激光种类

典型激光器简介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(Alasermedium,suitableopticalfeedbackelements,andapumpingprocess.)激光器的组成(Essentialelementsofalaser)•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(Apumpingprocessisrequiredtoexciteatomsinthelasermediumintotheirhigherquantum-mechanicalenergylevels.)1、泵浦系统—粒子搬迁的动力•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（Practicallasermaterialscanbepumpedinmanyways.）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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•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2、工作物质——激光产生的内因•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3、谐振腔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(CWorcontinuouswavelasers)和脉冲工作(Pulsedlasers)激光技术---调Q激光器(Q-switchedlasers)、锁模激光器(Modelockedlasers)、倍频激光器(Frequencydoublinglasers)、可调谐激光器(Tunablelasers)、单模和多模激光器(Single-modeandMulti-modelasers)等激光器的分类气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子产生激光作用的物质所采用的物质典型代表原子未电离的气体原子氦、氖、氩、氪、氙、氧、溴、碘、氮、硫、碳、铯、镉、铜、锰、锡等金属原子蒸气He-Nelaser未电离的气体分子CO2、N2、O2、CO、N2O和水蒸气等CO2和N2分子准分子工作气体在常态下为原子，当激发时，可暂时形成寿命很短的分子，称为准分子Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeQ*、KrQ*等KrF*、ArF*离子利用电离后气体离子产生激光作用惰性气体离子和金属蒸气离子氩离子（Ar+）、氦—镉（He-Cd）离子激光器•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。•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。He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neongaslaser)•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：0.6328m（红色）、3.39m和1.15m，常用的为0.6328m•四能级系统固体激光器(Solid-statelasers)•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。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+ionsinyttriumaluminumgarnet)、钕玻璃激光器(Neodymium-glasslaser)•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•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红宝石激光器Nd:YAG激光器钕玻璃激光器钛宝石激光器基质刚玉晶体（Al2O3）钇铝石榴石晶体Y3Al5O12光学玻璃（硅酸盐，硼酸盐、磷酸盐）刚玉晶体（Al2O3）工作物质掺杂Cr2O3Nd2O3Nd2O3Ti2O3泵浦系统脉冲氙灯、高压汞蒸气灯脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体闪光灯泵浦、激光泵浦激光波长0.6943m三能级系统1.0640m四能级系统1.0600m四能级系统0.795m调谐0.66~1.1m有连续工作和脉冲工作方式红宝石激光器(RubyLaser)•红宝石是掺有少量Cr3+离子的Al2O3单晶。•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。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激光满足振荡条件半导体激光器(Semiconductorlaserorlaserdiode)•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。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。染料激光器(Dyelasers)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