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1、 理学院理学院 物理系物理系 1-3 典型激光器简介典型激光器简介05 十二月十二月 2022一、激光器的基本组成（一、激光器的基本组成（Essential elements of a laser)激光工作物激光工作物质A laser medium（核心部分）（核心部分）泵浦系浦系统 A pumping process（光能、（光能、电能、能、原子能、化原子能、化学学能）能）光光学学谐振腔振腔 A A suitable optical feedback elements 理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 激励只是一个外部条件，激光的
2、产生还取决于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。合适的工作物质。二能级系统能否实现粒子数反转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，这样的能级称为实现，这样的能级称为“亚稳能级亚稳能级”。可能实现粒子数反转分布的系统可归结为可能实现粒子数反转分布的系统可归结为三能级三能级系统和四能级系统系统和四能级系统。1、工作物质工作物质激光产生的内因，激光产生的内因，实现粒子实现粒子数反转和产生光的受激辐射作用的物质体系。数
3、反转和产生光的受激辐射作用的物质体系。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介粒子数的正常分布？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。级上的粒子数，受激吸收占优势。粒子数的反转分布？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。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？如何实现粒子数反转？把大量的粒子从低能级把大量的粒子从低能级“搬运搬运”到高能级的过程，称到高能级的过程，称为泵浦或激励；为泵浦或激励；“搬运搬运”
4、粒子的工具粒子的工具“光泵光泵”泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量(A pumping process(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels.)their higher quantum-mechanical energy levels.)2、泵浦系统泵浦系统粒
5、子搬迁的动力粒子搬迁的动力 理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 激励不仅要快，还有强有力；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受激辐射所需要的最小激励能量称为激光器的阈值激光器的阈值（threshold）；）；激励方式（激励方式（Practical laser materials can be pumped in many ways.）：光、电、化学、原子能；）：光、电、化学、原子能；根据不同激光工作物质的不同而异。如固体工作根据
6、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。碰撞激励方法。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介n光激励光激励-用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子用光照射工作物质，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；数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能和激光；n放电激励放电激励-在放电过程中，气体分子（或原子，离子
7、）与被在放电过程中，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；粒子数反转；n热能激励热能激励-用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加，然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；使粒子数反转；n化学能激励化学能激励利用化学应过程中释放的能量来激励粒子，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建立粒子数反转。为产生化学反应，一般还
8、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；发措施，如采用光引发、电引发、化学引发等方式；n核能激励核能激励用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变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；碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数反转；理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介谐振腔的作用：谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的模式选择、提供轴向光波模的反馈，产生光放大；反馈，产生光放大；谐振腔的组成：谐振腔的组成：谐振腔由谐振腔由全反射镜全反射镜和和部分反射部分反射镜（输出反射镜）镜（输
9、出反射镜）组成，激光由部分反射镜输组成，激光由部分反射镜输出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界稳定腔。稳定腔。3、谐振腔：谐振腔：形成激光振荡的必要条件；对输出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。的模式、功率、光束发散角等均有很大影响。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介工作物质形态工作物质形态-可以分为气体、固体、半导体、可以分为气体、固体、半导体、液体等；液体等；工作方式工作方式-连续工作连续工作(CW or continuous wave lasers)
10、和脉冲工作和脉冲工作(Pulsed lasers)；激光技术激光技术-调调Q激光器激光器(Q-switched lasers)、锁、锁模激光器模激光器(Mode locked lasers)、倍频激光器、倍频激光器(Frequency doubling lasers)、可调谐激光器、可调谐激光器(Tunable lasers)、单模和多模激光器、单模和多模激光器(Single-mode and Multi-mode lasers)等。等。二、激光器的分类二、激光器的分类 理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介(1)(1)气体激光器气体激光
11、器:以气体或金属蒸气为发光粒子以气体或金属蒸气为发光粒子 理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 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。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、应用最广泛样化、激光波长分布区域最宽、应用最广泛的一类激光器。的一类激光器
12、。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 氦一氖气体激光器：氦一氖气体激光器：原子激光器类原子激光器类，1961年实现年实现激光输出，多采用连续工作方式，输出功率与放激光输出，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，（发散电毛细管长度有关；输出激光方向性好，（发散角达角达1mrad以下），单色性好（以下），单色性好（可小于可小于20Hz），），输出功率和波长能控制得很稳定输出功率和波长能控制得很稳定;He-Ne激光器的激光器的结构形式结构形式很多，但都是由很多，但都是由激光管激光管和激光电源和激光电源组成。激光
13、管由放电管、电极和光学组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成，放电管是谐振腔组成，放电管是He-Ne激光器的心脏，是产激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构成。成。He-Ne(氦氦-氖氖)激光器激光器(helium-neon gas laser)理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 由于增益低，谐振腔一般用由于增益低，谐振腔一般用平凹腔平凹腔;放电管中充入一定比例的氦（放电管中充入一定比例的氦（He）、氖）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管）气体，当电极加上高
14、电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，数反转，产生激光跃迁的是产生激光跃迁的是Ne气气，He是辅助是辅助气体，用以提高气体，用以提高Ne原子的泵浦速率原子的泵浦速率;最强的谱线有三条：最强的谱线有三条：0.6328 m（红色）、（红色）、3.39 m和和1.15 m，常用的为，常用的为0.6328 m 四能级系统四能级系统.理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介（2）固体激光器）固体激光器(Solid-state lasers)激光介质激光介质:由掺杂于固体基质中的金属离子由掺杂
15、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（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，有的基质材料的影响，光谱特性将有所变化，有的甚至变化很大。甚至变化很大。可作激活离子的元素可作激活离子的元素有四大类：过渡族金属有四大类：过渡族金属离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、离子、三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、锕系离子，覆盖的波长锕系离子，覆盖的波长2753022nm。理学院理学
16、院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介基质材料分为玻璃和晶体两大类。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、酸盐晶体晶体有金属氧化物、氟化物、酸盐晶体;典型代表有红宝石、典型代表有红宝石、Nd3+：YAG(Nd3+ions in yttrium aluminum garnet)、钕玻璃激光器、钕玻璃激光器(Neodymium-glass laser);特点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢特点：能量大、峰
17、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、固耐用等优点，广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面。科研等方面。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 固固体体激激光光器器一一般般都都是是用用光光泵泵浦浦。最最常常用用的的泵泵浦浦光光源源有有惰惰性性气气体体放放电电灯灯、金金属属蒸蒸气气灯灯、卤卤化化物物灯灯、半半导导体体激激光光器器、日日光光泵泵等等，日日光光泵泵适适用用于空间技术中的激光器。于空间技术中的激光器。用用半半导导体体激激光光二二极极管管泵泵浦浦的的固固体体激激光光器器是是90年年代代激激光光发发展展的的主
18、主要要方方向向之之一一，兼兼容容了了二二者者的的优点，泵浦效率高，体积小、结构紧凑。优点，泵浦效率高，体积小、结构紧凑。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振一般固体激光器：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。腔和冷却滤光系统四个主要部分组成。有连续工作有连续工作(Continuous Wave)和脉冲和脉冲(Pulsed Wave)两两种工作方式；种工作方式；理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介红宝石激光器红宝石激
19、光器(Ruby Laser)红宝石是掺有少量红宝石是掺有少量Cr3+离子的离子的Al2O3单晶。单晶。E1为基态，为基态，E2为亚稳态，为亚稳态，E3是大量能级组成的能带。光是大量能级组成的能带。光放大在放大在E2和和E1间产生，波长为间产生，波长为694.3nm。三能级系统。三能级系统。激光n1n2氙灯泵浦 n1减少，n2增加自发辐射（荧光）氙灯光强继续增加到n2n1粒子数反转分布光放大器光强继续增加到某一阈值满足振荡条件 理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介半导体激光器半导体激光器(Semiconductor laser or la
20、ser diode)半半导导体体激激光光器器以以半半导导体体为为工工作作物物质质，常常用用材材料料有有GaAs（砷砷化化镓镓）、InP等等。利利用用半半导导体体中中载载流流子子（电电子子或或空空穴穴）在在导导带带和和价价带带之之间间的的受受激激跃跃迁迁而而实实现现受受激激辐辐射射光光放放大大。（半半导导体体中中的的电电流流是是电电子子和和空空穴穴的的移移动动而而形形成成的的，称为载流子。）称为载流子。）具具有有小小型型、高高效效率率、结结构构简简单单、价价格格便便宜宜等等优优点点，在在光光纤纤通通信信、激激光光唱唱片片、光光盘盘、数数显显、准直等领域得到广泛应用。准直等领域得到广泛应用。理学院
21、理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介液体激光器液体激光器 有机化合物液体（染料）激光器（简称染料激光有机化合物液体（染料）激光器（简称染料激光器）和无机化合物液体激光器（简称无机液体激器）和无机化合物液体激光器（简称无机液体激光器）。光器）。染料激光器：若丹明染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素、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（极短的超短脉冲（3fs）、可获得窄的谱线宽度）、可获得窄的谱线宽度 广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分广泛应用到光生物学、光
22、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。程及微观动力学。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介染料激光器染料激光器(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、双折射滤光用光栅、棱镜、法布里一
23、珀罗干涉仪、双折射滤光片等调谐元件；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；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，调谐范围随泵浦光波长变化，Nd:YAG激光器泵浦激光器泵浦时，调谐范围最大，达时，调谐范围最大，达3001400nm；对比：固体可调谐激光器：掺钛蓝宝石激光器。对比：固体可调谐激光器：掺钛蓝宝石激光器。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介其它激光器其它激光器光纤激光器光纤激光器化学激光器化学激光器气动激光
24、器气动激光器色散激光器色散激光器自由电子激光器自由电子激光器单原子激光器单原子激光器X射线激光器射线激光器 理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介光纤激光器光纤激光器(Fiber lasers)属于固体激光器。属于固体激光器。光纤的典型结构为光纤的典型结构为多层同轴圆柱体多层同轴圆柱体，自内向外为纤，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。芯、包层和涂覆层。(core,cladding and coating)纤芯纤芯由高度透明的材料组成，是光波的主要传输通道；包由高度透明的材料组成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，形成光波导效应，使
25、光的传层的折射率略小于纤芯，形成光波导效应，使光的传输束缚在纤芯中，并使传输性能稳定。涂覆层包括一输束缚在纤芯中，并使传输性能稳定。涂覆层包括一次涂覆、缓冲和二次涂覆，保护光纤不受水汽的侵蚀次涂覆、缓冲和二次涂覆，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，延长光纤和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，延长光纤寿命。寿命。多模光纤：能够传导多种模式的光纤，其截面尺寸多模光纤：能够传导多种模式的光纤，其截面尺寸较大，阶跃多模光纤芯径较大，阶跃多模光纤芯径50 m，包层直径，包层直径125 m。单模光纤：只能传导一种模式的光纤，其纤芯直径单模光纤：只能传导一种模式的光纤，其纤芯直径
26、很小，约在很小，约在410 m范围，包层直径范围，包层直径125 m。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 一般将稀土元素离子掺杂在纤芯中。主要通一般将稀土元素离子掺杂在纤芯中。主要通 过其它激光器激励。为使结构紧凑，优先使过其它激光器激励。为使结构紧凑，优先使用半导体激光器作为泵浦源。用半导体激光器作为泵浦源。20世纪世纪80年代后期，英国南安普敦大学的佩年代后期，英国南安普敦大学的佩恩（恩（D.N.Payne）等人发展了工作于最小通）等人发展了工作于最小通信损耗窗口信损耗窗口1550nm光纤放大器。光纤放大器。由于泵光难以有效地耦合
27、进光纤芯中，限制由于泵光难以有效地耦合进光纤芯中，限制了它作为高功率的光子源。同期美国麻省宝了它作为高功率的光子源。同期美国麻省宝丽来公司研究发展了包层泵浦方式，解决了丽来公司研究发展了包层泵浦方式，解决了这一难题。这一难题。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介 双包层结构光纤包括两个包层。纤芯被包在比其折双包层结构光纤包括两个包层。纤芯被包在比其折射率低的内层硅材料之中，内层被具有更低折射率的射率低的内层硅材料之中，内层被具有更低折射率的外层聚合物所包含。内层被设计成形状和结构适合于外层聚合物所包含。内层被设计成形状和结构适合于有效耦
28、合端面泵浦的高功率半导体激光器的泵浦光。有效耦合端面泵浦的高功率半导体激光器的泵浦光。由于外层的限制，进入内层的泵光传入光纤芯，激发由于外层的限制，进入内层的泵光传入光纤芯，激发掺杂的离子，产生较强的光束输出。掺杂的离子，产生较强的光束输出。易与光纤传输系统连接，大功率、宽波段、结构紧易与光纤传输系统连接，大功率、宽波段、结构紧凑、运转可靠、具有高性能性价比的光纤激光器，已凑、运转可靠、具有高性能性价比的光纤激光器，已经或将在航天航空、生命科学、医学、材料科学、精经或将在航天航空、生命科学、医学、材料科学、精密机械加工、家庭电视、广告显示、印刷业、光通信密机械加工、家庭电视、广告显示、印刷业、
29、光通信等领域得到广泛应用。等领域得到广泛应用。理学院理学院 物理系物理系 05 十二月十二月 2022 1-3 典型激光器简介典型激光器简介化学激光器化学激光器（1）通过化学反应实现粒子数反转的激光器。）通过化学反应实现粒子数反转的激光器。其工作物质多用气体，但在化学反应的引发、其工作物质多用气体，但在化学反应的引发、粒子数反转过程等方面的特殊性，一般不列入粒子数反转过程等方面的特殊性，一般不列入气体激光器。气体激光器。（2）化学反应物质本身蕴藏巨大的化学能，基）化学反应物质本身蕴藏巨大的化学能，基本无需外界提供能力，对外依赖性很小，装置本无需外界提供能力，对外依赖性很小，装置体积不大，重量轻，对野外和军事应用求之不体积不大，重量轻，对野外和军事应用求之不得。得。（3）工作物质多有毒。）工作物质多有毒。