodymium-glass laser) 特点:能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点,广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面
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固体激光器一般都是用光泵浦。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等,日光泵适用于空间技术中的激光器。
用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是90年代激光发展的主要方向之一,兼容了二者的优点,泵浦效率高,体积小、结构紧凑
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一般固体激光器:由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成
有连续工作和脉冲工作方式
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红宝石激光器(Ruby Laser) 红宝石是掺有少量Cr3+离子的Al2O3单晶。 n1>>n2
E1为基态,E2为亚稳态,E3是大量能级组成的能带。光放大在E2和E1间产生,相应波长为694.3nm。三能级系统。 氙灯光强继续增加到n2>n1 氙灯泵浦 n1减少, n2增加 n1>>n2 自发辐射(荧光) 粒子数反转分布 光强继续增加到某一阈值 光放大器 激光 满足振荡条件
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半导体激光器 (Semiconductor laser or laser diode)
半导体激光器以半导体为工作物质,常用材料有GaAs(砷化镓)、InP等。利用半导体中载流子(电子或空穴)在导带和价带之间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。(半导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的,称为载流子。) 具有小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点,在光纤通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。
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液体激光器 有机化合物液体(染料)激光器(简称染料激光器)和无机化合物液体激光器(简称无机液体激光器)。
染料激光器:若丹明6G、隐花青,豆花素 特点:激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲(3fs)、可获得窄的谱线宽度 广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术中,研究物质的瞬态变化过程及微观动力学。
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染料激光器(Dye lasers) 一种波长连续可调的激光器,染料分子的吸收光谱和荧光光谱均为宽带结构,这是由染料特殊的分子结构造成的,也是能波长连续可调的原因。可采用光栅、棱镜、法布里一珀罗干涉仪、双折射滤光片等调谐元件 主要采用光泵浦,即用短脉冲宽度的闪光灯泵浦或其它激光器泵浦;脉冲泵浦和连续泵浦 调谐范围随泵浦光波长变化,Nd:YAG激光器泵浦时,调谐范围最大,达300~1400nm 对比:固体可调谐激光器:掺钛蓝宝石激光器
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其它激光器 光纤激光器 化学激光器 气动激光器 色心激光器 自由电子激光器 单原子激光器 X射线激光器
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各种激光器及应用方面可参考有关书籍 姚建铨编著,奇异的光——激光,清华大学、暨南大学出版社,2002年7月第2次印刷
董克编,人类希望之光——激光,上海交通大学出版社,2004年7月(TN24-49/D65-深圳大学图书编号) 阎吉祥编著,神奇之光——无所不能的激光技术,科学出版社,1998年8月(TN24-49/Y17) end
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