激光原理与应用讲第五章

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1、激光原理与应用本章主要内容：1.固体激光器2.气体激光器3.染料激光器4.半导体机光器5.其他激光器5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。图5-1固体激光器的基本结构示意图固体激光器的特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达几十太瓦），结构紧凑牢固。5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质2.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)

2、生长成的晶体,它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，如图5-2所示。图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石激光器属于典型的三能级系统，如图5-3所示。红宝石激光器荧光谱线为R1线（694.3nm）和R2（692.9nm）线，由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以红宝石激光器的激光输出为694.3nm。图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)工作物质：将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色；它的激活粒子是钕离

3、子(Nd3＋)，吸收光谱如图(5-4)所示。图(5-4)Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示，属于四能级系统。YAG激光器的两条荧光谱线中心波长分别为1.35μm和1.06μm，后者强度约为前者的4倍，因此激光输出为1.064μm。图(5-5)Nd3＋:YAG的能级结构5.1.4新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器图(5-7)半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比主要优点包括：能量转换效率高、产生的无功热量小、寿命长、结构简单、使用方便等。半

4、导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)所示。调谐波长：700-900nm5.1.4新型固体激光器2.可调谐固体激光器实现激光器调谐基本要素：工作物质能够提供较宽的连续或准连续荧光光谱带，在谐振腔内插入适当的调谐器件。可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。5.1.4新型固体激光器3.高功率固体激光器高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工

5、作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。图(5-8)板条形固体激光器结构示意图小结：固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固。红宝石激光器输出的典型波长：694.3nm。YAG激光器输出的典型波长：1064nm。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的结构图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式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。气体激光器的特点是：输出光束的质量好（包括：单色性、相干性、光束方向和稳定性）。图

6、(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图2.He-Ne激光器的激发机理其激光谱线主要有三条:3S2P632.8nm2S2P1.15m3S3P3.39m5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器图(5-10)是与产生激光有关的He原子核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。其他谱线还包括黄光和橙光。3.He-Ne激光器的输出特性(1)谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中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。5.2.1氦-氖(

7、He-Ne)激光器图(5-x)多层介质膜反射镜(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)是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线：图(5-11)输出功率与放电电流的关系曲线在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流；存在最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件；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；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。1.CO2激光器的结构和激发过程图(5-12)封离式CO2激光器结构示意图5.2.2二氧化碳激光器图(5-

8、12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的