Transcript 激光的产生与激光器
8 激光基础 §8.2 激光的产生与激光器 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 主要内容 1. 激光器的基本结构 2. 激光介质中粒子数布居反转的实现 3. 增益系数及阈值条件 4. 辐射线宽 5. 激光的纵模和横模 6. 几种典型的激光器 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.1 激光器的基本结构 实现激光发射的两个必备条件：受激辐射的产生和放大。 激光器：能够实现受激辐射产生和放大的器件或装置。 激光振荡器：具有一个光学谐振腔，由受激辐射产生的光在腔内多次往返 而形成持续的激光振荡。 激光放大器：自身不具有光学谐振腔，只能使来自其他激光器输出的激光 信号通过增益介质而获得单次或有限次的行波式放大。 说明：通常的激光器，一般指激光振荡器，在某些情况下则是指由激光振 荡器和放大器组成的组合系统。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 激光振荡器的主要组成：增益介质 激励源 光学谐振腔 激励源 增益介质 激光输出 光学谐振腔 图8.2-1 激光器的基本结构 说明：仅有激励源、增益介质和光学谐振腔还不一定能输出激光。只有使 受激辐射的增益大于其损耗，才能使受激辐射在谐振腔内来回反射 时，强度不断增大，最后输出激光。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 (1) 增益介质 增益介质：激光器中产生受激辐射的物质（又称激活介质，可以是气体、 液体、固体或半导体等）。 增益介质的作用：激光器的核心——放大入射光。 增益介质条件：有一对能够产生激光的能级，并且高能级应有足够长的寿 命，使得被激发到该能级上的粒子能滞留较长时间，与低能级 之间形成粒子数布居的反转分布。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.1 激光器的基本结构 (2) 激励源 激励源的作用：供给增益介质能量，以使其中处于基态的粒子获得一定能量 后被抽运到高能态，形成两个能级上的粒子数布居反转。 说明：激励过程常被形象化地称为泵浦或抽运过程。为了不断地得到激光输 出，必须不断地“泵浦”增益介质以维持其粒子数布居的反转分布。 常用激励方式：电泵浦、光泵浦、热泵浦、化学泵浦等。 电激励：用气体放电的方法获得具有一定动能的电子，再由其进一步激发介 质原子。 光激励：用强光照射增益介质（常用光激励源：脉冲氙灯、脉冲激光器、半 导体激光器等）。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.1 激光器的基本结构 (3) 光学谐振腔 光学谐振腔：装上在增益介质两端的一对反射率很高的反射镜，结构相当 于一个法布里-珀罗标准具。其中一个为全反射镜，反射率接 近100%；另一个为部分反射镜，反射率约80%左右。 光学谐振腔的作用： ① 实现光的正反馈 ② 对输出光束的波长进行选择——高度单色性 ③ 使输出光束的定向——高度方向性 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.1 激光器的基本结构 图8.2-2 光学谐振腔对激光束方向的选择 工作原理： 当增益介质产生的受激辐射到达两端的反射镜面时，将被再次反射回 增益介质，从而继续诱发新的受激辐射。被进一步放大的受激辐射在谐振 腔中来回振荡，同时不断地诱发新的受激辐射，使之雪崩似地获得放大， 产生强烈的激光，并从部分反射镜一端输出。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.2 激光介质中粒子数布居反转的实现 二能级系统的不足： 由于B12=B21，最终只能达到两个能级的粒子数相等而使系统趋于稳定， 不能实现两个能级之间的粒子数布居反转。 激光增益介质的两种实际工作模式： E3 E3 无辐射跃迁 无辐射跃迁 E2 E2 抽 运 A21 B12 B21 抽 运 hn A21 B12 B21 hn E1 激励 E1 (a) 三能级图 激励 E0 (b) 四能级图 图8.2-3 激光增益介质的两种工作模式 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.2 粒子数部居反转的实现 三能级系统的特点： 粒子被从基态E1抽运到激发态E3，然后从E3态无辐射跃迁到亚稳态E2。 随着E1上的粒子数不断减少，E2上的粒子数N2不断增多。当N2>N1时，实 现粒子数布居反转。 四能级系统的特点： 粒子被从基态E0 抽运到激发态E3 ，然后通过无辐射跃迁到亚稳态E2 。 当E1为非稳态能级时，粒子经受激辐射从E2能级跃迁到E1能级后，会很快 通过无辐射跃迁回到基态，极易实现E2和E1之间粒子数布居反转。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.3 增益系数及阈值条件 设激光器的增益系数为G，谐振腔腔长为L，两个反射镜的强度反射 率分别为R1、R2 ，光束的初始强度（z=0处）为I0 。 增益介质中z处的光强度的增量： (8.2-1) 增益介质中z处的光强度： (8.2-2) 光束在谐振腔内往返一次后的强度： (8.2-3) 增益要求： (8.2-4) 即 (8.2-5) 产生激光的阈值条件（谐振腔必须达到的最小增益）： (8.2-6) 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.4 辐射线宽 辐射线宽：激光辐射的光谱范围宽度。 说明：由于各种因素的影响，激光器实际输出的激光并不是理想单色的， 而是具有一定的频率宽度。通常给出的激光频率只表示增益介质粒 子自高能级向低能级跃迁时产生辐射的中心频率。 -Dn/2 n0 Dn/2 图8.2-4 激光的线宽 频率增宽类型：自然增宽，碰撞增宽，多普勒增宽。 n 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.4 辐射线宽 (1) 自然增宽 增益介质中的粒子在激发态能级的寿命 t 决定了自发辐射过程持续 的时间，有限的辐射波列长度意味着该辐射不再是理想的单色辐射，而 是具有一定的频率展宽。 自然线宽大小： (8.2-7) 说明：能级E2为亚稳态时，t >10-3s，故Dn为kHz数量级或更小。 (2) 碰撞增宽 增益介质中粒子间距离较小时，粒子间可能发生碰撞。碰撞可加速激 发态粒子向低能级的跃迁，从而缩短能级的寿命，导致谱线进一步加宽。 说明：对于气体介质，压强较大时粒子碰撞的几率增大，因而碰撞增宽的 几率也增大。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.4 辐射线宽 (3) 多普勒增宽 对于气体介质，由于粒子的热运动，其辐射将因多普勒效应而发生频 移。其中当粒子向着探测器运动时，其辐射频率将比静止时增大，反之 则减少。 说明： 增益介质的辐射线宽往往是几种增宽的综合。但对于不同的增益介 质和工作条件，各种增宽的贡献不同。如对于氦-氖激光器的623.8nm谱 线，在室温和约200Pa压强下，碰撞增宽远大于自然线宽，而多普勒增宽 又比碰撞增宽大一个数量级。因此，多普勒增宽起主要作用。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.5 激光的纵模和横模 光波在光学谐振腔内形成稳定振荡的条件：满足相长干涉条件，形成驻波。 谐振腔满足驻波条件的频率成分： ， j=1, 2, 3, ··· (8.2-8) L: 为腔长；n：激活介质的折射率；j：腔内的波腹数。 (1) 纵模 纵模：光场沿谐振腔纵向传播的不同振动模式——不同频率的驻波。 纵模间隔： (8.2-9) (8.2-10) 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.5 激光的纵模和横模 说明：由驻波条件确定的频率只是谐振腔允许的谐振频率，其中只有落在 增益介质辐射线宽内，并同时满足阈值条件的那些谐振频率，才能 形成稳定的激光。 激光器输出的频率个数（纵模数）： (8.2-11) D nL -Dn/2 n0 Dn/2 图8.2-5 激光的纵模 n 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.5 激光的纵模和横模 (2) 横模 横模：谐振腔内光场沿横向的稳定分布。 意义：激光束在腔内往返一个来回后能够再现其自身的一种光场分布状态， 一般用TEMmn表示模式（m，n：光斑沿x和y方向出现的暗区数目） 分类：轴对称模，旋转对称模。 说明：为获得高质量光束，实验中一般希望激光器工作在单模输出状态。 TEM00 TEM10 TEM01 TEM11 图8.2-6 激光的横模 TEM20 TEM03 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 (1) 固体激光器（红宝石、YAG） 增益介质：均匀掺入少量激活离子的晶体或玻璃 典型的固体激光器：红宝石激光器（694.3nm），钕（Nd）玻璃激光器 （1064nm），掺钕钇铝石榴石（YAG:Nd）激光器 （ 1064nm ） ， 钛 宝 石 （ Al2O3:Ti ） 激 光 器 （ 6601180nm） 结构特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率（能量）大 连续工作方式：输出功率可达100W以上 脉冲工作方式：峰值功率可达109W以上 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 红宝石激光器：增益介质——红宝石棒（Al2O3:Cr晶体），典型的三能级 粒子体系，辐射波长为694.3nm，脉冲高压氙灯泵浦。 红宝石激光器的发明者——梅曼 第一台红宝石激光器的结构图 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 (2) 气体激光器 增益介质：气体或金属蒸气 结构特点：结构简单，造价低，操作方便，能长时间较稳定地连续工作， 并且输出光束的方向性好、单色性好 泵浦方式：较多的为气体放电，也可以化学泵浦、热泵浦 典型的气体激光器：氦氖（He-Ne）激光器，氩离子激光器，二氧化碳 （CO2）激光器，氦镉（He-Cd）激光器，铜蒸气激光器，氮 分子激光器，准分子激光器 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 ① 氦氖（He-Ne）激光器 最早研制成功的，也是最常用的一种中性原子气体激光器。最强的 输出波长为632.8nm、1.15nm和3.39nm。 贝尔实验室的A. Javan, W. Bennett和 D. Herriott 在调试世界上 第一台输出1.15微米连续光束的 He-Ne激光器（1960年）。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 a. 内腔式氦-氖激光器 结构特点：毛细管与谐振腔的两个腔镜封装在一起，并且在出厂时已调 节至最佳出光状态，输出功率相对稳定，使用时无须再进 行调节。 缺点：内腔式激光管较短，输出功率较小。 阳极 出光端 毛细管 全反射镜 部分反射镜 阴极 图8.2-7 内腔式氦氖激光管结构 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 b. 外腔式氦-氖激光器 结构特点：毛细管与腔镜分离，因而可在毛细管的两端或一端加上布儒 斯特窗，以获得平面偏振激光输出，并且激光管可以做得较 长，输出功率也较大。 缺点：使用时往往需要调节反射镜的方位并擦拭反射镜和布儒斯特窗， 以获得最佳激光输出。 全反射镜 布儒斯特窗 阳极 布儒斯特窗 毛细管 阴极 半外腔式氦氖激光管结构 部分反射镜 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 c. 半外腔式氦-氖激光器 结构特点：毛细管的一端与反射镜封装，另一端与反射镜分离，并加布 儒斯特窗。 阳极 布儒斯特窗 毛细管 全反射镜 阴极 半外腔式氦氖激光管结构 部分反射镜 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 ② 氩离子激光器：离子气体激光器，激活介质为Ar+离子，主要输出波长 488.1nm和514.5nm。 ③ 二氧化碳（CO2）激光器：分子气体激光器，激活介质为CO2分子，主 要输出波长10.6mm。 ④ 氦镉（He-Cd）激光器：离子气体激光器，激活介质为Cd离子，He离 子为提高激发效率的辅助气体，主要输出波长441.6nm和325nm。 ⑤ 铜蒸气激光器：中性原子蒸气激光器，激活介质为Cu原子，主要输出 波长为510.5nm。 ⑥ 氮分子激光器：分子气体激光器，激活介质为N2分子，主要输出波长 为337.1nm。 ⑦ 准分子激光器：分子气体激光器，激活介质为N2分子，主要输出波长 为193nm、248nm、308nm和351nm。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 (3) 液体激光器 增益介质：若丹明、香豆素、碳化氢等有机染料溶液，或掺钕三氯氧磷等 无机液体。 特 点：输出波长连续可调且覆盖面宽，输出功率较高且稳定，结构简 单、价格便宜。 常用液体激光器：染料激光器，把有机染料溶于溶剂（乙醇、丙酮、水等） 中,利用不同染料可获得不同波长（在可见光范围）的激光输 出。 说 明：染料激光器一般需要用其他激光器输出的激光来泵浦，常用泵 浦源为氩离子激光器。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 (4) 半导体激光器（激光二极管，Laser diode ） 增益介质：砷化镓、铝镓砷、硫化镉、硫化锌、锑化铟等半导体材料。目 前较成熟的是纯质及掺杂砷化镓半导体激光器，发射激光包含 可见光到近红外区的多种波长。 构造原理：通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。 激励方式：光激励、电激励 法布里-珀罗腔 特点：耦合效率高、寿命长（可 达十万至百万小时）、可 直接调制、波长和尺寸与 光纤尺寸适配、体积小、 介电反射镜 重量轻、价格低廉、结构 简单而坚固。 半导体激光器结构 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 (5) 自由电子激光器 增益介质：经电子加速器加速的高能电子束（能量高达几千万电子伏特）。 工作原理：以真空中运动的相对论电子束在“泵浦场”的激励下经受激辐 射放大产生激光。 特点： 可获得非常高的能量转换效率和激光功率（目前的实验室峰值功率达 109W，平均功率可达106W）； 脉冲宽度可调； 波长连续可调且分布范围宽（从毫米波段到软X射线）； 光束质量好（发散角接近衍射极限，亮度比一般激光要高得多）。 应用：除用于军事上的定向能武器外，还可广泛用于激光聚变、生物医 学、材料科学、光化学、激光光谱学等研究领域。 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 8.2.6 几种典型的激光器 输出镜 摆动磁场阵列 电子束 电子加速器 全反射镜 lW 自由电子激光器结构原理 8 激光基础 8.2 激光的产生与激光器 本节重点 1. 激光器的基本结构 2. 激光介质中粒子数布居反转的实现 3. 激光器增益系数及阈值条件 4. 辐射线宽的定义 5. 激光纵模和横模的意义 6. He-Ne激光器的结构特点