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激光器件复习资料

第一章气体激光器

1.气体激光器的分类

原子气体激光器（惰性气体，原子蒸气）

分子气体激光器（气体分子激光器，准分子激光器，汞化物分子激光器）

离子气体激光器（惰性气体，金属蒸气离子）

2.气体激光器的激励方式

电激励（气体放电和电子束激励）

热激励（高温加热方式，气动CO2激光器）

化学能激励（化学反应释放能量）

光激励（近、中、远红外波长）

核能激励（放射线、高能粒子和裂变碎片）

3.气体放电粒子种类

（1）中性气体粒子

（2）带电粒子

（3）受激粒子和光子

4.碰撞种类

弹性碰撞，非弹性碰撞

5.激发与电离

当中性气体粒子与其他粒子发生碰撞时，原子中的价电子容易吸收外来粒子的能级，从其原来的能级跃迁到较高的能级上去，我们称这个原子被激发，即受激原子。

如果原子中一个或几个电子因碰撞吸收能量而脱离了原子变成自由电子，使原子成为带正电荷的离子，这种过程成为电离。

气体激光器中，电离是维持放电平衡的必要条件，

激发是实现粒子束反转的必要条件。

6.气体放电粒子碰撞与激发

第一类非弹性碰撞：

电子与粒子碰撞

第二类非弹性碰撞：

1.共振激光能量转移

2.电荷转移

3.潘宁电离

第二章He-Ne气体激光器

1.氦氖激光器的基本结构及种类

按照腔镜的构成方式可分为内腔式，外腔式，半内腔式，旁轴式，单毛细管式

2.He、Ne原子的能级图

氦氖激光器之所以采用毛细管结构是由氖原子的能级结构决定的。

同时氦原子的能级结构决定了氦氖激光器的工作原理，工作特性以及输出特性

He－Ne激光器的工作物质是Ne原子

He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率

Ne原子三条最强的跃迁谱线：

632.8nm3S2—2P4

3.39μm3S2—3P4

1.15μm2S2—2P4

是典型的四能级系统

3.激发过程

（3）串级跃迁

Ne原子与电子碰撞被激发到更高的能态，而后再跃迁至2S和3S能态

4.Ne原子激光下能级的弛豫

根据跃迁选择定则,位于激光下能级3P4,2P4及1S能级的粒子向基态的跃迁是禁戒的.即位于上述能级的粒子不能通过辐射过程而返回基态

1S能级由四个能级组成，两个亚稳态能级，两个谐振能级，由于跃迁选择原则限制，会导致低能级粒子数出现阻塞的现象，如果不立即排空1S能级，这些原子就会被小能量的电子碰撞或捕获光子而重新回到激光下能级2P和3P，这样就降低了粒子数反转分布的绝对值，使增益减小。

把这种低能级粒子数出现阻塞的现象称为瓶颈效应

只能通过扩散至管壁与管壁碰撞交换能量返回基态.我们称其为“管壁效应”

5.增益饱和

氦氖激光器的谱线加宽属于综合加宽，有多普勒非均匀加宽和碰撞均匀加宽构成

多纵模振荡增益饱和将呈现以下两种情况：

（1）

，相邻的纵模烧孔不相重叠时，各纵模独自饱和，不存在模式竞争，因此，输出功率较小

（2）

，即各纵模烧孔相互重叠时，增益曲线在阈值以上部分全部被烧掉，因此整个综合加宽曲线出现类似于综合加宽谱线的增益饱和。

6.影响输出功率的物理因素

（1）放电条件的影响:

要选择最佳放电条件.

（2）毛细管尺寸的影响:

2方面<长度l,内径d>

毛细管内径d过小,有利于提高Gm.但d太小时,Gm反而下降.主要原因是:

当长度l一定时,d小则总粒子数减少,且谐振腔易失调

（3）选择最佳透过率

（4）减小腔内损耗

（5）谱线竞争—抑制3.39um谱线振荡

（6）使用同位素He-3:

7.氦氖激光器的偏振特性

外腔式和半内腔式结构中，由于布儒斯特窗的存在，输出的激光为理想的线偏振光

内腔式氦氖激光器输出激光偏振特性表现为自然光的性质。

利用塞曼效应,磁场引起谱线分裂,分裂的大小与

磁场强度成正比

8.激光的频率特性

选择性谐振腔，腔内放置色散棱镜，腔内放置甲烷吸收盒，外加非均匀磁场

9.氦氖激光器的设计

放电管内径和长度；谐振腔长度；反射镜曲率半径；输出镜透过率。

第三章CO2激光器

1.能级结构

CO2分子结构决定了能级结构，能级结构的性质决定了CO2分子激光器的结构，工作性质，工作特性和输出特性

运转方式：

连续或脉冲

2.CO2激光器激光上能级的激发

3.CO2激光器激光下能级的弛豫

4.CO2激光器的瓶颈效应

由于激光下能级1000和0200十分接近，两个能级可看成一个混合态，并且这个混合态与基态之间的偶极跃迁是禁戒跃迁，寿命较长，因此混合态CO2分子只能通过与基态CO2分子和其他分子的过程弛豫到0110态，且这个过程是可逆的，不能完全解决下能级的弛豫问题。

因而0110在态上会出现CO2分子被堆积的现象，常称这种低能级阻塞现象为瓶颈效应。

5.CO2分子激光器的结构

放点毛细管，谐振腔，电极，贮气室，冷却水套

分为全内腔式，半内腔式，外腔式

6.辅助器体的作用

氮气或一氧化碳是CO2分子激光器的主要的辅助气体，其作用除增大CO2分子0001能级的激发速率外，还增加0110能级的弛豫速率，尤其是CO气体的作用特别突出

加入适量的氦气会使输出功率大大提高，其物理机制是：

氦原子质量轻，其导热率比CO2和N2高一个数量级，氦的加入使气体温度下降，输出功率提高；氦原子对下能级的弛豫速率比对上能及大，提高了粒子数反转绝对值。

从而提高了输出功率；氦的电离电位较高，氦的加入使电子温度提高，增加了对0001能级的激发，导致输出功率增加

7.输出功率影响因素

气体成分与气压、放电电流、温度、毛细管尺寸（l、d）、谐振腔模体积

8.器件寿命

影响封离型CO2激光器寿命,有个重要的因素是CO2分子在工作过程中发生离解

9.TEACO2激光器

为什么纵向封离型C02激光器的输出功率对应有最佳充气总气压Popt，而TEACO2激光器的输出功率却在高气压下有显著提高？

答案：

TEACO2激光器以脉冲方式运转。

纵向封离型C02激光器连续运转。

第四章固体激光器基本特性

1.固体激光器基本结构

激光工作物质，泵浦源，聚光腔，谐振腔，冷却与滤光

2.能量转换效率

发射光子的能量总小于吸收的能量，这种能量损失称为斯托克斯损失

泵浦光源的发光效率或电光转换效率ηL，聚光腔的聚光效率ηC，激活离子的吸收效率ηab

3.固体激光器的弛豫振荡

无论是脉冲运转还是连续运转的固体激光器，最主要的动态特性是弛豫振荡现象。

泵浦光强越强，短脉冲间隔越小，短脉冲个数越多，但短脉冲包络的峰值不会增加

4.固体激光器的阈值

三能级

三能级系统中，要达到阈值，必须将总激活粒子数一半以上的粒子泵浦到激光上能级

四能级

5.影响阈值的因素

工作物质的种类

三能级阈值高于四能级阈值

损耗系数α

对三能级系统影响小

对四能级系统影响显著。

质量好的工作介质和精心调节谐振腔可减小α

ηLηcηab

提高发光效率

提高聚光器效率

提高光谱匹配效率

输出镜反射率R

增大R可减小阈值

6.效率

斜效率

总效率

7.衡量光束质量的方法

远场发散角θ，β

激光光束远场发散角θ描述激光束发散程度，它与聚焦多少能量有关，应用中常取作光束质量评价参数。

由于扩束、聚焦可以改变θ值，因此还需要考虑在一定激光束宽条件下评判。

斯特列尔（Strehl）比

文献中也常用斯特列尔比作为评价光束质量参数。

SR定义为：

光束参数乘积

虽然束宽和远场发散角都可以通过聚焦系统来改变，但是对于确定光束，其束腰宽度W0和远场发散角θ的乘积不变，称为光束参数乘积（BP）

8.光谱特性

多纵模工作

驻波腔----空间烧空效应

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

9.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

第五章固体工作物质

1.固体激光器对基质材料的要求

（1）必须具有良好的光学性质

（2）必须具有良好的机械和热性质

（3）必须具有接受掺杂离子的位置，激活离子能够实现高浓度掺杂，且荧光寿命长

（4）必须有足够大的尺寸和良好的光学均匀性，能够规模生长，以便有高的光学质量和生产率

2.基质材料的种类

主要有晶体，玻璃和激光陶瓷

玻璃的离子谱线是非均匀加宽，晶体中的离子谱线是均匀加宽

3.固体激光器对激活离子的要求

（1）具有三能级或四能级

（2）具有宽的吸收带，大的吸收系数和吸收截面，以利于储能

（3）掺入的激活离子具有有效的发射光谱和大的发射截面

（4）在泵浦光的光谱区和振荡波长处高度透明

（5）在激光波长范围内的吸收，散射等损耗小，损伤阈值高

（6）激活离子能够实现高浓度掺杂，且荧光寿命长

4.激活离子的种类

过渡元素，镧系，锕系

5.红宝石

三能级，输出波长：

694.3nm，692.9nm

偏振输出，闪光灯泵浦，脉冲运转

6.Nd:

YAG

准三能级，最强的1.06μm的能级结构为四能级结构，最弱的1.35μm的能级结构为三能级结构

输出波长：

1.06μm，1.319μm，0.946μm

连续，脉冲运转，可闪光灯泵浦也可二极管泵浦

7.钕玻璃

在1.06μm附近的激光运转具有典型的四能级

输出波长:

0.92μm，1.06μm，1.37μm

脉冲运转

8.激光陶瓷

相对于单晶和玻璃，透明陶瓷具有以下优势：

可以掺杂高浓度的激活离子，而且掺杂均匀；制造周期短，成本低，可以大批量生产；可以制造大尺寸，形状复杂的材料；可以制造多层多功能陶瓷材料

第六章固体激光器的泵浦系统

1.选择泵浦系统的原则是什么？

固体激光器大多采用光泵浦实现粒子数反转分布。

泵浦光源的发射光谱必须与激光工作物质的吸收光谱相匹配，并尽可能地集中到激光工作物质内部

2.泵浦源的分类

惰性气体放电灯，金属蒸气放电灯，白炽灯，激光二极管，激光和太阳能

惰性气体灯分为

脉冲氙灯：

工作与较高电流密度下，以连续光脉冲氙灯：

工作与较高电流密度下，以连续光谱为主。

连续氪灯：

电流密度较低，以线状光谱为主。

3.惰性气体灯的输出光谱

气体灯的光辐射由强烈加宽的线状光谱和连续谱叠加而成。

线状光谱对应于受激原子或离子从激发态向基态的辐射跃迁。

高温下的碰撞，使特征谱线强烈加宽。

连续谱对应于自由电子和正离子的空间复合及电子、离子碰撞而产生的韧致辐射。

4.激光二极管

同质结，单异质结，双异质结，量子阱，多量子阱，量子级联

5.激光二极管输出特性

LD及其阵列发光元的输出为椭圆高斯光斑，有快轴发散角30o-450，慢轴发散角5o-8o

一般使用柱状透镜进行象散的矫正

功率效率

表征激光器将输入的电能（或电功率）转换为输出激光器能量（或光功率）的效率，也

成为总效率，定义为

量子效率

表征激光器有源区注入的电子-空穴对数转换为有源区内辐射的光子数的效率，成为内量子效率。

表征激光器有源区注入的电子-空穴对数转换为输出光子数的效率，成为外量子效率

6.泵浦方式

端面泵浦侧面泵浦和复合式泵浦

端面泵浦的泵浦光束与激光光束方向相同或共轴,所以也称为轴向泵浦或纵向泵浦;

侧面泵浦的泵浦光束与激光光束方向垂直,也成为横向泵浦;还

有一些泵浦方式他们既有端面泵浦的特点也兼顾了侧面泵浦的优势我们将其归于复浦方式,他们既有端面泵浦的特点,也兼顾了侧面泵浦的优势,我们将其归于复合式泵浦,其中最典型的是折叠腔泵浦方式

7.端面泵浦

端面泵浦的泵浦光束与激光光束方向相同或共轴,所以也称为轴向泵浦或纵向泵浦

8.侧面泵浦

侧面泵浦就是将激光二极管及其阵列放置在增益介质的侧面，让泵浦光束从腔的侧面注入，与激光模体积重合。

第七章固体激光工作物质的热效应

1.灯泵固体激光器工作物质内部产生热的主要因素

（1）除与工作物质吸收谱带相匹配的波段以外的泵浦光能，尤其是紫外和红外波段的光能被基质吸收转化为热能

（2）激光材料泵浦带与激光上能级间的能量差，将以非辐射跃迁形式转移给基质材料，转变为热能

（3）工作物质内部损耗产生热能

2.连续激光器与脉冲激光器产生热效应的不同

对于连续工作方式，当加热与冷却平衡后，工作物质表面具有恒定温度，而内部沿径向产生一定的温度梯度分布，导致热应力沿径向变化。

对于脉冲工作方式，主要研究泵浦时间内的热效应。

单次脉冲器件工作物质的光学畸变主要是由泵浦光场的不均匀分布与工作物质的不均匀吸收所致，而重复脉冲器件的热效应主要是由泵浦光场的不均匀分布与冷却而形成的温度梯度的综合影响所致

3.激光棒的温度分布及热应力

各向同性物质的热应力

由温度较高的内层材料和温度较低的外层材料相互制约产生的机械应力，称为热应力

热应力将引起热应变，使工作物质的折射率产生不均匀变化，原来的各向同性介质变成各向异性介质，产生热应力双折射。

4.热透镜效应

由于温度梯度引起的折射率不均匀分布，使激光棒对传输激光具有透镜会聚或发散的作用，称之为热透镜效应

5.热应力双折射退偏现象

线偏光入射到有热应力双折射的激光工作物质后，将分解为振动方向相互垂直的两束线偏振光，由于折射率不同，经过激光工作物质传输后两束线偏振光将产生相位差，合成后成为椭圆偏振光

6.端面泵浦全固态激光器中的热效应

对于端面泵浦的全固态激光器来说，虽然一般注入对于端面泵浦的全固态激光器来说，虽然一般注入的泵浦功率比侧面泵浦低，但是由于激光棒内泵浦光束的束腰直径很小（通常为几百微米），因而泵浦功率密的束腰直径很小（通常为几百微米），因而泵浦功率密度非常高（一般比侧面泵浦固体激光器中的泵浦强度高2个数量级），因而热效应更加严重。

随着泵浦强度的个数量级因而热效应更加严随着泵浦强度的提高，由此引起的各种热效应对端面泵浦固体激光系统的影响也越来越大，使得激光系统的效率降低，光束质的影响也越来越大，使得激光系统的效率降低，光束质量变差，甚至导致激光增益介质的损坏。

7.热破裂

随着注入的泵浦功率的增加，温度梯度增大，热应力也随之增的热应力。

随着注入的泵浦功率的增加，温度梯度增大，热应力也随之增大。

当热应力增大至超过增益介质的破坏阈值时，增益介质就会发生破裂，这种现象我们称之为热破裂。

8.热透镜效应的测量

He-Ne激光直接探测法，谐振腔稳定性法，波前畸变测量法，温度探测法

9.冷却与滤光

（1）冷却

液体冷却，气体冷却，传导冷却

（2）滤光

滤光液，滤光玻璃

10.光学补偿

（1）热透镜效应的补偿

修磨端面,热不灵敏腔

（2）热应力双折射补偿

旋光,

90度石英旋光片,波片,Porro棱镜

绪论

1.激光的特性

（1）良好的单色性

（2）良好的方向性

（3）高亮度

（4）极好的相干性

2.激光器分类