气体激光器

第三讲气体激光器李卓王欣光纤激光器掺钛蓝宝石激光器LD泵浦固体激光器固体激光器的泵浦光源固体激光的输出特性1、尖峰结构2、输出功率、能量和效率3、激光光谱4、激光束的方向性2020/4/2022020/4/203气体激光器气体激光器是以气体作为工作物质的激光器，利用气体原子、离子或分子的能级跃迁产生激光。通常包括原子、离子和分子气体激光器三类。2020/4/204原子气体激光器：产生激光作用的是没有电离的气体原子，其典型代表是氦氖激光器。分子激光器：产生激光作用的是没有电离的气体分子，分子激光器的典型代表是CO2激光器、氮分子(N2)激光器和准分子激光器。离子激光器：离子激光器的典型代表是氩离子(Ar+)和氦镉(He—Cd)离子激光器。2020/4/205气体激光器的特点：在单色性和光束稳定性方面都比固体激光器、半导体激光器和液体(染料)激光器优越，由于气态物质的光学均匀性一般都比较好。气体激光器产生的激光谱线极为丰富，达数千种，分布在从真空紫外到远红外波段范围内。多数气体激光器都有瞬时功率不高的特点。在气体激光器中采用气体放电或电子束激励的方法以实现泵浦2020/4/206激光器的工作气体中，除能产生激光发射的气体之外，一般还含有一些辅助气体，如各种惰性气体及氮、氧等。它们在激光器中有的作为缓冲气体，有的作为能量转移气体。分子气体激光器和准分子激光器可以作为可调谐激光器。2020/4/2071.氦—氖激光器氦—氖(He—Ne)激光器属于原子激光器类，它是于1961年首先实现激光输出的气体激光器，能产生许多可见光与红外光的激光谱线，多采用连续工作方式（输出几毫瓦到几十毫瓦）。2020/4/208特点：输出激光的方向性好(发散角1mrad以下)；单色性好(线宽可小于20Hz)；输出功率和波长可控制的很稳定；结构简单、寿命长、体积小、重量轻、成本低、使用方便；红光、黄光、绿光、偏振输出等。2020/4/209应用：精密计量、检测、准直、导向、全息照相、信息处理、以及医疗、光学实验日本OPTEC测距头日本手持测距仪奥地利激光测距仪2020/4/20102020/4/20112020/4/2012He—Ne激光器的结构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。M1M2阳极储气套放电毛细管阴极图1内腔式He—Ne激光器的结构2020/4/2013放电管通常由毛细管和贮气室构成，是产生激光的地方。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发产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，并不发生气体放电，其作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He、Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。2020/4/2014电极He-Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。2020/4/2015谐振腔He-Ne激光器由于增益低，谐振腔一般采用平凹腔，平面镜为输出镜，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。He-Ne激光管的结构按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。按阴极及贮气室位置的不同又可分为同轴式、旁轴式和单细管式。2020/4/2016图2He—Ne激光器的基本结构形式2020/4/2017He—Ne激光器工作原理He-Ne激光器是利用原子中的电子—电子能级之间的跃迁。它可以在0.6328m,3.39m和1.15m三个中的任何一个波长上实现激光振荡。He-Ne激光器是典型的四能级系统，能级结构如图3所示。2020/4/2018图3He—Ne原子的部分能级图2020/4/20190.6328m振荡是由跃迁形成的。上能级寿命为10-7秒。下能级寿命为1.8×10-8秒，比寿命短得多，因而满足反转分布条件。1.15m振荡是由跃迁形成的。对激光上能级的泵浦是通过与氖的23S1的近共振能量转移来实现的。的寿命为10-7秒。它的下能级与0.6328m跃迁过程所使用的相同，所以，也有赖于管壁效应抽空1S能级，从而抽空能级上的氖原子。4223PS23S42P23S4222PS22S22S42P2020/4/20203．39m振荡是由跃迁形成的。其上能级与0.6328m振荡时的相同；下能级的寿命为10-8秒，下能级与基态间的跃迁是禁戒的，通过自发幅射衰变到1S能级上，因而也是靠管壁效应抽空激光下能级。4233PS43P2020/4/20210.6328m和3.39m两种振荡具有同一个上能级,因此它们之间存在着较强的谱线竞争。的寿命比的短，允许建立起相应于3.39m振荡的大的反转分布；同时由于增益G正于，使得3.39m振荡的增益大于0.6328m振荡的增益，所以3.39m首先达到阈值，正常的振荡发生在3.39m而不是0.6328m。一旦3.39m振荡发生，上的反转数被消耗，0.6328m的增益受到抑制，阻碍了上原子数的进一步增加，因此限制了0.6328m振荡的发生。43P42P),(02g23S23S谱线竞争2020/4/20220.6328m与1.15m振荡共同使用一个下能级，因而也将发生谱线竞争。这两条谱线间的竞争较0.6328m和3.39m两条谱线间的竞争弱一些。2020/4/20232.Ar+离子激光器如果激光跃迁发生在气体原子或分子的离子能级之间，这种激光器就称为离子激光器。一般分为气体离子激光器（它包括惰性气体离子激光器和分子气体离子激光器）和金属蒸气离子激光器。离子气体激光器输出的波长范围很宽，从紫外2358Å一直到近红外1.355m，已观察到400多条谱线，大多数落在可见光范围。离子激光器是目前可见光区最强的相干光源。2020/4/20242020/4/2025氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器。它输出的激光波长主要是0.4880m和0.5145m的蓝绿光。连续输出功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见区连续输出功率最高的激光器。氩离子激光器的阈值电流密度较高，在100A/cm2以上。氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在10-4～10-5范围。效率低的原因是在气体放电过程中电离度不高，形成激发态的离子密度小，而且它的工作能级离基态较高，量子效率比较低。2020/4/2026氩离子激光器的激发机理能级结构：氩(Ar)的原子序数为18，电子组态为1s22s22p63s23p6，最外层3p6失去一个电子形成基态氩离子Ar+(3p5)，3p5上的一个电子被激发到更高的电子层上，形成不同的电子组态，如3p43d、3p44s、3p44p、3p44d、3p45s等。荧光谱线可达几百条，图4是与产生激光有关的能级与跃迁图。2020/4/2027图4氩离子能级和跃迁图5氩离子主要激光谱线2020/4/20283p44s3p5辐射0.07m左右的真空紫外光。3p44p3p44s辐射可见光。电子组态3p44p和3p44s都由很多能级组成。3p44p中与主要激光谱线有关的能级有2S1/2、2P1/2、2P3/2、2D3/2、2D5/2、4D3/2、4D5/2。3p44s中与主要激光谱线有关的能级有：2P1/2、2P3/2。它们之间跃迁产生九条谱线。2020/4/20290.4880m和0.5145m两条最强。实验测定，3p44p的平均寿命(＝8×10-9s)比3p44s的寿命(10-9s)长约一个数量级，即使上、下能级的激发速率相同，也能建立粒子数反转。2020/4/2030第一种形式是电子与Ar原子碰撞，使Ar原子电离成Ar+，Ar+再与电子碰撞而被激发到高能态。此激发形式称为“二步过程”，可表示如下：epArepAr2)3()3(56enppArendpArenspArepAr)3()3()3()3(44454.35.4nn在激发过程中，单位体积单位时间内产生的激发态的离子数N与电流密度的平方成正比。Ar+的粒子数反转主要靠电子碰撞激发，其激发过程包括三种形式：激发过程2020/4/2031第二种形式是电子与氩原子碰撞后直接把氩原子电离并激发到激发态，称这种激发过程为“一步过程”，其反应式为：eppArepAr2)43()3(46上面二种激发形式在氩离子激光器中都存在，至于哪种占优势则取决于工作条件与工作方式。连续工作的器件中，“二步过程”占主导地位。2020/4/2032第三种形式是通过电子碰撞先把Ar+激发到3p45s和3p44d等高能态上，然后通过辐射跃迁到激光上能级3p44p上。称这种激发过程为串激跃迁。这一过程是激发3p44p能级组的主要过程之一。这三种激发过程，要求电子的能量都是比较高的，因此要求低气压，大电流激励。由于放电电流密度大，所以氩离子激光器的结构比其他气体激光器要复杂的多。2020/4/2033氩离子激光器的结构氩离子激光器的结构包括放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等部分，如图6所示。图6氩离子激光器的基本结构2020/4/2034放电管由于工作电流大，放电毛细管的管壁温度可达1000℃以上，所以要求放电管的材料要耐高温、散热性好。此外，还要求放电管材料的气密性好、吸气率低，机械强度高。常用的材料有石英、氧化铍陶瓷、石墨等。阴极和阳极Ar＋激光器的阴极要求有较高的电子发射率，能耐离子轰击，耐高温。一般采用热阴极，最常用的是钡钨阴极。阳极一般也采用耐高温、导热、导电性能好的材料。2020/4/2035回气管Ar＋激光器还必须有回气管，因为在大电流密度和低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，即放电管内的气体会被从一端抽运到另一端，造成两端气压不均匀，严重时还会造成激光猝灭现象。在放电管外设置一回气管路，使管内气体形成闭合回路，依靠气体的扩散作用，可以减小管内气压差。为了使放电不沿回气管进行，要求回气管的长径比要大于放电管的长径比。2020/4/2036贮气瓶为了防止放电管内气压的变化而影响使用寿命，放电管上常备有贮气和充气装置。磁场为了提高氩离子激光器的输出功率及寿命，一般要加上几十到100毫特斯拉左右的轴向磁场。磁场通常由套在放电管外面的螺线管产生。谐振腔Ar+激光器的谐振腔反射镜与He-Ne激光器一样，也是由玻璃多层介质膜构成。全反端的反射率在99.8％以上，一般小型器件输出镜的透过率为3％～4％，大型器件为10％～15％。2020/4/2037图7分段石墨结构氩离子激光器1.石墨阳极2.石墨片3.石英环4.水冷套5.放电管6.阴极7.保热屏8.加热灯丝9.布氏窗10.磁场11.储气瓶12.电磁真空充气阀13.镇气瓶14.波纹管15.气压检测器2020/4/20382020/4/20393.CO2激光器分子气体激光器利用分子的振动一转动能级之间的跃迁。第一类分子激光器是振动一转动激光器。它利用同一电子态(基态)的不同振动态的转动能级之间的跃迁，振荡波长在中红外或远红外波段(5-300m)。第二类分子激光器是电子—振动激光器。CO2激光器是振动—转动分子激光器的代表。它的工作气体是CO2,N2和He的混合物。原子里的电子保留在基态，激光跃迁发生在CO2的不同振动态的两个转动能级之间。CO2激光器效率高,输出能量大,功率高。2020/4/20402020/4/20412020/4/2042能级结构:CO2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。N2分子是同核双原子分子，分子振动与两个原子的相对运动有关。这种振动发生在频率处，能级由间距等于的一组能级组成。CO2分子是线性三原子分子，分子振动的情况比N2要复杂一些。103.2331cm0hCO2激光器工作原理2020/4/2043CO2分