光电子技术15课件.ppt

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可按功率、输出激光连续性状况、泵浦、激光工作物质来分。
按功率分:超大、大、中、小功率激光器
按泵浦方法分:光泵浦、电泵浦激光器
按激光运转方式分:连续、
脉冲
重复频率
准连续
按激光调制方式分:自由运转、调Q、锁模
目前已有数百种激光器,输出波长从近紫外直到远红外,辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。
一)、激光器的分类
按激光工作介质分:
固体激光器
(光纤激光器)
气体激光器
半导体激光器
染料激光器
自由电子激光器
化学组成
原子激光器
分子激光器
离子激光器
自由电子激光器
准分子激光器
He-Ne激光器的结构形式很多,但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。
放电管是氦一氖激光器的心脏,它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)气体,当电极加上高电压后,毛细管中的气体开始放电,受电场加速而获得足够能量的电子与氖原子碰撞时,将氖原子激发到高能态,使氖原子受激,产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连,这里不发生气体放电,它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化,延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。
He-Ne激光器由于增益低,谐振腔一般用平凹腔,平面镜为输出端,透过率约1%~2%,凹面镜为全反射镜。
He—Ne激光器的寿命
He-Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后,它的输出功率会逐渐降低,以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1/e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面:

当放电管密封不严密时,空气中的氮、氢等气体分子会渗透到管内,使放电条件改变并加快氦、氖原子激发态的消失速率,无疑,这将影响器件输出功率。出现慢漏气时,激光器的放电颜色将由正常放电时的橙红色变为紫色(紫色是氮分子辉光放电产生的)。
容易出现慢漏气的地方有:电极与玻璃封接处;谐振腔反射镜或布儒斯特窗与放电管粘合处以及吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔。为防止慢漏气,要提高封接工艺水平并改革现有封接方法。

放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体,如果除气不彻底,以后就会慢慢释放出来。同时激光管清洗得不干净时,污物和洗液也会放出大量杂质气体,这些杂质气体会改变原充气的气体成分,影响输出功率。
为克服放气,要对放电管及其内部元件进行认真清洁处理和除气。此外,在放电管内可放置吸气剂,例如钡钛、钡铝镍等,它们可吸收大量氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧、氢等,但不吸收氦、氖。

阴极在正离子轰击下会产生阴极溅射,溅射出来的金属材料会吸收工作气体,导致管内工作气压降低。同时溅射物质还会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片。
为了减少溅射,要选用不易溅射的金属做电极,并避免表面放电电流密度超过溅射阈值。为防止溅射物吸收造成的工作气压降低,在充气时可略高于最佳总气压。
、吸收和渗透
放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面,或吸收到金属和玻璃内部,甚至还会透过管壁渗透到大气中去。氖的电离电位比氦低,它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直径比氖小,它渗出管外的能力比氖强。
由于这些原因,管内的总气压和氦、氖气压比会慢慢变化,使之偏离最佳工作状态,造成输出功率下降。
为防止氦气渗出,要选用渗氦低的材料做放电管。为防止氦气渗出造成气压比降低,充气时充入的气压可高于最佳气压比。还可以采用三层套管,即在放电管外再加一层氦气补偿套管,管内充入的氦气,气压应高于放电管内的气压。

溅射沉积在反射镜上或放电管内未加清除掉的污物挥发后会沉积到反射镜上,促使其反射率下降。为防止反射镜污染,除认真清洁内部和减少溅射外,设计He-Ne激光器时,应注意反射镜到阴极的距离要大于3cm。
目前He-Ne激光器最长的寿命可达10万小时。
(3).分子气体激光器
1)工作物质:中性气体分子,如CO2激光器:
C02激光器以C02、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率,He则有助于激光下能级的抽空。
2)谐振腔:C02激光器的谐振腔大多采用平凹腔。高反射镜可用金属制成,也可在玻璃表面镀以金膜。输出端可采用小孔耦合方式或由可透过红外光的Ge、GaAs等材料制成输出窗。
3)泵浦源:直流放电
输出功率大,且近似与管子长度成正比:1m长的管子可输出100W(连续)的功率
能量转换效率高:可达30%
输出波长()正好处于大气窗口。
因此广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。
(4)准分子激光器:
准分子:稀有气体被激发后,性质发生变化,易与
其他原子结合形成分子,这样形成的分
子称为准分子,准分子在激发态很稳定,
而在基态不稳定,会立即被分解。
工作物质:稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体
准分子跃迁到基态后立即解离,这意味着激光下能级总是空的,只要激发态存在分子,就处于集居数反转状态。由于激光下能级不是某个确定的振动-转动能级,跃迁是宽带的,因此准分子激光器可以调谐运转。
准分子激光器中常加入He、Ne或Ar等缓冲气体,其作用是使电子温度下降,以便碰撞时产生更多的激发态粒子(如Kr*),而不产生过多的离子。与缓冲气体分子的碰撞还可促使高振动能级的准分子向低振动能级弛豫.
2)谐振腔:类似于分子气体激光器
输出波段:波长短,从可见光到紫外波段
3)泵浦源:
准分子激光器普遍采用电子束或快速放电泵浦。
准分子激光器脉冲输出能量可达百焦耳量级,峰值功率达千兆瓦以上,平均功率可大于200W,重复频率高达1KHz.
能量转换效率较高:可达1%
在光化学、同位素分离、医学、生物学、光电子及微电子工业等方面获得了广泛应用。

1)工作物质:具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体,里面掺入具有发射激光能力的金属离子。
能实现激光振荡的固体工作物质多达数百种,激光谱线多达数千条。红宝石、Nd3+:YAG、钕玻璃是三种最常用的工作物质。
有脉冲输出激光器和连续输出激光器。
主要优点:能量大、峰值功率高、体积小、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。
2)谐振腔:
3)泵浦源:
光泵浦:最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯(灯内充入疝、氪等惰性气体)、金属蒸气灯(灯内充入***、钠、饵等金属蒸气)、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器、日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。