激光器种类
激光器种类
激光器分类
•按工作物质分类Gain Medium :
–气体激光器Gas Laser
有He-Ne(632.8nm,1.15μm, 3.39μm) CO2(10.6μm)
Ar+(488nm,514.5nm) N2(337.1nm,357.7nm,315.9nm)
–染料激光器Dye Laser
优点:可调谐
–固体激光器Solid State (Doped Insulator) Laser
Nd3+:YAG掺钕钇铝石榴石1.064μm
Ti:sapphire(Ti:Al2O3)钛蓝宝石66...
激光器种类
激光器分类
•按工作物质分类Gain Medium :
–气体激光器Gas Laser
有He-Ne(632.8nm,1.15μm, 3.39μm) CO2(10.6μm)
Ar+(488nm,514.5nm) N2(337.1nm,357.7nm,315.9nm)
–染料激光器Dye Laser
优点:可调谐
–固体激光器Solid State (Doped Insulator) Laser
Nd3+:YAG掺钕钇铝石榴石1.064μm
Ti:sapphire(Ti:Al2O3)钛蓝宝石660-1180nm
–半导体激光器Semiconductor Laser
工作原理有一定差别,光通信中应用广泛
0.8μm-1.3μm-1.5μm
气体激光器与固体激光器的比较
固体:密度大,粒子多,功率大;结构紧凑;工作稳定
气体:较均匀,激光质量较好
激光器分类
•按谐振腔分类
–无谐振腔
G足够大,激光放大器,行波
L足够大,光纤放大器
–有谐振腔
激光振荡器,驻波
稳定腔:FP腔,对称共焦腔
非稳腔: R1=R2=L
激光器分类
•按泵浦方式Excitation Method, Pump:
–光泵
用于固体、液体激光器
–放电泵浦
用于气体激光器
放电-电离-电子与工作物质碰撞
电子动能-粒子位能
–电注入
用于半导体LASER
激光器分类
•按运行方式Operation Type :
–连续波Continuous Wave Laser
–脉冲Pulse Laser
调Q;锁模
峰值功率TW=1012W
脉冲宽度fs=10-15s
激光器的结构
•工作物质、谐振腔、泵浦源
激光器举例
•红宝石激光器Ruby Laser
•氦氖激光器He-Ne Laser
固体激光器
•光激活物质(<1%)掺入固体材料中
•固体物质必须是透明的
•常见的固体基质材料:
1) 玻璃
2) 蓝宝石(单晶 Al2O3)Sapphire
3) 钇铝石榴石YAG(Y3Al5O12)
红宝石激光器
•工作物质:Cr3+(发光) Al2O3(基质)
•谐振腔:稳定腔
•光泵
+电源-
Cr3+ Al2O3
Xe灯
R1 R2
触发
F1棒
F2灯
Ruby Laser
•工作过程
•电源接通(未放电)
-触发(高压脉冲)
-Xe灯发光-通过聚
光腔聚到工作物质上
-Cr吸收部分光能量
跃迁4F-通过无辐射
跃迁(晶格振动)到
2E(形成粒子数反转)
-受激辐射回到基态
(694.3nm)
+电源-
Cr3+ Al2O3
Xe灯
R1 R2
触发
10-9s
10-3s
Ruby Laser
•注意:
光泵的工作过程
如何形成粒子数反转
•三能级系统(二能级)
•红宝石激光器:效率较低<1%-转换环节
太多
三能级系统
•三能级系统:激光下能级是基态
321 nnnn
21 nnn
12 nnn 令
nnnn
2
1
2
1
2
E3寿命很短,n3~0
至少要泵浦一半的粒子
到E3--阈值高,效率低
气体激光器
•气体激光器不宜采用光源泵浦,气体工
作物质吸收谱线宽度小
•放电泵浦
He-Ne Laser
•工作物质:He Ne混合气体,体积比8:2,少
量N2
•He通过电离产生电子
•Ne原子-发光粒子
+电源-
R1 R2
He-Ne Laser
•工作过程
He Ne
s
He-Ne Laser
工作过程
1、放电-He电离产生电子
2、He与电子碰撞
3、能量共振转移
形成粒子数反转(能级寿命上10-7s :下10-8s)
He Ne
eSHeeSHe 11 21
21011 312 SNeSHeSNeSHe
21013 212 SNeSHeSNeSHe
He-Ne Laser
工作过程
4、受激辐射
5、紫外辐射
6、下能级排空
He Ne
mPS 39.333 42
nmPS 8.63223 42
mPS 15.122 42
sNePPNe 12,3 44
011 SNeSNe
He-Ne Laser
工作过程
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
011 SNeSNe +电源-
R1 R2
He-Ne Laser
•注意:
激光上能级如何激励
激光下能级如何排空
四能级系统
•四能级系统:激光下能级不是基态
3210 nnnnn
212 nnnn 令
E3寿命很短,n3~0
n2>0即可--阈值低,效
率高
E1及时排空,n1~0
He-Ne Laser
•谱线竞争:几条谱
线共有相同的上能
级(或下能级)
时,竞争粒子数的
现象
•632.8nm-3.39μm
He-Ne Laser
•控制方法:
•①全反射镀膜,对
632.8nm反射率~
100%,对3.39 μm
和1 .15 μm反射率很
低,损耗>增益
•②棱镜/光栅分光
Nd:YAG掺钕钇铝石榴石
•四能级系统,易于Pump
•单晶YAG是基质 Y3Al5O12
•发光物质 Nd,doped <1% by weight
•可连续运行,YAG热导性高,易于散热
•也可脉冲方式运行
•Pump:闪光灯,LD
Nd:YAG掺钕钇铝石榴石
Ti:Sapphire钛蓝宝石
•可调谐(660-1180nm)
Ti:Sapphire
•Pumping
Ti:Sapphire
•Emission
CO2 Laser
•> 1 atm 一定压力的 CO2, N2, He
• 电子-pump -N2
• N2 -pump -CO2
• CO2是活性工作物质
•高功率 (kW)
CO2 Laser
•振动能级
CO2 Laser
9.6
10.6μm001
020 100
010
000
CO2 Laser
工作过程
•①放电,气体电离产生电子
•②激励
或
或
10000100000 2222 nCOCOnCOCO
eCOeCO 001000 22
00011000 2222 NCONCO
eNeN 10 22
共振转移
001
CO2 Laser
工作过程
•③受激辐射
•④下能级排空(碰撞排空)
12
22
0102
000100
ECO
COCO
22
22
0102
000020
ECO
COCO
32
22
0002
000010
ECO
COCO
mCOCO 6.10100001 22 mCOCO 6.9020001 22
9.6
10.6μm001
020 100
010
000
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