授教案 第六章发光器件 第六章发光器件 §6-1气体激光器 一、概述 [气体激光器 按工作物质分类固体激光器 半导体激光器等 连续工作微光器 激光器{按工作方式分类 脉冲工作激光器 紫外光激光器 按光波长分类可见光激光器 红外光激光器 原7汽体光值整 气体激光器离子气体激光器：利用气体分子或原子的离子能级间跃迁产生激光 分子气体激光器 1.气体激光器 工作物质：气体或金属蒸汽 泵浦方式：通常采用气体放电泵浦，也可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等 2.固体激光器 工作物质：绝缘晶体或玻璃 系浦方式：光泵浦激励 3.半导体激光器 工作物质：半导体 泵浦方式：电流注入 特点：体积小、寿命长、输出功率大、效率高 应用：激光通信、光存储、光陀螺、激光打印和测距、激光雷达 二、氨氖激光器 1.结构
授课教案 第六章 发光器件 第六章 发光器件 §6-1 气体激光器 一、概述 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 红外光激光器 可见光激光器 紫外光激光器 按光波长分类 脉冲工作激光器 连续工作激光器 按工作方式分类 半导体激光器等 固体激光器 气体激光器 按工作物质分类 激光器 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ 分子气体激光器 离子气体激光器：利用气体分子或原子的离子能级间跃迁产生激光 金属原子蒸汽 惰性气体原子 原子气体激光器 气体激光器 1. 气体激光器 工作物质：气体或金属蒸汽 泵浦方式：通常采用气体放电泵浦，也可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等 2. 固体激光器 工作物质：绝缘晶体或玻璃 泵浦方式：光泵浦激励 3. 半导体激光器 工作物质：半导体 泵浦方式：电流注入 特点：体积小、寿命长、输出功率大、效率高 应用：激光通信、光存储、光陀螺、激光打印和测距、激光雷达 二、氦氖激光器 1. 结构 1
授课教案 第六章发光器件 全反射镜阳极 阴极 半反射镜 毛细管 套管 贴镜管 图6.1内腔式氨氖激光器结构图 放电管：由套管、毛细管和贴镜管组成，材料常用硬质玻璃或石英玻璃。 电极：由阴极和阳极组成。 反射镜：由全反射镜（反射率>99%）和半反半透镜（反射率≈98%）组成。 2.发光机理 共振能 He e 转移 21s 35 3.39um3 23S, 2S 32.8nm .15m 自发辐射 11So 图6.2He原子和Ne原子的能级示意图 [3S2→2P,=0.6328m 发射波长2S2→2P,2=11524m 3S2→3P,2=3.39m 3.放电参量对输出功率的影响 (1)放电电流 输出功率并不随放电电流增加而单调上升，存在一最佳放电电流1m, 其数值与放电毛细管内径d之比约为一常数
授课教案 第六章 发光器件 图 6.1 内腔式氦氖激光器结构图 放电管：由套管、毛细管和贴镜管组成，材料常用硬质玻璃或石英玻璃。 电极：由阴极和阳极组成。 反射镜：由全反射镜（反射率>99％）和半反半透镜（反射率≈98％）组成。 2. 发光机理 图 6.2 He 原子和 Ne 原子的能级示意图 ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ =→ =→ =→ m39.3,33 m152.1,22 m6328.0,23 2 34 2 24 2 14 μλ μλ λ μ PS PS PS 发射波长 3. 放电参量对输出功率的影响 （1）放电电流 输出功率并不随放电电流增加而单调上升，存在一最佳放电电流Im， 其数值与放电毛细管内径d之比约为一常数。 2
授教案 第六章发光器件 PP-626.66Pa 112P 66.66 功 20 10 200P 1020 放电电流 50 图6.3输出功率与放电电流的关系 (2)总气压 也存在一个最佳总气压，压强值与毛细管内径的乘积为常数。 pd=400-480(Pa:mm) d<3mm pd=533(Pa-mm) d>4mm (3)氢与氖分压比 通常取HeNe=5:1 输↑mM 输mw) 出功 出功 He:Ne-5:1 He-Ne=5:1 总气压 分压比 0.511.52253P×133P 0P市 (a)输出功率与总气压的关系 (b)输出功率与氯氖分压比的关系 图6.4氨氖激光器管内压强对输出功率的影响 4.激光器输出功率 P&=4.77H6x101 (6.1) 最佳透过率：T。=G6-6
授课教案 第六章 发光器件 图 6.3 输出功率与放电电流的关系 （2）总气压 也存在一个最佳总气压，压强值与毛细管内径 d 的乘积为常数。 pd=400~480(Pa·mm) d<3mm pd=533(Pa·mm) d>4mm (3) 氦与氖分压比 通常取 He—Ne=5：1 (a) 输出功率与总气压的关系 (b) 输出功率与氦氖分压比的关系 图 6.4 氦氖激光器管内压强对输出功率的影响 4. 激光器输出功率 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + × − 1 2 106 4.7 4 2 Td l TdP δ 总＝ （6.1） 最佳透过率： m GT −= δδ 3
授课教案 第六章发光器件 最大输出功率：Pm=1G-V时 相1 输出 0% 1.7% 3.5% 5%10%透过率 图6.5氢氖激光器输出功率与透过率关系曲线 三、二氧化碳激光器 特点：输出功率大、能量转换效率高，输出波长10.6m,处于大气窗口 应用：激光加工、医疗、大气通信及军事领域 1.工作原理 001 1.06m 100 020 碰撞 碰撞 010 000 V3 图6.6CO2和N2分子基态电子能级的几个与激光产生有关的振动能级 2.工作特性 (1)量子效率 7=微光辐射能量_加 (6.2) 微动能京 (2)辅助气体对输出功率的影响
授课教案 第六章 发光器件 最大输出功率： [ ]2 max 出 s GIP −= δ 图 6.5 氦氖激光器输出功率与透过率关系曲线 三、二氧化碳激光器 特点：输出功率大、能量转换效率高，输出波长 10.6 μm，处于大气窗口 应用：激光加工、医疗、大气通信及军事领域 1. 工作原理 图 6.6 CO2和N2分子基态电子能级的几个与激光产生有关的振动能级 2. 工作特性 （1）量子效率 E2 hv ＝ 激励能量 激光辐射能量 η = （6.2） （2）辅助气体对输出功率的影响 4
授误教案 第六章发光器件 C02:Ne:He:Xe:H=l:(1.5-2):(6-8):0.5:0.1 总气体与放电管内径关系：pd-266(Pamm) (3)温度的影响 501 P(W) 40 30 20 r(c) -60-40-20020406080100 图6.7C02激光器输出功率与管壁温度的关系曲线 (4)激光器寿命 激光器寿命：输出功率减弱为初始值的1所对应的时间。 四、氩离子激光器 特点：是目前可见光区域输出功率最强的激光光源（连续工作时功率可达 100mW左右)。 应用：全息照相、激光光谱学、非线性光学等领域。 联跃迁 3P44P 亚稳态 3P44S 3P5 A碰撞电离 Ar+基态 图6.8A离子能级图
授课教案 第六章 发光器件 CO2：Ne：He：Xe：H2=1：(1.5~2) ：(6~8) ：0.5：0.1 总气体与放电管内径关系：pd=266(Pa·mm) (3) 温度的影响 图 6.7 CO2激光器输出功率与管壁温度的关系曲线 （4）激光器寿命 激光器寿命：输出功率减弱为初始值的 1/e 所对应的时间。 四、氩离子激光器 特点：是目前可见光区域输出功率最强的激光光源（连续工作时功率可达 100mW 左右）。 应用：全息照相、激光光谱学、非线性光学等领域。 图 6.8 Ar3+离子能级图 5