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1、典型激光器,1、 常见激光器概述,按激光工作介质：固体激光器 (光纤激光器）气体激光器半导体激光器染料激光器自由电子激光器,激光器的分类,按化学组成：原子激光器分子激光器离子激光器自由电子激光器准分子激光器,已记录到的激光振荡波长有一万种以上。,激光运转方式:连续脉冲单脉冲重复频率准连续,激光调制方式自由运转调Q锁模,1. 固体激光器,分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离子而制成。,目前已实现激光振荡的不同基质掺杂体系的工作物质有200多种，但是，性能好，使用广泛的主要有下面三种。,（1）钕玻璃激光器,在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质, = 1.053 m,由于可获得大体积均匀性良好的钕
2、玻璃，因而可制成大型器件，获得高能量和功率的激光，现已制成输出功率1014W激光器。,（2）红宝石激光器,工作方式：连续、脉冲发 散 角 ： 10-3rad，一般为多模输出； 泵浦功率阈值1020%单模,工作物质：红宝石晶体,输出波长：,输出线宽：,（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）,输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm,工作方式：连续、高重复率脉冲,工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕,因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦源的器件体积更小。,Applications Spectroscopy 光谱学F
3、iber laser research 光纤激光器研究Telecommunications research 远程通信研究Semiconductor studies 半导体研究,（4）连续波可调谐钛蓝宝石激光器 3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser,输出波长从675到1100nm 由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦TEM00输出功率可达3.5W cw,The high-performance, tunable, solid state IR laser,2. 气体激光器,工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固
4、体、半导体、液体激光器优越。,谱线已达数千种 (160nm4mm),工作方式：连续运转（大多数）,多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。 原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。,（1）氦-氖激光器,工作物质：氦氖混合气体,激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件，提高激光器输出功率的作用。,输出波长：常用的为 =632.8nm,根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、红光、黄光、绿光。,（=3.39m ；=1.15m）,（2）CO2 激光器,工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体,激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命。,输出波长
5、： =10.6m,CO2 激光器是输出功率最高的气体激光器，有连续输出50kW；脉冲输出1012W的激光器。,（3）氩离子气体激光器,输出波长： =488nm； =514.5 nm ；,在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦几百瓦。,氩/氪离子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser,氦-镉激光器 以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝光，典型输出功率分别为125mW和1100mW。主要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电路芯片检验及激光诱导荧光实验等。,俄罗斯PLASMA公司的氦镉激光器,铜
6、蒸气激光器 一般通过电子碰撞激励，两条主要的工作谱线是波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光，典型脉冲宽度1050nS，重复频率可达100KHz。当前水平一个脉冲的能量为1mJ左右。这就是说，平均功率可达100W，而峰值功率则高达100KW。,氮分子激光器VSL-337ND-S Nitrogen Laser,脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10nS，重复频率数十Hz数千Hz，主要用作染料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、医学及光化学方面。常见波长：337.1nm、357.7nm,（3）氮分子激光器,3. 半导体激光器,特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有
7、效使用时间超过10万小时。,输出波长范围：紫外、可见、红外输出功率：mW、W、kW。,由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的激光器。,DFB半导体激光器示意图,DBR半导体激光器示意图,垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）,量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs),基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。,光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激光器件 ProLite型光纤耦合单发射激光器,2、 常见激光器工作特性,1、固体激光器,A、固体激光器基本结构及特性,激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔
8、冷却系统,固体激光器的能量转换,固体激光器阈值,受激辐射截面,阈值反转粒子数：,光谱特性,多纵模工作空间烧孔效应高增益多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模高注入，高输出伴随激光线宽增加,激光束的方向性,激光的偏振特性,偏振性主要取决于工作物质各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏振性,B、固体工作物质,基质,氧化物：Al2O3，YAG，YAP磷酸盐，硅酸盐： CaWO4钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐： YVO4 氟化物: YLF玻璃：磷酸盐、硅酸盐,稀土离子钕（Nd3） 实现了100多种基质中获得受激发射以0.9u
9、m，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射铒（Er3）实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基质中的受激发射。1.531.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。常用的Er3:YAG经敏化，最易其振，输出波长为2.9um。钬（Ho3）掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长1.9-2.1um掺Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。,激活离子,铥（Tm3）与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出。二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现
10、2.09um输出高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输出镨Pr3，钆Gd3，铕Eu3，镱Yb3，铈Ce3二极管泵浦的Yb:YAG激光器二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器钐Sm2，镝Dy2，铥Tm2液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。,2. 锕系离子掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。3. 过渡金属铬（Cr3+)红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠绿宝石，Cr3：BeAl2O4）钛蓝宝石（钛宝石，Ti3：AL2O3）Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。,敏化剂,在晶体中除了发光中心的激活离子外，再
11、掺入一种或多种施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量，并将吸收到的能量转移给激活离子。双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。,1、红宝石的基本特性,Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体,吸收光谱,能级结构,Nd:YAG的基本特性,Nd3:Y3Al5O12立方晶系，光学各向同性,吸收光谱,发射光谱, Emission, Pumping,Ti:Sapphire 钛蓝宝石,可调谐（660-1180nm）,Er:YAG,其它固体工作物质,C、固体激光器的光泵浦系统,1、惰性气体灯,结构,管壁电极接头气体,脉冲灯的发射光谱,2、激光二极管,光谱特性,1、端面泵浦,2、侧面泵浦,3、基于内反射
12、的泵浦构型,A、泵浦方式,3、泵浦耦合技术,B、耦合光学系统,聚光腔,3、泵浦耦合技术,聚光腔材料选择,金属：铝轻型系统 铜热膨胀系数小，导热率高 不锈钢不生锈，光洁度高，热导率低玻璃：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀陶瓷：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀,金属材料的反射率,B、耦合光学系统,3、泵浦耦合技术,C、LD泵浦全固态激光器（DPSSL）的的技术发展,平均功率：110W 重复频率：130kHz;脉宽：230ns 不稳定性: 1.03%,D、典型非线性变换全固态激光器,41,E、基于全固态激光器的激光电视,42,2、气体激光器,CO2激光器He-Ne激光器Ar离子激光器准分子激光器,43,
13、CO2激光器, 1 atm 一定压力的CO2, N2, He混合的气体分子激光器波长 9-11um，最常见10.6um效率高，功率范围大（几瓦几万瓦）光束质量好运行方式多样，结构多样,CO2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能级抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。,44,CO2激光器结构图,1、激光管，包括：放电管、水冷套管和储气管；2、光学谐振腔，常用平凹腔，反射镜镀金膜，反射率达98.8且化学性质稳定。反射镜需要应用透红外光的材料.3、电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或
14、镍片做成圆筒状。3040mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染。,45,受激辐射,下能级排空(碰撞排空),工作过程,放电，气体电离产生电子,46,激光器类型,封离型纵向激励CO2激光器高功率轴快流CO2激光器高功率横流CO2激光器横向激励高气压CO2激光器（TEA）波导CO2激光器,运行方式,47,48,He-Ne激光器,气体原子激光器输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以632.8nm为最常见。功率在mW级，最大1W光束质量好，发散角可小于1mrad单色性好，带宽可小于20Hz稳定性高,工作物质：He Ne混合气体，体积比8：2，少量N2,49,工作过程,
15、形成粒子数反转(能级寿命上10-7s :下10-8s),2、He与电子碰撞,1、放电：He电离产生电子,3、能量共振转移,50,4、受激辐射,5、紫外辐射,6、下能级排空,通过Ne与管壁的碰撞，管壁发热放电管很细（2-3mm），加大碰撞几率，利于碰撞发生。,51,Ar离子激光器,气体离子激光器连续工作的氩离子激光器可以有9条蓝绿光谱线。 主要波长488nm，514.5nm常见功率几十瓦，最高500W直流放电泵浦，能量转换效率低,激光跃迁上能级粒子数集聚主要有三种途径：a，基态氩离子与电子碰撞直接激发到4p态；b，先激发到高于4p的其他能级，然后通过级联辐射跃迁至4p；c，基态氩离子激发至低于4
16、p的亚稳态后再被激发到4p。,Ar Ion Lasers,52,如果使用蓝绿波段高反射的反射镜，则所有这些谱线都会同时出现。通过使用棱镜，可以选择其中某个波长。如果放电电流足够大，则可能在双电离氩离子上产生激光，光谱范围位于紫外300-386nm。氪离子激光器与氩离子激光器构造基本相同，激光介质为氪气，其产生的谱线除了蓝绿光以外在红外和紫外波段都有。,53,54,准分子激光器,准分子是一种在激发态结合为分子，在基态离解为原子的不稳定缔合物。（Excimer）跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态之间。高重复率,可调谐量子效率高波长短，紫外到可见区常见准分子激光器如：KrF：249nm；XeCl ：
17、308nm；ArF ：193nm。,55,56,3、液体激光器,以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器优点：波长可调谐，调谐范围宽光谱分辨率高结构简单价格便宜稳定性差,若丹明6G（Rhodamine 6G）溶于甲醇或者乙二醇。,57,将充有染料溶液盒放置于激光腔内，提供泵浦，产生激光。用光栅代替反射镜。激发辐射带宽降低到0.5 ，可以让激光在整个荧光带范围内调节。泵浦可以用闪光灯来实现，得到的激光脉宽1ms，峰值功率几kW，重复频率1Hz。也可以用固定波长激光器泵浦。,工作原理,58,Dye laser output curves of some common laser dyes
18、,59,自由电子穿过磁场产生自发辐射，自由电子跟光场的能量转移,自由电子的群聚,光波长尺度小团，产生相干辐射,4、自由电子激光器,60,杰斐逊实验室自由电子激光器,第一个自由电子激光器（IR-Demo）于1999 年8月调试完毕,61,北京自由电子激光装置(BFEL)是一台基于30MeV电子直线射频加速器驱动、用热阴极微波电子枪 和a铁作为注入器、用平面型永磁扭摆铁和光学谐振腔作为光电互作用装置的低增益中远 红外(7-19mm)自由电子激光器。,62,5、半导体激光器,有源层：结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体；限制层：两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体。3层半导体置于基片(衬
19、底)上，谐振腔：前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP) 。,63,DH激光器工作原理,施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。由于限制层的带隙比有源层宽，注入到有源层的电子和空穴被限制在有源层内。,双异质结构； (b) 能带；(c) 折射率分布； (d) 光功率分布,有源层内电子和空穴形成粒子数反转分布，只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区波导内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 ,64,半导体激光器的主要特性,发射波长,GaAlAs
20、/GaAs材料适用于0.85 m波段，InGaAsP/InP材料适用于1.31.55 m波段。,直流驱动时四种不同电流下的输出光谱,GaAlAs DH激光器的光谱特性,65,GaAlAs DH条形激光器的光场,(b) 光强的角分布,(a) 辐射光束,66,分布反馈激光器(Distributed Feed Back, DFB),优点：, 单纵模, 谱线窄， 波长稳定性好, 动态谱线好, 线性好,67,通常把光源做成组件，同时利用热敏电阻和冷却元件进行温度监测和自动温度控制(ATC)。,实际应用中的光源模块,68,6、光纤激光器,光纤激光器的特点： 效率高，阈值低，窄线宽、可调谐、紧凑小巧和高性能
21、的价格比。,光纤激光器的类型（1）稀土类掺杂光纤激光器（2）光纤非线性效应激光器（3）单晶光纤激光器（4）塑科光纤激光器（5）光纤孤子激光器 掺镱双包层光纤激光器:吸收峰：975nm，915nm。发射谱段：975l200nm,69,增益介质-工作物质： 增益介质： 掺杂稀土离子光纤 稀土元素： 钕Nd、铒Er、镱Yb 、铥Tm、钬Ho、钐Sm、钍Tu,70,掺稀土光纤的光谱特性,掺钕光纤：使用800nm、900nm、 530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm 、 1350nm波长处得到激光。,掺铒光纤：使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在90
22、0nm、1060nm、 1536nm波长处得到激光。掺铒光纤存在最佳光纤长度。,71,谐振腔结构,1. Fabry-Perot腔,72,2. 环形腔,光纤光栅滤波器型环形腔掺铒光纤激光器结构图,并列光栅型环形腔掺铒光纤激光器结构图,73,双包层光纤激光器,双包层光纤结构示意图,纤芯：由掺稀土元素的SiO2构成，它作为激光振荡的通道，对相应波长为单模； 内包层：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯SiO2构成，它是泵光通道，对泵光波长是多模的； 外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成； 保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。,74,双包层光纤结构：提高泵浦光的吸收效率,75,双包层光纤激光器结构,76,Feasibility test of high power scaling,77,结 束,
