红宝石激光器.ppt

激光的诞生 红宝石激光器的工作物质 工作元件是一根淡红色的红宝石棒（AL２O3晶体），其中掺0.05%的铬离子（Gr3+）。这些铬离作为激活离均匀地分布在基质（即AL２O3晶体）中，浓度大约为 1.62×10的19次方cm-3，它们替代了晶格中一部分铝离子（AL3+）的位置，红宝石激光器有关有能级和光谱性质都来源于Gr3+。 在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hV＝E2—E1的成分就被放大。 红宝石激光器 红宝石激光器 红宝石激光器的工作过程 红宝石棒两个端面精磨抛光，平行度在1‘（弧分）以内，其中一个端面镀银，成为全反射面，另一个端面平镀银，成为透射率10% 的部分反射面。 激励能源是光源——螺旋形脉冲氙灯（现经常采用直管氙灯），氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较强有光输出，这正好同红宝石的吸收光谱对应起来。由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面，外有聚光器加强照射效果，闪光灯通常一次工作几毫秒，输入能量1000-2000J，闪光灯的大部分输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝石所吸收，并转移到其中Cr3+的相应能级上。当由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时，则每激励一次，就有一束相干光从红宝石的半镀银面射出，其波长为 6943 A（红光），谱线宽度小于0.1 A. 红宝石激光器特点 大多数为脉冲激光器，脉冲频率为1.2赫兹或单个脉冲，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米。 输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽0.01~0.1nm，光斑直径为3~6mm。易于接收和检测。 三能级结构，产生激光所要求的阈值激励功率较高。 晶体升温时(大于50℃）时，荧光量子效率显著下降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降甚至停振，故一般应采取冷却措施。 红宝石激光器优点 机械强度和化学稳定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成较大尺寸; 亚稳态寿命长,储能大,可获得大能量输出; 荧光谱线较宽,易获得大能量单模输出; 低温性能优良;输出可见光。 红宝石激光器优点 从应用观点看,红宝石激光器输出可见光极具吸引力, 一、是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见光区,而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长则位于近红外区域 二、是对于全息照相等应用,需要使用可见光作为光源 红宝石激光器缺点 能级结构属三能级系统,器件阈值高; 晶体性能随温度变化明显,室温下不适于做连续高重频器件。 激发效率较低，不适合连续工作 输出发散角较大，一般约为3～10mrad 中国第一台激光器--“小球照明红宝石”激光器在当时激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率 红宝石激光器的应用 眼科：用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的切除等； 红宝石激光器医学应用 皮肤科：用于照射治疗； 红宝石激光器是1960年世界上制成的第一台激光器，也是最早应用于医疗上的激光器。 红宝石激光器波长为694.3nm的可见红光，这种波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较高，尤其适用于各种色素性疾病。 临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真皮层，破坏毛囊，永久性去除身体多余毛发； 调Q模式，使黑色素细胞大量吸热，并在超脉冲波的作用下破裂分解，可有效治疗蓝、黑和绿色文身及各种良性色素性病变。 红宝石激光器的军事应用 早期在军事上用于测距和照明，1961年称为柯利达I型的世界上第一台红宝石激光测距机在美国诞生后，1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演。自90年代初起，调谐的激光器进入使用阶段，1～3μm波段的对人眼安全的激光器，取代了对目视危险的红宝石和钕激光系统；可调谐的可见光和近红外激光器，用以改善固定频率的红宝石和钕激光器的抗干扰性能 。 全息术实验 用红宝石脉冲激光器拍摄的刚出壳的小鸡的反射全息图，可以白光再现。 * 1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼设计和建造了一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度 ，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。 激光器的组成 常用激光器由三部分组成： 工作物质 泵浦源 光学谐振腔 激光 工作物质 激励能源 谐振腔 激光器结构示意图 红宝石激光器（三能级系统） E2 E3 E1 E2 E3 E1 (10-9s) E2 E3 E1 (10-3s)