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常用激光器工作原理

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一.氦-氖(He-Ne)激光器 二.YAG激光器 三.激光损伤阈值 常用激光器与激光损伤阈值简介 综述.一些基本概念 所有的光都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和 释放都

  一.氦-氖(He-Ne)激光器 二.YAG激光器 三.激光损伤阈值 常用激光器与激光损伤阈值简介 综述.一些基本概念 所有的光都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和 释放都表现成为特定波长的光。光子射出的能量(焦耳)等于hν,其中h是 普朗克常数,v是辐射的频率,这适用于激光和传统的发光系统。光辐射能量 是在原子从高能态掉到低能态的时候放出。然而,一个原子想发光,首先必 须吸收能量,使得低能态原子被打到高能态,这在激光领域叫做“泵浦, pump”。所有光包括自发和激光需要一定量的能量吸收。 原子是由位于原子中心的原子核和一些微 小的电子组成的,电子在一些特定的可能轨道 上绕核作圆周运动,离核愈远能量愈高;当电 子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不 吸收能量,只有当电子从一个轨道跃迁到另一 个轨道时原子才发射或吸收能量,而且发射或 吸收的辐射是单频的,辐射的频率和能量之间 关系由E=hν给出。为了描述原子中电子的运 动规律,所以提出了能记得概念。原子各个定 态对应的能量是不连续的,这些能量值叫做能 级 综述.激光器发光原理 激光又名镭射 (Laser), 它的全名是“辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 1、粒子数反转(激光产生的基本条件) E2 粒子数反转 E1 h? 在通常情况下,处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数,这 种情况得不到激光。为了得到激光,就必须使高能级E2上的原子数目大 于低能级E1上的原子数目,因为E2上的原子多,发生受激辐射,使光增 强)。 综述.激光器发光原理 为了维持翻转的粒子数够多,必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态 上,这就需要脉冲激光(例如接下来要讲到的YAG激光器)中的脉冲氙灯,气 体放电激光(例如氦氖激光器、二氧化碳激光器)中的放电等能量源来提供能 量了。 2.自发辐射与受激辐射 粒子自发地从高能级跃迁到低能级,同时发出一个光子,这一过程叫做自发辐射。 若处在高能级的粒子,在一个能量等于两能级之差(E2-E1)的光子作用下,从 高能级跃迁到低能级并发射一个光子,这一过程称为受激辐射。与自发辐射不同, 辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子。 综述.激光器发光原理 显然,没有哪个自发辐射光源能达到激光光源的光谱质量。这是因为传统 光源是系统处在各种能级都有的杂乱辐射状态。传统光源的基本特征是宽光 谱分布,随机极化,圆形和不规则的波阵面和较低的色温。 激光的发射原理不同于常规光,不是各种能级加在一起的自发辐射产生的, 而是受激发射,各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上,由于维持的 时间总体正态分布,大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能 态上,这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平,也就是我们平常所说 的激光单色性 综述.激光器发光原理 光谱能被吸收后,会导致原子由低能级向高能级跃迁,部分跃迁到高能级的原子 又会跃迁到低能级并释放出相同频率单色光谱,但所释放的光谱并无固定方向与 相位,所以尚无法形成激光。 谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大,而把其他频率和 方向的光加以抑制。如图,凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外,与工作 介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进,并经两反射镜的反射不断往 返运行产生振荡,运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的光子 将不断增殖,在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束,这就是激光。 为把激光引出腔外,可把一面反射镜做成部分透射的,透射部分成为可利用的激光, 反射部分留在腔内继续增殖光子。 一. 氦-氖(He-Ne)激光器 1. He-Ne激光器的结构和激发机理 ? He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种,如图所示。 He-Ne激光器的基本结构形式 氦-氖(He-Ne)激光器 1. He-Ne激光器的四能级系统 E4 E4 E3 E2 E1 ?如图是与产生激光有 关的Ne原子的部分能 级图,Ne原子的激光 上能级是3S和2S能级, 激光下能级是3P和2P 能级。 E3 pump h? hh ?? E2 E1 ?He-Ne激光器是典 型的四能级系统, 其激光谱线P 3.39? 下能级E1 能级E3 级E2 本上是空的。其激励能量要 激光要比三能级系统容易得 多。 一.固体激光器的基本结构与工作物质 固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。 图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。 固体激光器的基本结构示意图 YAG 激光器具有能量大、峰值功率高、结构较紧凑 、牢固耐用等优点, 广泛应 用于工业、国防、医疗、科研等领域。用调Q Nd: YAG 的谐波泵浦的可调谐染 料激光器,具有高功率、窄线宽的特点, 可用于光谱学、激光医疗与生物工程等科 工作物质 掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG) ?工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3,和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而 成的,呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3+) ?YAG中Nd3+与激光产生有关的能级结构如图所示。 Nd3+:YAG 的能级结构 它属于四能级系统。 Nd离子浓度: 结晶方向: 端面平面度: 端面平行度: 0.1-1.5at% 111 ± 5° or 100 ± 5° λ/ ≤ 10 端面与轴线垂直度: 应用范围: 光学质量: ≤ 5 ′ 1.064um脉冲、连续激光器 干涉条纹≤ 0. 25 λ /inch 消光比Ф3-Ф6.35 ≥ 28dB Ф7-Ф10 ≥ 25dB 直径: ±0.05mm 长度: ±0.5mm 切面 : 0.07+0.005/-0.00 at 45° ≤ 0.2% () 长脉冲点效率:3.3%(灯泵,20J输入 ), 长脉冲斜效率4.2% 尺寸公差: 增透膜剩余反射率: 激光特性: (掺钕钇铝石榴石)晶体是综合性能最优良的固体激光材料。Nd:YAG激光棒具 有高增益、激光阈值低、功率高、1064光波吸收少、热传导性和热冲击性好, 适用于多种工作方式(连续、脉冲、Q开关、锁模)常用于近远红外固体激光及 其倍频、三倍频应用中,并广泛应用与科研、医疗、工业、军事等领域。 激光器各系统的一些基本概念 1. 阈值 激光器的阈值与工作物质的种类、谐振腔的损耗系数、泵灯与 YAG 棒之间的匹配 等因素有关。激光器的阈值受工作物质的种类影响很大 , YAG 激光器的工作物质 Nd3 +: YAG是四能级系统,阈值较低。 2. 横模与纵摸 横摸描述的是激光光斑上的能量分布情况,横模可以从激光束横截面上的光强分 布看出来。如图,高斯光束的截面光强分布曲线,中心高,辐向减小,满足高斯分 布。 纵模是与激光腔长度相关的,所以叫做“纵模”,是描述激光频率的。理论上 激光腔内可以产生无数个等间距频率的光,但由于增益介质只对特定频率(谐振频 率)的光产生最大增益,其他频率的光被抑制掉,即在谐振时会筛选出符合谐振频 率的谐振激光,这种现象叫做模式竞争。所以,激光器一般仅输出一个特定频率的 激光。 左图说明在一个频率区间内,分布了5个 纵模(即五个频率的激光,q=5),且强 度不等 结构 1.闪光灯 要产生激光的先决条件是有一束富含紫外和绿光的强光束照射到激光棒内, 使得离子翻转密度达到阀值。一种被广泛使用的方法就是用脉冲氙灯做强光 源。结构很简单,只要把氙灯的光投射到棒子上就可以了。 现在绝大部分工业激光器和业余激光器都采用这种直线式氙灯结构。 泵浦效率高,水冷方便,制造工艺简单,触发容易,是大部分激光采 用这种结构的原因。 2.反射镜组件 激光物质必须有特定的粒子结构使得粒子翻转群可以被激发到一定的密度, 一般是一些晶体或者气体、液体。这些激光物质一般被放在两个镜子之间, 使得能量能够经过多次来回反射而放大达到能够使用的级别。一面镜子是全 反镜,反射几乎所有的光,也叫HR,一面镜子是半反镜,也叫输出镜,OC, 一般反射20%到80%的光,激光在两个镜子之间多次往返放大后,从这里打 出来一部分做输出。 反射镜组件用于选纵摸 选择特定波长的窄带介质膜反射镜 进行选择振荡以选纵模,窄带介质膜反 射镜的反射率曲线 所示。实验 室的 YAG 激光器的两面腔镜选择的是 中心频率为 1064nm 的窄带介质膜反 射镜。 3.光学谐振腔 光在腔内传播相当于不断经过光阑,因此会引起衍射,使振幅 和相位的空 间分布发生畸变。最后当振幅和相位的空间分布达到稳定状态时,才从输出镜 输出激光。 谐振腔的作用是选横模。横模是指在谐振腔的横截面内的激光光场的分布。 横模阶数最低的是基模,基模有最小的光束半径、最小的光束发散角, 是最理想 的激光束。固体激光器如果不采取特殊限模措施,通常都是多横模振荡。因此欲 获得理想的激光束, 必须精心设计谐振腔, 使其为单横模输出。 横模选择目前常用的技术是孔径选模和非稳腔选模 ,孔径选模的方法如凹凸 谐振腔小孔选模等。 4.固体激光器的泵浦系统 1. 固体激光工作物质是绝缘晶体,一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为 工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应满足两个条件:有很高的发 光效率;辐射光的光谱特性与工作物质的吸收光谱相匹配 2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的,因而固体工作物质一般都加工成圆 柱棒形状,所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上,必须采用聚光腔。 3.如图所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔,它的内表面 被抛光成镜面,其横截面是一个椭圆。 4. 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。 常用的冷却方式有液体冷却、 气体冷却和传导冷却等, 其中以液冷最为普遍。 5.泵浦灯和工作物质之间 插入滤光器件滤去泵浦光 中的紫外光谱。 椭圆柱聚光腔 5.调Q开关 最简单的q开关就是一个马达连着一个镜子,没对准的时候没有来回往复的光, 可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多,在对准的瞬间释放,达到很窄而功 率很大的脉冲。 工业上用的比较多的有电光调Q、声光调Q等方式做的q开关,用在进一步压 缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲 激光,方便打标、切割。 实验室的 YAG 激光器采用内调制技术锁纵 模,调制器采用调 Q晶体 ,利用调 Q 晶体可 以实现晶体电光调 Q。晶体电光调 Q 是一种利用晶体的电光效应来实现Q 突变的方法, 即利用电光晶体在外电场作用 下,使入射偏振光的振动方向发生变化 的效应,而人为地加入可控的等效反射损耗 的方法。 YAG激光器的工作原理 1、全反镜,6、半反镜,5、YAG棒产生震荡激光以后,在经过一个或者 两个YAG棒放大,可得到1064nn的激光光源。 2、调Q组件 4、偏振器 3、光阑 9、倍频晶体(变频器),可以改变激光的频率,输出1064nm 、532nm、 355nm的激光 一级震荡,一级放大 一级震荡,二级放大 固体激光器的输出特性 1. 固体激光器的激光脉冲特性 ?一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或 称尖峰)组成的,各个短脉冲的持续时间约为(0.1?1)?m,各短脉冲之间的间隔 约为(5?10) ?s。泵浦光愈强,短脉冲数目愈多,其包络峰值并不增加。 2. 转换效率 ?总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率 描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为: ?t ? Pout ? Pth ? ? 21 ?? 1? ? ? L? c? ab?1? cou ? ? Pin ? Pin ? ? p ?t ? Eout ? Eth ? ? 21 ? ?? 1? ? L? c? ab?1? cou ? ? Ein ? Ein ? ? p YAG 激光器工作一段时间后, 输出功率( 或能量) 会下降。这主要是由于 YAG 棒劣化 ,泵灯老化, 聚光器及 YAG 棒等光学元件表面污染,谐振腔二反射镜失调 等原因造成的。 3.激光器输出光束的稳定性: YAG 激光器的总体效率只有百分之几, 其余绝大部分输入能量都转换为泵灯、 YAG 棒和聚光器温度升高的热能。为了维持激光器件正常工作,必须采取强迫冷却 措施。冷却方法常用的有液体冷却、气体冷却和传导冷却等, 其中液体冷却最常用。 泵灯所辐射的光只有一小部分被激活离子吸收, 其余部分或者逃逸掉或者成为有 害辐射。主要危害是使 YAG 棒发热造成不良的热效应。 各支架和反射镜调整机构应的牢靠性,机械振动对输出功率的稳定性也有影响。 4偏振特性: 输出激光的偏振特性主要取决于工作物质是各向异性,还是各向同性。另外,若谐 振腔中含有偏振元件,激光输出也具有偏振性。 YAG 晶体是各向异性晶体, 本不具 有偏振性,但当谐振腔中含有偏振元件, 激光输出也具有偏振性。实验室的 YAG 激 光器谐振腔中含有调 Q 晶体和 λ /4 波片两个偏振元件,激光输出具有偏振性。 5.方向性: 激光束的方向性系指激光束在空间上的发散度。激光的发散度越小, 光强越集中, 传播的距离越远。激光输出的方向性主要取决于谐振腔的本征模式。为得到单横 模振荡,必须对横模采取选模措施。另外,谐振腔的调整等因素也会影响激光束的方 向性,谐振腔调整得不好,会使发散角增大方向性变差。 6.光谱特性: 固体激光器通常是多纵模工作。当要求高能量、单纵模输出时, 需要采取锁纵模、 选纵模措施。锁纵模使激光输出脉宽变窄、峰值功率升高。选纵模使激光输出是 单一的纵模, 即单一的振荡频率。 激光损伤阈值 一.概述 随着高功率激光器及其应用范围的日益扩大,光学薄膜的抗激光损伤性能的重 要性日益突出,以致激光损伤阈值几乎已成为光学薄膜不可缺少的性能指标。由 于光学薄膜的激光损伤阈值是光学元件整体抗激光损伤性能中的瓶颈[1],因而这 一问题的解决对高功率激光器的发展和应用有着十分重要的现实意义。 一个光学元件暴露在强激光辐射下所引起的暂时或永久性改变叫做激光损伤。 最常见的激光损伤是在光学表面涂镀膜膜层的物理性能退化。(如斑痕、侵蚀、 熔化、分层),会导致光学器 件的断裂和褪色。激光损伤会 降低或完全摧毁高功率激光系 统的性能。所以这就需要使用 具有足够高的激光损伤阈值光 学元件来避免。 激光损伤阈值 二.方法 实验室采用一台稳定的重频激光器(具有准“高斯”型或准平顶型的空间分 布,选择采用ND:YAG激光器)发出的激光束先扩束、再经衰减器衰减后,聚 焦于被测试片表面。 He-Ne激光器 CCD YAG laser 偏振片 分光镜 聚焦透镜 样本 computer CCD 激光损伤阈值 在样品表面进行S 对 1测试,也就是选取多个辐照点,每个辐照点进行S次 激光脉冲,并不断加大激光的功率,直至出现损伤。 试验中,选取损伤几率为零时的激光能量密度/功率密度作为样品的激光损 伤阈值。 谢谢。

  

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