常用气体激光器讲解PPT课件.ppt

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1、关于常用气体激光器讲解第一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1.CO1.CO2 2气体是气体是工作物质工作物质，辅助气体有，辅助气体有N N2 2、HeHe、XeXe和和H H2 2等；等；2.N2.N2 2在气体中起在气体中起能量转移能量转移作用。作用。N2N2分子受电子碰撞的分子受电子碰撞的概率很大概率很大，放电，放电中使大量中使大量N2N2处于处于亚稳态亚稳态。通过近。通过近共振碰撞共振碰撞把内能转移给把内能转移给CO2CO2分子，分子，实实现粒子数反分布现粒子数反分布 ；3.He3.He对对COCO2 2分子有分子有冷却作用冷却作用，也可加速下能级粒子数，也可加速下能级粒子

2、数抽空抽空；4.Xe4.Xe的的电电离离电电位位低低，激激光光器器内内的的气气体体易易电电离离，使使COCO2 2分分子子能能量量转转换换效效率率提提高高10101515。同同时时在在维维持持放放电电电电流流相相同同的的情情况况下下，加加入入XeXe后后可可使使放电电压下降放电电压下降20203030。5.H5.H2 2或或(H(H2 2O O蒸汽蒸汽)可促使低能粒子可促使低能粒子抽空抽空，H H2 2O O蒸汽有利于蒸汽有利于COCO2 2分分 子的子的还原，可还原，可延长寿命延长寿命。2 2、工作物质工作物质第二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 N2N2分子受到电子碰撞后分子

3、受到电子碰撞后被激发并和被激发并和CO2CO2分子分子发生碰发生碰撞撞，N2N2分子把获得的分子把获得的能量能量传递传递给给CO2CO2分子，使大量的分子，使大量的CO2CO2分子被激发到分子被激发到 001001能级时，能级时，能级能级001001和能级和能级 100100之间形成之间形成粒子数的反分布。粒子数的反分布。3 3、CO2分子激发机理分子激发机理第三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 HeHe原子质量小，运动速原子质量小，运动速度快，频繁地碰撞度快，频繁地碰撞CO2CO2分子，分子，高效地抽运高效地抽运010010能级上的能级上的CO2CO2分子，大大提高了粒子分子，

4、大大提高了粒子数反转程度。数反转程度。100100能级和能级和020020能级的分子能级的分子迅速跃迁到亚稳态迅速跃迁到亚稳态010010能级上。能级上。因此必须把跃迁到因此必须把跃迁到010010能级上能级上的的CO2CO2分子分子立即抽空立即抽空，否则不，否则不利于粒子数的反转。利于粒子数的反转。第四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月二、基本结构二、基本结构 纵向电激励水冷内腔式封离型纵向电激励水冷内腔式封离型 CO2CO2激光器的典型结构激光器的典型结构 所谓封离型是指所谓封离型是指工作工作气体被密封气体被密封在放在放电管内电管内(由放电管、水由放电管、水冷管和储气管三层结冷

5、管和储气管三层结构组成构组成 )。它的优点是结构简它的优点是结构简单、紧凑。但它的单位单、紧凑。但它的单位放电长度可输出的放电长度可输出的功率功率比其他结构的（如流动比其他结构的（如流动型和气动型）型和气动型）COCO2 2激光器激光器要要低低。第五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月第六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月折叠式折叠式CO2CO2激光器（水冷套未画出）激光器（水冷套未画出）横向循环流动横向循环流动CO2CO2激光器激光器纵向流动纵向流动CO2CO2激光器激光器第七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月三三 、输出特性、输出特性1 1、能量转换效率高

6、、能量转换效率高 ：202025%(25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几千分之几)；2 2、常用的、常用的COCO2 2激光器输出波长为激光器输出波长为10.6 10.6 ，属于中红外区，对人，属于中红外区，对人眼损害小；眼损害小；3 3、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励 ；4 4、温度效应温度效应 转换效率最高也不会超过转换效率最高也不会超过4040，这就是说有，这就是说有6060以上的能量转换为气体的热能，气体温度的升高，将引起以上的能量转换为气体的热能，气体温度的升高，将引起CO2CO2分子分子的分解，降低放电管内

7、的的分解，降低放电管内的CO2CO2分子浓度。使激光器的输出功率下分子浓度。使激光器的输出功率下降，因此，降，因此，冷却问题冷却问题是是CO2CO2激光器正常运转的重要技术问题。激光器正常运转的重要技术问题。第八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 原子或分子因某种原因失去电子或获得电子的过原子或分子因某种原因失去电子或获得电子的过程称为程称为电离电离。若原子失去电子，称为正离子，反之则。若原子失去电子，称为正离子，反之则称为负离子。称为负离子。利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为离子离子激光器激光器。氖、。氖、氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气等均能

8、作离氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气等均能作离子激光器的工作物质。它们的激光输出功率比原子气体激子激光器的工作物质。它们的激光输出功率比原子气体激光器要高，达几十瓦，可连续或脉冲输出。光器要高，达几十瓦，可连续或脉冲输出。氩离子激光器氩离子激光器第九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月一、工作原理一、工作原理 激发过程一般分激发过程一般分两步两步：气体放电后，放电管中的气体放电后，放电管中的高速电子与中性氩离子碰高速电子与中性氩离子碰撞，从氩离子中打出一个撞，从氩离子中打出一个电子，使之电离，电子，使之电离，形成处在形成处在基态上的氩离子基态上的氩离子；该基态；该基态Ar+Ar+再与高速电

9、子碰撞，再与高速电子碰撞，被激发到被激发到高能态高能态，当激光上下能级间，当激光上下能级间产生粒子数反转时，即可产生粒子数反转时，即可产生氩离子激光。产生氩离子激光。因此，氩离子激光器的因此，氩离子激光器的激活粒子是激活粒子是Ar+Ar+。第十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 采取两次电子碰撞将采取两次电子碰撞将氩原子激发到氩原子激发到 3p3p4 44P4P态要态要比直接碰撞、一次将氩比直接碰撞、一次将氩原子激发到原子激发到3p3p4 44P4P态的电子态的电子能量要小，后者只能在低能量要小，后者只能在低气压放电中才有如此大的气压放电中才有如此大的能量（能量（35.5eV35.

10、5eV）。）。由于由于3p3p4 44P 4P 和和3p3p4 44S4S能能级上有许多不同的电子级上有许多不同的电子态，所以氩离子激光输态，所以氩离子激光输出由丰富的谱线。最强出由丰富的谱线。最强的谱线波长是的谱线波长是488.0nm488.0nm、514.5nm514.5nm。第十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月二、基本结构二、基本结构 氩离子激光器包括：氩离子激光器包括：放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。第十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月氩离子激光器分段石墨放电管 第十三张，PPT共一百一十五页，创作于2

11、022年6月国产的氩离子激光管 第十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月三、输出特点三、输出特点 1 1、是一种、是一种惰性气体离子激光器惰性气体离子激光器 ，在离子激光器中输出效率最，在离子激光器中输出效率最高；高；2 2、其输出波长较多，主要有、其输出波长较多，主要有 514.5nm514.5nm和和488.0nm488.0nm两个蓝绿色两个蓝绿色 的谱线，是的谱线，是可见光区域中最强可见光区域中最强的激光器。的激光器。；3 3、一般连续输出几瓦到十几瓦，甚至上百瓦。、一般连续输出几瓦到十几瓦，甚至上百瓦。4 4、输出波长易输出波长易 被血红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物被血

12、红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物止血效果最止血效果最好好。在临床上主要用于外科手术，用它作在临床上主要用于外科手术，用它作“光刀光刀”，尤其是上、，尤其是上、下消化道出血时，氩离子激光器可以利用光纤导人内镜进行止下消化道出血时，氩离子激光器可以利用光纤导人内镜进行止血等非手术治疗。目前它广泛用于眼科凝固、皮肤科、内科等血等非手术治疗。目前它广泛用于眼科凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。综合治疗领域。第十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月表表 氩离子激光的可见光光谱线氩离子激光的可见光光谱线激光跃迁能级 波长(nm)或率（W）4P2S01/24S2P1/2 457.9 0.35

13、4P2D03/24S2P3/2 472.7 0.30 4P2P03/24S2P1/2 476.5 0.75 4P2D05/24S2P3/2 488.0 1.50 4P2D03/24S2P1/2 496.5 0.70 4P4D05/24S2P3/2 514.5 2.00 4P4D03/24S2P3/2 528.7 0.34第十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月准分子激光器准分子激光器一、工作物质一、工作物质 “准分子准分子”：不是稳定分子。它是：不是稳定分子。它是混合气体混合气体受到外来能量激受到外来能量激发所引起的一系列物理和化学的反应中发所引起的一系列物理和化学的反应中曾经形成

14、曾经形成但但转瞬即逝转瞬即逝的分子，其的分子，其寿命仅为寿命仅为几十毫秒几十毫秒。这类激光器的工作物质是受激的气体原子这类激光器的工作物质是受激的气体原子(如如ArAr、KrKr、XeXe，用，用RgRg表示表示)和卤元素和卤元素(例如例如F F、ClCl，用，用X X表示表示)结合而成的准分子，如氟结合而成的准分子，如氟化氩化氩(ArF)(ArF)、氯化氪、氯化氪(KrCl)(KrCl)、氟化氙、氟化氙(XeF)(XeF)等等;第十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月二、工作原理二、工作原理 通常情况下，基态的稀有气体原子化学性质稳定，因此呈两种气通常情况下，基态的稀有气体原子化

15、学性质稳定，因此呈两种气体体混合状态（混合状态（Rg+XRg+X）。但当它们受到激发时，如。但当它们受到激发时，如电子束的轰击或高压电子束的轰击或高压激励激励等，稀有气体原子就可能从基态跃迁到激发态，甚至被电离，等，稀有气体原子就可能从基态跃迁到激发态，甚至被电离，这时很容易和这时很容易和另一个原子另一个原子形成一个形成一个寿命极短的分子（寿命极短的分子（RgXRgX），这种处于，这种处于激发态的分子称受激二聚物，简称激发态的分子称受激二聚物，简称准分子准分子。RgXRgX基态分子寿命极短，为基态分子寿命极短，为1010-13-13s s量级，它沿着自己的势能曲量级，它沿着自己的势能曲线想核间

16、距增大的方向移动，直线想核间距增大的方向移动，直至最终至最终离解成独立的原子离解成独立的原子Rg+XRg+X。激。激发态发态RgX*RgX*能级寿命为能级寿命为1010-8-8s s量级，比量级，比基态稳定，因此很基态稳定，因此很容易形成粒子数容易形成粒子数反转反转。第十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月三、基本结构三、基本结构准分子激光器的结构准分子激光器的结构 第十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1功率特性：功率特性：准分子基态的电子迅速排空造成激光准分子基态的电子迅速排空造成激光下能级总是下能级总是空的空的，这样有利于离子数反转的形成，即使在超短，这样有利于

17、离子数反转的形成，即使在超短脉冲下运转，从而可以获得脉冲下运转，从而可以获得较高的输出功率（较高的输出功率（1010瓦瓦量级）量级）。2.输出波长输出波长:从真空紫外到可见光区域从真空紫外到可见光区域 。3脉冲特性：脉冲特性：由于基态寿命短，即使是超短脉冲情况下，基由于基态寿命短，即使是超短脉冲情况下，基态也可被认为是空的，因此准分子激光对态也可被认为是空的，因此准分子激光对产生产生巨脉冲巨脉冲特别有利。特别有利。4.4.能够精确聚焦和控制，其切削能够精确聚焦和控制，其切削精度非常高，每个光脉冲切削深度为精度非常高，每个光脉冲切削深度为0.20.2微米，能够在人的头发丝上刻出各种微米，能够在人

18、的头发丝上刻出各种花样来。花样来。第二十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 近视眼由于眼球的前后径太近视眼由于眼球的前后径太长，眼角膜前表面太凸，外长，眼角膜前表面太凸，外界光线不能准确会聚在眼底所致。界光线不能准确会聚在眼底所致。准分子激光矫正近视是用电脑准分子激光矫正近视是用电脑精确控制的准分子激光，根据近视精确控制的准分子激光，根据近视度数和有无散光在度数和有无散光在瞳孔区瞳孔区的角膜基的角膜基质层进行刻蚀，使眼角膜前表面稍质层进行刻蚀，使眼角膜前表面稍稍变平。从而使外界光线能够准确稍变平。从而使外界光线能够准确地在眼底视网膜上会聚成像，达到地在眼底视网膜上会聚成像，达到矫正

19、近视的目的。矫正近视的目的。准分子激光治疗近视眼的原理准分子激光治疗近视眼的原理 第二十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 什么是什么是LASIKLASIK手术手术?LASIKLASIK手术即准分子激光原位角膜磨镶术（手术即准分子激光原位角膜磨镶术（Laser in Situ Laser in Situ KeratomileusisKeratomileusis）：）：医生用角膜刀掀开一个角膜瓣，在瓣下角膜基质医生用角膜刀掀开一个角膜瓣，在瓣下角膜基质层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切削。患者术层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切削。患者术前检查的数据

20、卡输入计算机，由计算机控制切削的范围和深度，削出前检查的数据卡输入计算机，由计算机控制切削的范围和深度，削出一个光滑的曲面，相当于在角膜上切削出一个眼镜片，使视力变得清一个光滑的曲面，相当于在角膜上切削出一个眼镜片，使视力变得清晰。晰。它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术，在角膜表面切削一直径它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术，在角膜表面切削一直径8 8毫毫米，厚米，厚0.160.16毫米的带蒂板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用准分子激光电脑控毫米的带蒂板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用准分子激光电脑控制多步分区角膜基质内切削，最后将角膜瓣复位。制多步分区角膜基质内切削，最后将角膜瓣复位。第二十二张

21、，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月制做角膜瓣制做角膜瓣 准分子激光切削准分子激光切削 角膜瓣复位角膜瓣复位 第二十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 LASIK手术示意图手术示意图 角膜微切器切割角膜角膜微切器切割角膜 角膜瓣形成并翻转角膜瓣形成并翻转 第二十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月角膜中间基质切削区准备角膜中间基质切削区准备 准分子激光切削角膜基质准分子激光切削角膜基质 第二十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月角膜瓣复位角膜瓣复位 准分子激光角膜原位磨镶术完成准分子激光角膜原位磨镶术完成 第二十六张，PPT共一百一十五页，创作于2

22、022年6月智慧型大小光斑技术智慧型大小光斑技术:根据不同的个人数据，根据不同的个人数据，系统系统自动调整光斑大小自动调整光斑大小：光：光斑直径可在斑直径可在0.65-0.65-6.5mm6.5mm范围内变化。可范围内变化。可使复杂的角膜切削变得使复杂的角膜切削变得极为轻松。极为轻松。三维主动眼球跟踪技术三维主动眼球跟踪技术:除对眼球在除对眼球在XYXY轴运动进行追踪外，轴运动进行追踪外，还可以追踪眼球在还可以追踪眼球在Z Z轴的立体位移，轴的立体位移，可随眼球运动自动将激光调整到切可随眼球运动自动将激光调整到切削点，极大的加强了手术的安全性削点，极大的加强了手术的安全性和精确性。和精确性。第

23、二十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月高精度200Hz飞点扫描、193nm氟化氩（ArF)准分子激光和最优光传输系统的完美结合形成光斑直径0.8mm优化高斯光束 第二十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 染料激光器染料激光器染料激光器染料激光器 固体或其它激光所输出的波长已几乎覆盖了真空紫外至红外波固体或其它激光所输出的波长已几乎覆盖了真空紫外至红外波段，还出现了段，还出现了X X射线波激光器。但是，一般激光器输出的波长都是射线波激光器。但是，一般激光器输出的波长都是固定固定单一单一的，至多也只是有的，至多也只是有几个波长几个波长，这在应用上有一定的局限性。为，这在

24、应用上有一定的局限性。为此人们研究了此人们研究了可调谐激光可调谐激光。染料激光器是染料激光器是液体激光器液体激光器的一种，以染料为工作物质，如若丹的一种，以染料为工作物质，如若丹明明6G6G等，溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。染料的能量转换效率等，溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。染料的能量转换效率很高，可达数百毫瓦。染料激光器的最大特点是其输出波长很高，可达数百毫瓦。染料激光器的最大特点是其输出波长在一定在一定范围内连续可调范围内连续可调，所以称为可调谐激光器。医学上常用的可调谐染料，所以称为可调谐激光器。医学上常用的可调谐染料激光器有：激光器有：N N2 2激光泵浦可调谐染料激光器和激光泵浦

25、可调谐染料激光器和NdNd：YAGYAG激光泵浦可调谐激光泵浦可调谐染料激光器等。染料激光器等。第二十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 工作原理工作原理染料分子能级图染料分子能级图 S0S0是基态，是基态，S1S1、S2S2是激发态。是激发态。S0S0、S1S1、S2S2本身是由许多密集的振本身是由许多密集的振动转动能级组成的。动转动能级组成的。在在原子光谱原子光谱里，不同电子态之间里，不同电子态之间的跃迁产生的跃迁产生一条锐的谱线一条锐的谱线；在；在分子分子光谱光谱里，不同电子态（例如里，不同电子态（例如S1S1与与 S0S0）之间的跃迁将产生由一簇密集的谱线组之间的跃迁将产

26、生由一簇密集的谱线组成的成的谱带谱带。染料分子的这种能级结构是。染料分子的这种能级结构是染料激光器的输出波长在一定范围内可染料激光器的输出波长在一定范围内可调的根本原因。调的根本原因。一、染料分子能级一、染料分子能级第三十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月染料分子能级图染料分子能级图 吸收了外来光子后，分子就从基吸收了外来光子后，分子就从基态能级跃迁到态能级跃迁到S1S1态的较高的振动转动态的较高的振动转动能上（图中能上（图中AbAb）。由于频繁的热）。由于频繁的热交换，大多数被激发的分子无辐交换，大多数被激发的分子无辐射地衰变到射地衰变到S1S1态的最低的振动转动态的最低的振动转

27、动能级上（图中能级上（图中bBbB）。这样，在）。这样，在B B与与基态基态S0S0的较高的振动转动能级（图的较高的振动转动能级（图中中a a）之间就实现了）之间就实现了粒子数反转粒子数反转。当。当反转达到阈值时，就可以产生激光。反转达到阈值时，就可以产生激光。可见染料激光形成过程，经历可见染料激光形成过程，经历了了两次无辐射跃迁两次无辐射跃迁。二、染料分子的光辐射过程二、染料分子的光辐射过程第三十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月三、染料分子的三重态三、染料分子的三重态三、染料分子的三重态三、染料分子的三重态“陷阱陷阱陷阱陷阱”能级图中的能级图中的T1T1和和T2T2是是三重态

28、三重态。由于。由于三重态三重态T1T1较单态较单态S1S1低，所以处在低，所以处在S1S1中中的分子很容易无辐射地跃迁到的分子很容易无辐射地跃迁到T1T1上，又上，又因为因为T1T1与与S0S0之间不产生辐射跃迁，而之间不产生辐射跃迁，而且且T1T1的寿命较长，约为的寿命较长，约为1010-4-41010-3-3s s，所以所以T1T1态对于激发分子来说，相当于一态对于激发分子来说，相当于一个个“陷阱陷阱”。当当T1T1态上积累了足够的分子后，态上积累了足够的分子后，T1T2T1T2的吸收将很快使激光器的增益的吸收将很快使激光器的增益下降，以致下降，以致激光淬灭激光淬灭。通常采用的方法。通常采

29、用的方法是在染料中加入三重态是在染料中加入三重态淬灭剂淬灭剂，缩短，缩短TlTl的寿命。的寿命。第三十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月第三十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月直管闪光灯泵浦的染料激光器示意图直管闪光灯泵浦的染料激光器示意图 一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔及波长选择装置组成及波长选择装置组成 第三十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月第三十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月第三十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月第三十七张，PPT共一百一十五页，创作

30、于2022年6月 输出特性输出特性1 1输出激光波长输出激光波长可调谐可调谐 某些染料激光波长的可调宽度达上百纳米，某些染料激光波长的可调宽度达上百纳米，所以称为可调谐激光器。所以称为可调谐激光器。2 2由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准连续宽带，这既使得染料激光器在连续宽带，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，大范围内可调谐，目前由染料目前由染料激光器产生的激光器产生的超短脉冲宽度超短脉冲宽度可压缩至飞秒（可压缩至飞秒（1010-15-15秒）量。秒）量。3 3染料激光器的染料激光器的输出功率大输出功率大，达数百毫瓦，可与

31、固体激光器比拟，并，达数百毫瓦，可与固体激光器比拟，并且价格便宜。且价格便宜。4 4染料分子是一种染料分子是一种四能级级系统四能级级系统，由于，由于S0S0的较高振动能级在室温时的较高振动能级在室温时粒子数几乎为粒子数几乎为0 0，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的器的阈值很低阈值很低。第三十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月一、光栅调谐一、光栅调谐 图示为一种光栅图示为一种光栅反射镜调谐腔。光束与谐振腔轴成一个小角反射镜调谐腔。光束与谐振腔轴成一个小角度度（33）。谐振腔由）。谐振腔由反射光栅反射光栅G G与一个镀有介质膜

32、的与一个镀有介质膜的反射镜反射镜M M组成。光栅组成。光栅G G具有具有扩束和色散扩束和色散作用，转动光栅就可以改变输出激光作用，转动光栅就可以改变输出激光的的频率频率。腔内插入一个法布里腔内插入一个法布里珀罗标准具，摆动标准具可以进一步选珀罗标准具，摆动标准具可以进一步选择输出激光的频率。不插入标准具时，输出激光的线宽为择输出激光的频率。不插入标准具时，输出激光的线宽为0.05nm0.05nm，插入标准具后，可获得线宽约为，插入标准具后，可获得线宽约为0.001nm0.001nm的单模激光。的单模激光。输出特性输出特性第三十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 二、棱镜调谐二、棱

33、镜调谐 图示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，图示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的腔内放置的棱镜是一种色散元件棱镜是一种色散元件。由于棱镜的色散作用，。由于棱镜的色散作用，一束来自一束来自M3M3、M2M2的不同波长的光，将有不同的折射方的不同波长的光，将有不同的折射方向。当旋转平面反射镜向。当旋转平面反射镜M1M1使其与某一波长的光使其与某一波长的光垂直垂直时，时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转M1M1便可便可实现调谐作用。实现调谐作用。第四十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月Tunable Laser

34、s Dye Lasers很多有机染料可以被用作激光介质。其中最常见的是若丹明6G（Rhodamine 6G），溶于甲醇或者乙二醇。跃迁上下能级由于和溶剂的相互作用而分裂为连续的能带。分子被激发到上能带后迅速无辐射弛豫到上能带的最低能级，并由此向基态各能级跃迁，产生荧光辐射。辐射荧光曲线不随激发光源的改变而改变。第四十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 如果将充有染料溶液的小室放置于激光腔内，并提供足够的泵浦能 量，则可以放出激光。如果使用宽带激光反射镜，受激辐射在荧光发射曲线顶点的周围几十个附近发生。可以把反射镜用光栅代替。激发辐射带宽降低到0.5。通过转动光栅，可以让激光在整个

35、荧光发射带范围内调节。泵浦可以用闪光灯来实现，得到的激光脉宽1ms，峰值功率大概几kW，重复频率1Hz。也可以用固定波长激光器，例如氮分子激光器，准分子激光器，铜蒸气激光器或倍频后的Nd:YAG激光器。第四十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月几种典型装置第四十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月通过使用各种染料，脉冲染料激光器工作范围可以从320到1000nm。对准分子激光泵浦的染料激光器，能量转换效率可以到1020%。而对于倍频后的Nd:YAG激光器，则可以达到40%。第四十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月染料激光器脉冲运转较容易，而连续运转比较困难

36、。主要问题是三重态布居数的增加造成的吸收损耗会使激光无法起振。脉冲泵浦时，可以在三重态集聚足够的粒子数之前产生激光。要想达到连续泵浦，则必须去掉三重态分子。可以在溶液中加入某种三重态猝灭剂，可以有效地使三重态分子无辐射跃迁到基态。连续的染料激光器往往使用氩离子或者氪离子激光器泵浦。目前可以覆盖的光谱范围为375950nm。使用染料射流来让染料高速通过激活区。第四十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月Tunable Solid-State Lasers某些固体激光器的增益曲线范围较宽，因此可以在某个范围内调谐。例如钕玻璃激光器可以在1.01.1mm范围调谐。钛宝石（Ti:Al2O3）

37、激光器可调谐范围为660到1100nm。不使用激光泵浦的可调谐固体激光器引起人们广泛的兴趣。倍频以及受激拉曼散射等可以用来进一步扩展调谐波长。第四十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月Tunable CO2 Lasers二氧化碳激光器是最有效地气体激光器，功率转换率达到20%。工作波长位于10mm附近，很多工作用的是固定波长的二氧化碳激光器。第四十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月因为与加入的N2分子的碰撞，(001)模式充分布居。由放电使得氮分子布居于第一振动能级。由此形成与低能级(100),(020)之间的粒子数反转。激光发射可能在子转动能级间发生，并形成位于10

38、.210.8mm和9.29.7mm的几个光谱带。其中最强的谱线为10.59mm。可以使用光栅来选择其一为输出波长。如果使用同位素分子13CO2，则可以增加可选的波长。二氧化碳激光器也可以工作于高气压（1个大气压到10个大气压）。在较高气压下，谱线加宽，不同的振转谱线溶和在一起，从而可以在该波段范围内连续调谐激光。工业上使用的二氧化碳激光器输出功率最高可以达到几十千瓦的量级。第四十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月光纤激光器光纤激光器 光纤激光器是以光纤激光器是以掺杂光纤掺杂光纤本身为本身为工作物质，而该光纤工作物质，而该光纤本身本身又起到又起到导波作用导波作用的固体激光器。由的固

39、体激光器。由工作物质、谐工作物质、谐振腔、泵浦源振腔、泵浦源三个基本部分组成。三个基本部分组成。优点：优点：1.1.散热性能好、转换效率高、激光阈值低；散热性能好、转换效率高、激光阈值低；2.2.谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等。圈等。3.3.可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。4.4.光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。第四十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1 掺杂光纤掺杂光纤2 光纤激光器的谐

40、振腔光纤激光器的谐振腔3 掺稀土元素的光纤激光器掺稀土元素的光纤激光器4 超荧光光纤激光器超荧光光纤激光器(SFS)第五十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1 掺杂光纤掺杂光纤一、掺杂元素一、掺杂元素掺稀土元素掺稀土元素镧系镧系Xe6S2，外层都为为，外层都为为5S25P66S2镧系元素电子结构的镧系元素电子结构的差别只在差别只在4f壳层的电子占有数壳层的电子占有数。1、掺杂浓度、掺杂浓度 最佳在最佳在100ppm量级。量级。太低：太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。能被耗尽。太高：太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑

41、制，跃迁稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。产生结晶效应，不利于产生激光。第五十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月2、掺杂光纤的基质、掺杂光纤的基质（1）石英玻璃）石英玻璃 石石英英玻玻璃璃对对稀稀土土元元素素离离子子的的光光谱谱能能级级的的影影响响：产产生生斯斯塔塔克克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。分裂，使得能级加宽，光谱变宽。（2）重金属氟化物玻璃）重金属氟化物玻璃优点：优点：通光窗口宽，在通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。范围透过率很高。

42、易于成纤。易于成纤。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。第五十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性1、Er 3+、Nd 3+的电子能级的电子能级4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能级分裂能级分裂第五十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月4F 5/24F 3/24F 5/2第五十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月2、掺稀土光纤的光谱特性、掺稀土光纤的光谱特性掺钕光纤：掺钕光纤：使用使用800nm、900nm、530n

43、m波长波长的泵浦光源，将在的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1350nm波长处得到激光。波长处得到激光。掺铒光纤：掺铒光纤：使用使用800nm、900nm、1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1536nm波长处波长处得到激光。得到激光。掺铒光纤存在最佳光纤长度掺铒光纤存在最佳光纤长度（约（约10m）。）。Er3+Nd3+第五十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月3、掺杂光纤的激光特性、掺杂光纤的激光特性 掺掺铒铒的的三三能能级级系系统统：基基态态E1、亚亚稳稳态态 E2、高高能能级级E3。从从E3 E1，泵浦几率为，泵浦

44、几率为WP，跃迁几率为，跃迁几率为WP。E3 非非辐辐射射E2，几几率率为为S32；E3 自自发发辐辐射射和和非非自自发发辐辐射射E2、E1，几率为，几率为A32、A31、S31。选择工作物质要求：选择工作物质要求：A32、A31和和S31 S32 以及以及S32 WP(3-1)，N2 N1。一般选择一般选择A21较小的工作物质。较小的工作物质。A32第五十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月一、一、FP腔腔1，结构，结构M1:对泵浦光高透；对激光高反对泵浦光高透；对激光高反M2:对激光高反（低增益系统对激光高反（低增益系统95%；高增益系统；高增益系统 75%）2，光传输特性，光

45、传输特性 理论理论波动光学。假设：波动光学。假设：谐振腔内的光纤伸直；谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。为阶跃折射率弱波导光纤。2 光纤激光器的谐振腔光纤激光器的谐振腔第五十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 光在腔内传输来回一次后的光强为：光在腔内传输来回一次后的光强为：要保证激光在腔内振荡，要求：要保证激光在腔内振荡，要求：反反射射光光与与入入射射光光发发生生干干涉涉，为为了了在在腔腔内内形形成成稳稳定定振振荡荡，要要求求干涉加强。则腔长与波长满足干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件驻波条件)：增益系数增益系数平均损耗系数第五十八张，PPT共一百一十五页，创作于20

46、22年6月纵模和横模纵模和横模 在在腔腔内内，轴轴向向驻驻波波场场为为腔腔的的本本征征模模式式光光场场。特特点点：与与轴轴线线垂垂直直的的横横截截面面光光场场稳稳定定均均匀匀分分布布；轴轴线线方方向向形形成成驻波，驻波，称为纵模。称为纵模。节数为节数为q，为纵模序数。，为纵模序数。与与轴轴线线垂垂直直的的横横截截面面内内光光场场稳稳定定分分布布，称称为为横横模模，用用LPml表表示示，为为线线性性偏偏振振模模。m为为方方位位数数，表表示示垂垂直直光光纤纤的的横横截截面面内内沿沿圆圆周周方方向向方方位位角角 从从0到到2 光光场场的的变变化化数数（节节线线数数）。l为为径径向向模模数数，表表示示

47、纤纤芯芯区区域域光光场场的的半半径径方方向向变变化化数数(节线数节线数)。LP01表表示示基基模模，它它的的角角向向径径向向节节线线数数没没有有变变化化，为为圆圆形光斑。形光斑。第五十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器1、光纤环行谐振腔、光纤环行谐振腔 泵泵浦浦光光由由1端端进进入入，经经耦耦合合器器进进入入环环行行腔腔。激激励励的的激激光光与与泵泵光光无无关关。产产生生的的激激光光由由4端端到到3端端。经经耦耦合合器器分分为为2束束：一一束束从从2端端输输出出；另另一一束束由由4端端返返回回并并被被谐谐振振放放

48、大；如此反复。大；如此反复。其中储存了能量其中储存了能量。掺杂光纤掺杂光纤耦耦合合器器：4端端出出射射光光比比1端端入入射射光光停停滞滞后后/2。第六十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月2、光纤圈反射器、光纤圈反射器 普普通通单单模模光光纤纤制制成成的的耦耦合合器器的的重重要要特特性性：只只要要在在工工作作波波长长下下单单模模运运行行，在在两两个个输输出出端端与与输输入入端端之之间间存存在在固固定定相相位位差差，交交叉耦合的光波比输入光波滞后相位叉耦合的光波比输入光波滞后相位 /2。光纤圈的功率反射率光纤圈的功率反射率R、透射率、透射率T为：为：从从2端的透射功率总和为端的透射功率

49、总和为0：134 2 的的顺时针光的的顺时针光场相位差为场相位差为0，与从，与从1 4 3 2的逆时针光场的相位差为的逆时针光场的相位差为。两光场因为振幅相同、相位相反两光场因为振幅相同、相位相反而抵消，总和为而抵消，总和为0。光从光从1返回返回。SMF第六十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月3、光纤、光纤圈圈谐振腔谐振腔 光纤圈为光纤圈为非谐振的干涉仪非谐振的干涉仪结构。注意结构。注意分束器的取向分束器的取向。其中没有能量储存其中没有能量储存。透射透射反射反射反射反射透射透射 光光波波既既可可以以通通过过另另一一端端输输出出；又又可可以以再再从从输输入入端反射。端反射。第六十二

50、张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月4 4、全光纤激光器、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，通过一条通过一条掺杂光纤熔锥而成的掺杂光纤熔锥而成的全光纤激光器全光纤激光器。激光器要实现振荡，激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。要求光纤圈提供正反馈。由此得由此得到谐振腔的有效腔长为：到谐振腔的有效腔长为：L1L2L掺杂光纤掺杂光纤第六十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月三、可调谐光纤激光器三、可调谐光纤激光器 光光纤纤激激光光器器有有较较宽宽的的波波长长调调节节范范围围，比比染染料料激激光光器器的的化化学学性性质更