第三章典型激光器案例.ppt

第三章 典型激光器;第三章 典型激光器;第三章 典型激光器;固体激光器的基本结构与工作物质;红宝石激光器;红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层 电子组态为3d54s1，掺入Al2O3后失去外层三个电子 成为Cr3+，Cr3+的最外层电子组态为3d3。红宝石的 光谱特性就是Cr3+的3d壳层上三个电子发生跃迁的 结果。Cr3+在很强的晶格场作用下，呈现出复杂的 能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析， 已确定红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。;红宝石的吸收光谱如图3-4所示。由 4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光，峰值波长 在0.36um附近，称为紫外带或U带。 由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光，峰值波 长在0.51μm附近，称为黄绿带或Y 带。这是两个很强很宽的吸收谱带， 吸收带宽均约0.1um左右。;3.1 固体激光器;Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+，基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12)。 Nd3+部分取代YAG中的Y3+即成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比， 此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3，颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比 例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶 系，是各向同性晶体。;能级结构;掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(3-6)所示。;钕玻璃是在光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量 为1%-5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为3×1020/cm3。 Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟，易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状 和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1-2m，直径30- 100mm，可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几 微米的玻璃纤维，用于集成光路中的光放大或振荡。;E4:含三个吸收带(抽运能带) ; 跃迁谱线: ①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观察到; ③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不出现.;3.2 气体激光器;3.2 气体激光器;优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结 构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程中放电管受热变形 时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。 激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一 米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无 法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用 寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管 功率的稳定性不如旁轴式。;优点是这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时 溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔 影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电 管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点是 由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方 便，体积大，安装使用不方便，易破碎。 ;He-Ne激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激 光跃迁的是Ne气。Ne原子有10个电子，基态1S0 (电子分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、3S、 2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为 2P53s、2P54s、2P55s、2P53P、2P54P。He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。如图3-9所示，He原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。;在He-Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%，其转移过程如下：;第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。 ;根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即0.6328 ?m 、3.39 ?m和1.15 ?m ，对应跃迁能级分别为3S2→2P4，3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被