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1、5.4 半导体激光器,5.3 染料激光器,5.5 其他激光器,第五章 典型激光器介绍,5.2 气体激光器,5.1 固体激光器,1,5.2 气体激光器,激光谱线丰富，波长覆盖了从真空紫外到远红外范围。气态工作物质的光学均匀性比固体好，易于获得高斯光束，方向性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光单色性好。气体的激活粒子密度远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，体积一般比较庞大。,气体激光器的特点：,5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器,1960年末最早研制成功的气体激光器。属于惰性气体原子激光器。工作物质是氦氖混合气体，发射激光的是Ne原子，He为辅助气体，作用为改善气
2、体放电特性，提高激光器输出功率。主要波段在可见光到近红外区。多采用连续工作方式（输出几毫瓦到几十毫瓦）。输出光束质量很高。,5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器,1.He-Ne激光器的结构和激发机理,HeNe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。,图1 内腔式HeNe激光器的结构,放电管：通常由毛细管和储气室构成，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。储气室与毛细管相连，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
3、、Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。,He-Ne激光器的结构,图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式,根据放电管和谐振腔反射镜放置方式的不同，He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。,He-Ne激光器的结构,图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图,He-Ne管内气体放电时，He原子与高速电子碰撞，被激发到21S0、23S1上，通过共振能量转移将处于基态上的Ne原子激发到2S和3S上。He气起提高Ne原子泵浦速率的作用He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条:3S2P 0.6328m2S2P 1.15m3S3P 3.
4、39m,He-Ne激光器的激发机理,图(5-10)是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。,2.He-Ne激光器的输出特性,（1）谱线竞争:多条谱线对应同一个激光上能级，存在对共有能级上粒子数的竞争，一条谱线产生振荡后，用于其他谱线的反转粒子数减少，将使其他谱线的增益和输出功率降低，甚至完全抑制。这就是谱线竞争效应。哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。0.6328m和3.39m两条谱线具有相同的上能级，存在强烈竞争。由于增益系数与波长的三次方成正比，3.39m谱线的增益远大于0.6328m谱线的增益系数，因此虽
5、然反射镜对0.6328m波长的光有较高的反射率，仍需采用色散法、吸收法或外加磁场法等方法抑制3.39m 辐射的产生。,5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器,(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。,图(5-11)不同充气压强下输出功率与放电电流的 关系曲线,每种充气总压强都有一个使输出功率最大的放电电流。它与气体混合比及总压强有关。He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。Ne原子比例过小，输出功率减小。He的电离电位较低，其比例过大会因电离过多而使电子离子数目增加，在较低的电场就能维持一定的放电电流，低电场导致的电子温度（平均动能）下降
6、使激发速率降低，输出功率随之下降。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。最佳放电电流附近，输出功率的变化不大。实际使用时，对最佳放电电流要求不严，有利于工作状态的调整。,He-Ne激光器的输出特性,(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。,图(5-11)不同充气压强下输出功率与放电电流的 关系曲线,若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。He-Ne激光器的最佳pd值大约为4.8 5.3102Pamm。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。原因：通过受激辐射跃迁到激光下能级的Ne原子借助自发辐射
7、转移到亚稳态1S能级，然后通过与管壁碰撞释放能量的途径返回基态。如果管径d增大，原子与管壁碰撞机会减小，滞留在1S能级的Ne原子可能吸收自发辐射光子重新返回激光下能级，从而导致反转粒子数的减少。,He-Ne激光器的输出特性,工作物质：CO2、He、N2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：=10.6 m 9.6 m 对人眼危害小,CO2 激光器是输出功率最高的气体激光器，连续输出功率可达104W，脉冲输出能量可达104焦耳量级。,5.2.2 二氧化碳激光器,1.CO2激光器的结构和激发过程,图(5-12)封离式CO2激
8、光器结构示意图,5.2.2 二氧化碳激光器,图(5-12)是一种典型的结构示意图。普通的封离式二氧化碳激光器包括腔片、放电管、电极、电源等几部分。构成激光器谐振腔的两个反射镜直接贴在放电管的两端。全反射镜为凹面镜，输出反射镜为平面镜，采用能透过激光波长的材料制成。放电管多采用硬制玻璃制成，水冷套管放在储气管内部，使得支撑谐振腔外管的内径很大，既有很好的机械稳定性又可储存大量气体。,CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。,图(5-13)与产生激光有关的CO2分子能级图,CO2激光器的激发过程,激光跃迁00011000(10.6m)00010200(9.6m)输出激光
9、主要发生在00011000过程。泵浦主要通过下面两个过程：气体放电时，一部分高速电子直接碰撞CO2 分子，使其由基态跃迁到激发态0001上。一部分高速电子与N2分子碰撞，使其由基态（V=0）激发到高能态（V=1）上，通过共振能量转移过程将基态CO2 分子激发到激发态0001上。N2气起提高CO2 分子泵浦速率的作用,CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。,图(5-13)与产生激光有关的CO2分子能级图,CO2激光器的激发过程,He气的作用加速CO2 分子在0001能级的热弛豫速率，有利于激光下能级的粒子数抽空。利用He气导热系数大的特点，实现有效的传热。,2.CO
10、2激光器的输出特性,5.2.2 二氧化碳激光器,相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。,(1)放电特性,CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有 60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起 激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并 且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度 的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。这些因素 都会使激光输出功率下降，甚至产生”温度焠灭”。因此，
11、冷却问题是CO2激光 器正常运转的重要技术问题。,(2)温度效应,5.2.3 Ar+离子激光器,如果激光跃迁发生在气体离子的不同能级之间，这种激光器就称为离子激光器。离子气体激光器输出的波长范围很宽，从紫外2358一直到近红外1.355m，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。,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0.4880m和0.5145m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/氪离子激光器 Stabilite 2017 Argon/Krypton Io
12、n Laser,5.2.3 Ar+离子激光器,5.2.3 Ar+离子激光器,1.Ar激光器的结构,Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。关键部件是放电管，须采用耐高温、导热性能好的材料制成，如石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管等。如图(9-14)所示为石墨放电管（良导体）的分段结构。,图(9-14)分段石墨结构Ar+激光器示意图,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,5.2.3 Ar+离子激光器,1.Ar激光
13、器的结构,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。,Ar+离子激光器的结构,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
14、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。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。,Ar+离子激光器的结构,2.Ar激光器的激发机理,Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图(9-15)所示,图(9-15)与产生激光有关的Ar+的能级结构,5.2.3 Ar+离子激光器,激光上能级3P44P，下能级3P44S 激发过程：气体放电后，高速电子与中性氩原子碰撞，使之电离，形成处于基态3P5上的氩离子；基态Ar+离子再与高速电子碰撞，被激
15、发到高能态，形成反转粒子数，产生激光。激光能级有不同的电子态，激光输出谱线丰富，最强谱线为0.4880m、0.5145m。,3.Ar激光器的工作持性,Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流。其中，最强谱线0.4880m、0.5145m的阈值电流最低。因此，一般情况下这两条谱线优先起振。,(1)多谱线工作,(2)输出功率与放电电流的关系,由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图(9-16)示出了其间的关系曲线。,图(9-16)Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线,5.2.3 Ar+离子激光器,当放电电流较小时，输出功率与放电电流约成四次方关系。随着放电电流的增大，输出功率变为与放电电流成平方关系。这是因为随着电流密度的增大，使气体的温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长的速率变慢。,作业：P126:6,8,
