第二章-激光原理与设备2.ppt

工业激光器 固体激光器 红宝石 铷玻璃 Nd3+:YAG 气体激光器 CO2 CO 激光器的组成 激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大，具备亚稳态的多能级系统 激励源：提供能量，使粒子数反转，最后转化成激光能量 谐振腔： 选模， 限制波形和提供反馈、增益，提供稳定振荡 电源：为激励源提供能量 冷却系统：冷却工作物质、谐振腔等 控制系统：保证系统稳定可靠的工作 激光器组成 §2.5.1 固体激光器 一、固体激光器的工作物质 1、红宝石：Al2O3晶体中掺入少量Cr3+ Cr3+是激活粒子， Al2O3晶体是基体 三能级系统： 基态E1：4A2 激发态E3：4F1 、 4F2 亚稳态E2: E、2A 由于谱线竞争，激光多产生于R1线(694.3nm) 两个吸收能带 410nm(蓝光带) 550nm(绿光带) 红宝石的特点 在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充分利用光能 化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导热性好 阈值高 单位体积内产生粒子数反转所需的最小输入能量高，三能级系统，半数以上的抽运才能实现粒子数反转，需要较大的泵浦光能 温度影响大 50度以上功率减小，300度温度猝灭 红宝石棒成本高 发散角大3～10mrad、总效率低0.2~0.5% 2.掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG) YAG: Y3Al5O12（Y2O3 和Al2O3按3：5克分子比） Nd3+ 代替Y3+: Y2.97Nd0.03Al5O12 Nd3+：四能级系统 两条吸收谱线：750nm和810nm E0?(光激励)E3 ?E2(10－3s) ?(10.6um)E1 ?E0 掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)的特点 阈值低，需要的光泵浦功率小 优良的物理、化学性能 良好的导热性能、热膨胀系数小 吸收谱线宽度窄，对光源质量要求高 目前能够用于制作大功率固体激光器的物质 二、固体激光器的结构 Haas YAG Laser Cross Section 三、泵浦光源 要求：电光效率高、发光谱线与工作物质的吸收谱线一致、功率大、亮度高、寿命长 光源种类： 惰性气体放电灯：Kr灯、Xe灯 金属蒸汽灯：汞弧灯、碱金属蒸汽灯 半导体发光二极管（激光和非相干光） 灯光形状：直线型或螺旋形 YAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯 四、聚光器 又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统 五 冷却系统 热量来源： 电光转换效率30～60％ 工作物质无辐射跃迁 聚光器内壁吸收泵浦光 激光工作物质吸收的多余的泵浦光线 反射镜片吸收的部分光 危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭” 冷却方式：全腔式、分离式 六 调Q技术 Q激光器的品质因子 定义： 其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量，v为频率 Q：反映了谐振腔的损耗，Q越大，起振越容易，损耗越小 调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄脉冲 调Q过程和方法 调Q方法： 机械转镜 电光开光 声光开光 §2.5.2 气体激光器 增益介质为气体, 可以是原子，分子或离子 He-Ne激光器 CO2 分子激光器: 高功率:25kw,欧洲尤里卡计划100kw 高效率：量子效率达40％，电光总效率15％，YAG：2～3％ 高光束质量，连续稳定输出低阶模 长波长：非金属吸收，金属强烈反射 一、CO2激光器的工作物质 分子的内能：电子运动、原子间的振动、整体转动 CO2激光器中CO2分子跃迁发生在基态电子的不同振转能级之间 振动能级：V1V2lV3 对称 V1 弯曲 V2 反对称 V3 l为弯曲振动的角量子数 转动能级 不存在纯振动，振动时一定处于某种转动之中 整体旋转，转动的能量是量子化的 振转能级形成CO2光谱的精细结构，200多条谱线 激发过程（基态000跃迁到上能级001） 慢速电子碰撞激发 CO2(000)+e?CO2(001)+e 串级跃迁 CO2(00V3)+ CO2(000)?CO2(00V3－1)+ CO2(001)（V31） 共振转移＋N2(振动能级E(v)与00V3相近) N2(V=1~4)+ CO2(000)?N2(V=0)+ CO2(00V3=1~4) V3=1 001 V31 再通过串级跃迁到001 弛豫过程（100、020?000） 分两步 100、020?010(很快) 010?000(很慢，加快气体) 下能级尽快排空，维持粒子数反转 二、CO2激光器的结构和种类 封离式：工作气体不流动，管壁导热；结构简单，成本低；光束质量好，可得基模；运行无噪音、易于维护；输出功率小，1kw，50w/m 横流CO2激光器 与封离式相比：克服功率不高缺点，改善气体冷却条件，提高气压 特点：1、三轴垂直；2、气体流速快60~100m/s；3、功率高；4、光束质量差(高阶模或环形模) 轴流式C