第一章激光器件概论p

1第一章激光器件概论1.1激光器件的分类自从1960年梅曼(Maiman)制成世界第一台红宝石激光器到目前为止，已有不下几千种物质中获得了激光发射。激光的单脉冲能量和功率，分别达到几十万焦耳和千太瓦（1012瓦），连续输出功率已达到几万瓦以上。超短脉冲的宽度可压缩至几百阿秒量级。各种激光器虽然在结构和运转方式上各不相同，但基本上都由三个部分组成：1、工作物质：它是实现粒子数反转并产生激光的物质基础和场所；2、激励系统：激光系统能源的供应者，并以一定方式促成激光工作物质处于粒子数反转状态；3、光学谐振器：它的作用一是提供光学反馈的条件，再则是选择和限制激光器的振荡波型和光束输出特性。激光器的分类方式很多，按工作物质划分，可分为：固体、气体、液体、半导体、化学、自由电子、X射线和物质波（原子）激光器等八种。按运转方式划分，可分为：连续式运转激光器、单脉冲式运转激光器、重复频率式运转激光器、Q突变式运转激光器、波型（模式）可控式运转激光器等。波型（模式）可控式运转激光器包括：单波型（选纵模、选横模）激光器、稳频激光器、锁模激光器、变频激光器等。按激励方式划分，可分为：光泵式激光器(泵浦灯激励和激光激励又分端面泵浦、侧面泵浦)、电激励式激光器、化学反应式激光器、热激励式激光器、和核能激励式激光器等。按激光器输出的中心波长所属波段划分，又可分为：微波段激光器、远红外段激光器、中红外段激光器、近红外段激光器、可见光段激光器、紫外段激光器（近紫外、真空紫外，又有人分为紫外和深紫外）及X射线段激光器等。按谐振腔类型划分，又可分为：稳定腔激光器、临界腔激光器和非稳腔激光器等。可视尺度的宏观谐振腔激光器(腔长在104~106μm量级，如CO2激光器、He–Ne图1.1.1固体激光器组成示意图SchemeofSolidlaserdeviceconstitute2激光器、Ar+激光器、He–Cd激光器等)；显微尺度的谐振腔激光器(激光器腔长在10~100μm量级，如半导体激光器，其操作必须借助于显微镜进行)；介观尺寸的微腔激光器(micro-laser，激光器腔长在1μm量级，激光器腔长与激光波长可比拟，遵从于介观物理学规律，属于受限小量子系统)。双镜驻波腔激光器、环形腔激光器和位相共轭谐振腔激光器等。1.2典型激光器件简介对于激光器最常用的划分方式还是按工作物质分类。按工作物质划分激光器可分为以下几大类。1、固体激光器工作物质是以高质量的光学晶体或光学玻璃为基质，其内掺入具有发射激光能力的金属离子。目前已发现能用来产生激光的晶体有几百种，玻璃材料几十种，最常用的有红宝石，钕玻璃，钇铝石榴石,铝酸钇，钒酸钇等。固体激光器一般采用光泵激励方式，固体激光器的特点是输出的功率较大，结构牢固，体积较小，多用于机械加工，测距，通信，快速全息照相等。有机物质固体激光器。2、气体激光器气体激光器运转时，工作物质的状态分为：原子气体，分子气体、离子气体和准分子气体。因此分别称为原子气体激光器(如He-Ne等)，分子气体激光器(如CO2等)，离子气体激光器(如A+r等)和准分子气体激光器（XeF、XeCl、KrF、ArF、KrCl等）。图1.2.1为气体激光器示意图。气体激光器是目前应用最广泛的一类激光器，它的单色性比其它类激光器优良，而且能长时间稳定的工作，常应用于精密计量，定位，准直，全息照相，近距离通讯，水下探测等。3、半导体激光器工作物质是半导体材料，如砷化镓，碲锡铅，硫化镉，锑化铟等。半导体激光器的特点是器件体积小，重量轻，效率高，结构紧凑，运行寿命长，可以用100万小图1.2.1气体激光器示意图Gaslasersschematic3时(即120年)。一般气体，固体激光器长度可从几厘米到几米甚至上百米，而半导体激光器不足1毫米，只有针孔那么大，重量可以不超过2克。4、液体激光器分为有机液体激光器和无机液体激光器。无机液体激光器，其工作物质一般是由无机液体掺入稀土离子构成。有机液体激光器工作物质，是由某些分子结构呈笼状的有机化合物溶于有机液体溶剂中而形成。目前最普遍使用的液体激光器是各种染料激光器。它的最大优点是输出的激光波长可在较大范围内连续调谐，在各种光谱测量技术中有特殊重要的应用价值。5、化学激光器基于化学反应所产生的能量来建立粒子数反转分布，从而产生受激的器件。6、自由电子激光器它是利用相对论电子束与电磁场的相互作用产生相干电子束的激光辐射。7、X射线激光器X射线波段激光的开拓研究，是激光科学发展中的重大前沿领域之一，中国以类锂离子和具有类似电子结构的类钠离子三体复合泵浦方案为主攻方向，多次在国际首次获得短波长的X射线激光跃迁。这不仅在激光与等离子体相互作用研究、X射线激光光谱研究方面积累了大量的经验，而且在软X射线激光增益实验研究方面也取得了重要数据。8、物质波（原子）激光器原子激光是第一种物质波激射器，是继微波激射器（Maser）,光激射器（Laser）之后的第三类激射器。由激光脉冲轰击原子而产生激光的器件。1995年原子气体Bose-Einstein凝聚（BEC——Bose-Einsteincoacervation）实验成功,促使了1997年原子激光器的诞生。BEC的实现和原子激光器的诞生，是20世纪末物理学的重大性进展，有可能对今后科学技术的发展产生重大影响。这一成果，不仅是物理学的又一重大进步，也为物理学的基础理论研究如量子论、相对论的发展提供了深入的基础；同时对相关领域，如精密测量、空间科学、地学、表面探测、微电子技术的也将有重大推动作用。二、激励方式1、光激励4光激励是利用光照射工作物质、工作物质吸收光能后产生粒子数反转。光源可以是高效率的高强度的发光灯、太阳能和激光，固体激光器多采用连续或脉冲灯激励，太空中的激光器多采用太阳能作为激励源，为提高泵浦效率，可利用与工作物质对应的激光作为激励源，例如半导体激光激励可是固体激光器小型化。2、放电激励在高压下，气体分子会发生电离导电，在放电过程中，气体分子与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量跃迁到高能级形成粒子数的反转。与光激励相比减少了电光转换环节，激发效率可以提高。3、热能激励用高温加热方式使高能级上气体粒子数增多，然后突然降低气体温度，因高低能级的热驰豫时间不同科是粒子数实现反转。4、化学激励是利用化学反应过程中释放的能量来激励粒子建立粒子数反转。5、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。1.3激光器件运转原理LaserDeviceOperateTheory1.3.1光学谐振腔OpticalResonator激光束在共轴球面腔内经多次往返后，若光束位置仍紧靠光轴，则光学谐振腔稳定；若光束从腔镜面横向逸出反射镜之外，则光腔不稳定。由曲率半径不等的球面镜组成的激光谐振腔是周期光学元件序列的一个典型例子，可分为稳定的和不稳定的两种。对稳定序列，光束在传播过程是有界的，传播矩阵的各矩阵元取有限的实数时，近轴光线在腔内往返多次后，不会横向逸出腔外。对不稳定序列，方程中的三角函数变成双曲线函数，这表明光束通过光学元件序列时将越来越发散，光束将逸出光学谐振腔外，光束是无界的。（1）光学谐振腔的稳定条件当光线从M1镜出发，在光学谐振腔内往返传播了一次，又回到M1镜，即从M1→L→M2→L→M1，其光线传播矩阵为5121210101122110101MMRMLMRMLLLABCDRR(1-3-1-1)211121222121221221221RLRLRLDRLRRCRLLBRLA(1-3-1-2)当光线传输矩阵的迹满足不等式1211DA(1-3-1-3)序列是稳定的。式中，A、D为光线传输矩阵的主对角线的元素。为了方便而清晰地描述光学谐振腔的稳定性，现引入两个表示谐振腔几何结构参数的因子：221111RLgRLg(1-3-1-4)将式(1-3-1-2)、式(1-3-1-4)代入式(1-3-1-3)得：1021gg(1-3-1-5)称式(1-3-1-5)为光学谐振腔的稳定条件。依据光学谐振腔的稳定条件式(1-3-1-5)，可将光学谐振腔分为三种：1)稳定腔：当球面光学谐振腔的几何参数满足0g1g21时，在腔内的近轴光线经往返无限多次而不会横向逸出腔外，即没有几何偏折损耗，谐振腔处于能量损耗最低的稳定工作状态，称为稳定腔。由于腔内基模光束具有高斯函数分布特征，故又称高斯光束腔。2)非稳腔：当g1g20，g1g21时，对xn=AnX0+Bnθ0，θn=CnX0+Dnθ0，有指数函6数解，随n增大，xn按指数规律增大，这意味着光线在腔内往返传播有限次后将横向逸出，腔具有较大的几何偏折损耗称为非稳腔。由于腔内光束好像是由非稳腔的一对共轭像点发出，所以又称为点光束腔。3)临界腔：当g1g2=0，1的共轴球面腔为临界腔，除共焦腔外，该类谐振腔内的近轴光线有一部分经无限多次往返而不会横向逸出腔外，还有一部分光线则在腔内往返传播有限次后将横向逸出腔外。临界腔的几何损耗均高于稳定腔低于非稳腔，能量损耗介于稳定腔和非稳腔之间，其几何参数为两类腔分界线，称为临界腔(介稳腔)。1.3.2工作物质的能级结构与辐射线型LevelConfigurationandRadiateLineshapeoflasermediums激光器根据其产生和形成激光过程所涉及到的激光工作物质（激活离子）的能级结构特征可分成：三能级系统工作物质和四能级系统工作物质。凡是基态和激光下能级重合或者E1-E0kT的系统称为三能级系统；凡是基态和激光下能级不重合且E1-E0kT统称为四能级系统。红宝石属于三能级系统；Nd3+:YAG、钕玻璃、氮分子、二氧化碳、氩离子、氦镉、等激光器件属于四能级系统。激光工作物质的运转过程，即大量粒子的跃迁辐射过程。激光工作物质的跃迁辐射的光能量按照频率的分布遵循一定的规律，而不同的物质结构所辐射的规律是不同的。根据相对辐射光强按照频率的分布特征，人们将其分为三类：均匀加宽的洛伦茨线型、非均匀加宽的高斯线型和综合线型。表示相对光强按频率分布规律的曲线就称为光源的光谱辐射线型。用谱线的线型函数g(ν，ν0)描述这条曲线，这条曲线的轮廓形状也称为光谱线形状。不同的光谱线具有不同形式的g(ν，ν0)，称为不同的线型。线型函数g(ν，ν0)定义为：若一条光谱线的总辐射功率为P0，而在频率ν→ν+dν范围内的辐射功率为P(ν)dν，则有d,d00gPP(1-3-2-1)所以00dd,PPg(1-3-2-2)71d,0g(1-3-2-3)这即为线型函数的归一化条件，ν0表示线型函数的中心频率。线型函数ν=ν0时，有最大值g(ν0，ν0)=gmax，若有频率ν1和ν2，当ν＝ν1，ν2时max00020121,21,,gggg(1-3-2-4)则定义光源辐射的线型的谱线宽度Δν为01021222Δ(1-3-2-5)也就是说，在ν=ν0±Δν/2时，g值将下降至最大值的一半，即max000021,21,2Δggg(1-3-2-6)每个发光粒子所辐射的光能，对谱线内任意频率均有贡献；且所有发光粒子在对谱线的贡献过程所处的地位完全相同。由如此大量粒子对谱线的整体贡献的结果所引起的谱线加宽过程称为均匀加宽。自然加宽(NaturalBroadening)、碰撞加宽(CollisionalBroadening)及晶格振动加宽(CrystalLatticeVibrationBroadening)均属均匀加宽类型。在气体工作物质中，谱线的均匀加宽主要源于自然加宽和碰撞