2022-2023学年高二物理竞赛课件：激光器的发展历史

激光器的发展历史 内腔式：谐振腔的两端镜焊接在玻璃外壳上，主要用于小功率短腔结构。 特点：使用方便，适合小功率， 输出激光为非偏振。 外腔式：玻璃管两端用布儒斯特窗玻璃封装，谐振腔的两端镜外加，可以独立调节。 特点：输出线偏振光，适合大功率，但需要经常维护。 半内腔式：谐振腔的一个端镜与玻璃壳焊接在一起，而另一个端镜可自由调节。 特点：输出线偏振较好，适合中等功率，维护较容易。 工作物质：氩气 激活粒子：Ar+ 能级结构：四能级 激光发射：4p 4s发射 9条谱线，其中514.5nm(绿色)和488nm(蓝色)两条谱线增益最大,优先起振. 2 离子气体激光器：氩离子激光器 （1）工作原理 3p5 Ar+ 3p44s 3p43d 3p44p 3p44d 3p45s 3p6Ar 泵浦: 低压大电流弧光放电使氩原子电离，离子-离子,离子-电子碰撞而激发. 直接或分步激发. （2）激光管结构 Ar+激光器在低气压和大电流(约为0.4托和15A)的弧光放电条件下工作，所以在结构上有特殊的要求. 放电管: 要求耐高温、传热性能好。 大功率激光器放电管使用氧化铍陶瓷(粉末有毒，加工困难，价格贵)。 中小功率激光器放电管使用分段石墨. 石墨片 回气管： 使放电管气压平衡，有助于激光输出。 石墨片 冷却装置：电源所提供的能量绝大部分是以热的形式耗散在放电管壁上 (功率约为5kW)，必须冷却. 线圈: 提供轴向磁场，其作用是磁约束Ar+在放电管轴心，提高激发效率。 （3）氩离子激光器特点与应用： 是可见光谱中连续输出功率最大的激光器(几瓦150W).蓝绿色激光有特殊应用: 1)大量作为染料激光器的泵浦源。 2)用于信息处理及医学(眼科上用得最多,是焊接视网膜的理想光源。手术时,眼底视网膜能吸收绿光，能迅速形成局部加热,将视网膜上蛋白质变成凝胶状态）。 3)大功率蓝绿激光还能深入海水层,而不被海水吸收,因而可广泛用于水下勘测作业。 （1）工作原理 工作物质：CO2，N2，He 的混合气体，总压强10托。 激活粒子：CO2分子 能级结构： CO2的四能级 3 分子气体激光器：二氧化碳激光器 ——大功率高效率中红外激光器. 18cm-1 0000 0110 1000 0001 0200 CO2 N2 =0 =1 10.61 9.5  碰撞(He) 输出波长：常输出10.61 m 泵浦：主要是N2辉光放电辅助泵浦. （ N2作能量的共振转移， He 通过碰撞冷却激发态的CO2 ，及时抽空激光下能级）,也有电子与CO2碰撞激发,但以共振转移为主. 1托=1毫米汞柱压强=133.3224帕斯卡 7 （2）CO2激光器的种类: 纵向流动CO2激光器，横向流动CO2激光器，封离式CO2激光器，波导CO2激光器。 （3） CO2激光器特点: 效率高（20~25）,功率强（连续功率可达104W，比固体激光器强，但脉冲功率不如固体激光器）, 工作稳定, 单色性好, 波长适用于空间光通信(10.6m正处“大气窗口”中)。 (1)工作原理 工作物质:有机染料(如:若丹明)溶液 泵浦方式：光泵浦 能级结构：染料分子的等效四能级结构 三、液体激光器: 染料激光器 激光 通常为激光激发，把染料分子激发到S1能级,再往S0跃迁. 单重态S1与三重态T1态间存在串跃，但不能产生辐射跃迁. (2) 激光的猝灭 S1S0(激光)的发射能量与T1T2的吸收能量接近，激光可被T1态吸收，这种现象称为激光猝灭。 消除激光猝灭方法：用短脉冲激光快速激发、振荡、输出；或者加入三重态猝灭剂(如氧气)，迅速释放T1态能量返回基态S0。 (3)染料激光器的特点 输出波长可调(范围可达100nm,但不如钛宝石激光器)； 脉宽窄(可达 fs 级,与钛宝石激光器相当); 输出功率大(可与固体激光器比拟); 价格便宜；染料均匀性好。但有污染. 激光 (四)半导体激光器——以半导体材料为工作物质。 泵浦方式：电流注入 图1-26，原子相互影响，使能级表现为能带——导带和价带，热平衡状态下，电子基本处于价带中，导带是空着的，导带和价带之间无能级，称为禁带，图中EF称为费米能级，是全满能级和全空能级的分界面 ，表征电子在能级中填充的情况。 由于电子基本处于价带中，导带是空着的，外来光作用下，受激吸收优于受激辐射，故无法产生激光。 图1-27，非热平衡状态下，部分电子处于价带中，部分电子处于导带，这时，如果有外来光作用，诱导高能态电子往下跃迁，可能使得受激辐射优于受激吸收，产生激光。 但是，这对于常