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1、激光原理与技术第三章典型激光器第一节概述第二节气体激光器第三节固体激光器第四节染料激光器主要内容：第一节概述一、激光器的基本结构激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构成。激光器的基本结构工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用源泉之所在。泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作物质类型不同,采用的泵浦方式不同。光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈,同时,谐振腔的参数影响输出激光束的质量。第一节概述二、分类及输出特性激光器种类繁多,习惯上主要按照以
2、下两种方式划分:一种是工作物质,另一种是按照激光器工作方式。1按照激光工作物质1）气体激光器气体和金属蒸气作为工作物质。根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子,激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和镉、铜、锰、锌、铅等金属原子蒸气。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。第一节概述分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发生在
3、气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2激光器。准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁产生于其束缚态和自由态之间。采用的准分子气体主要有XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*等。其典型代表为XeF*准分子激光器。离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子,激光跃迁发生在气体离子的不同激发态之间。采用的离子气体主要有惰性气
4、体离子、分子气体离子和金属蒸气离子三类。其典型代表为Ar+激光器。第一节概述激励方式气体激光器一般采用气体放电激励,还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等方式。波长范围：气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外—远红外波段特点：激光谱线上万条,具有输出光束质量高(方向性及单色性好)、连续输出功率大(如CO2激光器)等输出特性,其器件结构简单,造价低廉。第一节概述应用气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领域,如计量、材料加工、激光医疗、激光通信、能源等方面。1961年,第一台气体
5、激光器—He-Ne激光器问世。2)．固体激光器固体激光器以固体激光介质作为工作物质。固体工作物质通常是在基质材料,如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子(称为激活离子),激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间。用作激活离子的元素可分为四类:三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过渡金属离子和锕系金属离子。固体激光器的典型代表是红宝石(Cr3+:Al2O3)激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)激光器、钕玻璃激光器和掺钛蓝宝石(Ti3+:Al2O3)激光器。第一节概述固体激光器多采用光泵浦,泵浦光源
6、主要有闪光灯和半导体激光二极管两类。固体激光器的波长覆盖范围主要位于可见光—近红外波段,激光谱线数千条,具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲激光器,单脉冲输出能量可达数万焦)、运转方式多样等特点。器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输。固体激光器主要应用于工业、国防、科研、医学等领域,如激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。第一节概述3)．液体激光器液体激光器的工作物质分为二类:一类为有机化合物液体(染料),另一类为无机化合物液体。其中,染料激光器是液体激光器的典型代
7、表。常用的有机染料有四类:吐吨类染料、香豆素类激光染料、恶嗪激光染料和花青类染料。染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和闪光灯泵浦染料激光器的波长覆盖范围为紫外到近红外波段(300nm～1.3μm),通过混频等技术还可将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段。激光波长连续可调谐是染料激光器最重要的输出特性。器件特点是结构简单、价格低廉。染料溶液的稳定性比较差是这类器件的不足。染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。1966年,世界上第一台染料激光
8、器———由红宝石激光器泵浦的氯铝钛花青染料激光器问世。第一节概述4)．半导体激光器半导体激光器也称为半导体激光二极管,或简称激光二极管(LaserDiode,缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性,使半导体激光器的工作特性有其特殊性。半导体激光器以半导体材料为工作物质。常用的半导体材料主要有三类:(1)ⅢA—ⅤA族化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。(2)ⅡB—ⅥA族化合物半导体,如硫化镉(CdS)等。(3)ⅣA—ⅥA族化合物半导体
