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典型激光器介绍大全(精华版)


阈值条件: 即 红宝石 2.5E-20 cm2 27~88E-20 cm2 3E-20 cm2
gth
g n 21
1 1 ln .................(1.Nd3+:YAG 2 1) 2l R Nd3+:Glass
光谱特性 • 多纵模工作 – 空间烧孔效应 – 高增益 – 多模利用充分利用了反转粒子数,有利于锁模 • 高注入,高输出伴随激光线宽增加 激光束的方向性
(3)氩离子气体激光器 输出波长: =488nm; =514.5 nm ; 在可见光区输出功率最高,输出功率从几瓦~几百瓦。
氩/氪离子激光器,Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质,主要有两条连续 谱线,即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光,典型输出功率分别为1~25mW和1~100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
典型激光器
1、 常见激光器概述
激光器的分类
已记录到的激光振荡波长有一万种以上。
• 按激光工作介质:
• 按化学组成:
– 原子激光器 – 固体激光器 – 分子激光器 (光纤激光器) – 离子激光器 – 气体激光器 – 自由电子激光器 – 半导体激光器 – 准分子激光器 – 染料激光器 • 激光运转方式: – 自由电子激光器 – 连续 • 激光调制方式 – 脉冲 – 自由运转 • 单脉冲 – 调Q • 重复频率 – 锁模 • 准连续
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外,再掺入一种或多种 施主离子,主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量, 并将吸收到的能量转移给激活离子。 • 双掺或多掺杂晶体生长困难,工艺复杂。
1、红宝石的基本特性
Cr3+:Al2O3六方晶系,负单轴晶体
掺杂浓度 受激辐射截面 波长 1.58E19(cm-3) 2.5E-20(cm2) 694.3nm
1、端面泵浦
2、侧面泵浦
3、基于内反射的泵浦构型
3、泵浦耦合技术
B、耦合光学系统 聚光腔
聚光腔材料选择
3、泵浦耦合技术 B、耦合光学系统
• 金属:铝——轻型系统 铜——热膨胀系数小,导热率高 不锈钢——不生锈,光洁度高,热导率低 • 玻璃:易碎,导热性差,不生锈,耐腐蚀 • 陶瓷:易碎,导热性差,不生锈,耐腐蚀

21
gth
1 1 ( ln ) 21 2l R
其中,n n2 g2 n1 g1
1
.............................(1.2 3)
受激辐射截面
高斯线型
I’ l
n为激光工作介质中的
21 2 A21 4 2 2 v 0 21 2 A 21 ln 2 4 3 2 v 0
(4)连续波可调谐钛蓝宝石激光器
3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser
The high-performance, tunable, solid state IR laser
输出波长从675到1100nm 由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦 TEM00输出功率可达3.5W cw
1. 固体激光器
分为晶体和玻璃两类,在基质材料中掺入激活离 子而制成。 目前已实现激光振荡的不同基质——掺杂体系的 工作物质有200多种,但是,性能好,使用广泛的主 要有下面三种。 (1)钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质
= 1.053 μm 由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃,因而可制成大 型器件,获得高能量和功率的激光 ,现已制成输出功率 1014W激光器。
实际光束的束腰和远场发散角乘积 M 0 理想光束的束腰和远场发散角乘积
2
M 2 1, 越小光束质量越好
激光的偏振特性 偏振性主要取决于工作物质
各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力
双折射,激光输出具有部分偏振特性。
在谐振腔中有偏振元件,激光输出也会具有偏
振性
B、固体工作物质
• 氧化物:Al2O3,YAG,YAP
基质
• 磷酸盐,硅酸盐: CaWO4 • 钨酸盐,钼酸盐,钒酸盐和铍酸盐: YVO4
• 氟化物: YLF
• 玻璃:磷酸盐、硅酸盐
激活离子
1. 稀土离子 • 钕(Nd3+) • 实现了100多种基质中获得受激发射 • 以0.9um,1.06um,1.35um为中心,可实现若干频率 的受激发射 • 铒(Er3+) • 实现了YAG,YLF,YAP,LaF3,CaWO4,CaF2, 玻璃基质中的受激发射。 • 1.53~1.66um内实现激光发射,属人眼安全波长。 • 常用的Er3+:YAG经敏化,最易其振,输出波长为 2.9um。 • 钬(Ho3+) • 掺Er:Tm:Ho的YAG和YLF,输出波长1.9-2.1um • 掺Cr代替Er敏化,Cr:Tm:YAG激光器可有效吸收 闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。
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CO2激光器
> 1 atm 一定压力的CO2, N2, He混合的气体分子激光器 波长 9-11um,最常见10.6um 效率高,功率范围大(几瓦~几万瓦) 光束质量好 运行方式多样,结构多样
CO2激光器中,加入其中的氦有利于激光下能级
抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作
发射光谱 吸收光谱
Ti:Sapphire 钛蓝宝石
•可调谐(660-1180nm) • Pumping • Emission
其它固体工作物质
Er:YAG
C、固体激光器的光泵浦系统
1、惰性气体灯
结构
管壁 电极 接头 气体
脉冲灯的发射光谱
2、激光二极管
• 光谱特性
3、泵浦耦合技术 • A、泵浦方式
• 铥(Tm3+) • 与Cr或Ho一起实现YAG,YLF的高效闪光灯及二 极管泵浦激光输出。 • 二极管泵浦Tm:YAG实现2.01um输出 • 二极管泵浦Tm:Ho:YAG实现2.09um输出 • 高效闪光灯泵浦Cr:Tm:YAG实现1.945um和 1.965um的可调输出 • 镨Pr3+,钆Gd3+,铕Eu3+,镱Yb3+,铈Ce3+ • 二极管泵浦的Yb:YAG激光器 • 二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器 • 钐Sm2+,镝Dy2+,铥Tm2+ • 液氮冷却的作用下,CaF2中产生过激光作用。
氮分子激光器VSL337ND-S Nitrogen Laser
3. 半导体激光器
由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。 特点:体积最小、重量最轻,使用寿命长,有 效使用时间超过10万小时。 输出波长范围:紫外、可见、红外 输出功率:mW、W、kW。
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
铜蒸气激光器
一般通过电子碰撞激励,两条主要的工作谱线是 波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光,典型脉冲宽度 10~50nS,重复频率可达100KHz。当前水平一个脉冲 的能量为1mJ左右。这就是说,平均功率可达100W,而 峰值功率则高达100KW。
(3)氮分子激光器 脉冲放电激励输出紫外光,峰值功率可达数十兆瓦, 脉宽小于10nS,重复频率数十Hz~数千Hz,主要用作染 料激光器的泵浦源,也可用于光谱分析、检测、医学及 光化学方面。常见波长:337.1nm、357.7nm
荧光寿命
量子效率
能级结构
3.0ms
0.7 11(cm-1),5.3(埃)
谱线线宽
吸收光谱
Nd:YAG的基本特性
Nd3+:Y3Al5O12立方晶系,光学各向同性
掺杂浓度 受激辐射截面 波长 荧光寿命 量子效率 谱线线宽 1.38E20(cm-3) 88E-20(cm2) 1064nm 230us 1 4.5(埃)
2. 锕系离子 – 掺0.05%铀(U)的CaF2成功用于激光器,输出2.6um。 3. 过渡金属 – 铬(Cr3+) • 红宝石(Cr3+:AL2O3),紫翠宝石(绿宝石,金 绿宝石,翠绿宝石,Cr3+:BeAl2O4) • 钛蓝宝石(钛宝石,Ti3+:AL2O3) • Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。
金属材料的反射率
C、LD泵浦全固态激光器(DPSSL)的的技术发展
D、典型非线性变换全固态激光器
平均功率:110W 重复频率:1~30kHz; 脉宽:<230ns 不稳定性: <1.03%
E、基于全固态激光器的激光电视
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2、气体激光器
CO2激光器 He-Ne激光器 Ar离子激光器 准分子激光器
(2)红宝石激光器 工作物质:红宝石晶体
输出波长: 输出线宽:
694.3nm 0.01 ~ 0.1nm
工作方式:连续、脉冲 发 散 角 : 10-3rad,一般为多模输出; 泵浦功率>阈值10~20%→单模
(3)掺钕钇铝石榴石( Nd :YAG)
工作物质:YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长: = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式:连续、高重复率脉冲 因可掺进较高浓度的钕,故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率,激光器也可作的比较小,若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
2、 常见激光器工作特性
1、固体激光器
A、固体激光器基本结构及特性
1. 2. 3. 4. 5. 激光工作物质 泵浦源 聚光腔 谐振腔 冷却系统
固体激光器的能量转换
0 .5 0 .4 0 .2
0.76 0.95
1
0 .9
0 .8
固体激光器阈值
阈值反转粒子数: nth
100% I0 工作物质 R
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