深圳大学电子科学与技术学院：《激光原理 Principle of Laser》课程教学资源（PPT课件）第一章 激光的基本原理 第三部分 典型激光器简介

典型激光器简介 激光器的组成( Essential elements of a laser) 激光器基本组成包括:工作物质、谐振 腔和泵浦系统三大部分 (A laser medium, suitable optical feedback elements, and a pumping process

典型激光器简介 激光器基本组成包括：工作物质、谐振 腔和泵浦系统三大部分 (A laser medium, suitable optical feedback elements, and a pumping process.) 激光器的组成 (Essential elements of a laser)

1、泵浦系统一粒子搬迁的动力 粒子数的正常分布? 处于低能级上的粒子数在热平衡情况下总是多于高能 级上的粒子数,受激吸收占优势 粒子数的反转分布? 高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数 如何实现粒子数反转? 把大量的粒子从低能级“搬运”到高能级的过程,称 为泵浦或激励;“搬运”粒子的工具一“光泵” 泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量( A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels

•粒子数的正常分布？ •处于低能级上的粒子数在热平衡情况下总是多于高能 级上的粒子数，受激吸收占优势 •粒子数的反转分布？ •高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数 •如何实现粒子数反转？ •把大量的粒子从低能级“搬运”到高能级的过程，称 为泵浦或激励； “搬运”粒子的工具－“光泵” 泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels. ) 1、泵浦系统—粒子搬迁的动力

激励不仅要快,还有强有力 激励作用是通过消耗一定的能量来实现的, 产生受激辐射所需要的最小激励能量称为激 光器的阈值( threshold) 激励方式( Practical laser materials can be pumped in many ways 根据不同激光工作物质的不同而异。如固体 工作物质常用强光照射激励,简称光激励; 气体工作物质吸收光谱多在紫外波段,多采 用气体放电的电子碰撞激励方法

• 激励不仅要快，还有强有力 ⚫ 激励作用是通过消耗一定的能量来实现的， 产生受激辐射所需要的最小激励能量称为激 光器的阈值（threshold） • 激励方式（Practical laser materials can be pumped in many ways.） ⚫ 根据不同激光工作物质的不同而异。如固体 工作物质常用强光照射激励，简称光激励； 气体工作物质吸收光谱多在紫外波段，多采 用气体放电的电子碰撞激励方法

光激励-用光照射工作物质,工作物质吸收光能后 产生粒子数反转,可采用高效率、高强度的发光灯 太阳能和激光 ■放电激励-在放电过程中,气体分子(或原子,离 子)与被电场加速的电子碰撞,吸收电子能量后跃 热能激励--用高温加热方式使高能级上气体粒子数 增加,然后突然降低气体温度,因高、低能级的热 驰豫时简不同,可使粒子数反转 ■化学能激励——利用化学应过程中释放的能量来激 励粒子,建立粒子数反转。为产生化学反应,一般 还需采用一定的引发措施,如采用光引发、电引发 化学引发等方式 ■核能激励——用核裂变反应放出的高能粒子、放射 线或裂变碎片等来激励工作物质,也可实现粒子数 反转

◼ 光激励---用光照射工作物质，工作物质吸收光能后 产生粒子数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、 太阳能和激光 ◼ 放电激励---在放电过程中，气体分子（或原子，离 子）与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃 迁到高能级，形成粒子数反转 ◼ 热能激励---用高温加热方式使高能级上气体粒子数 增加，然后突然降低气体温度，因高、低能级的热 驰豫时间不同，可使粒子数反转 ◼ 化学能激励——利用化学应过程中释放的能量来激 励粒子，建立粒子数反转。为产生化学反应，一般 还需采用一定的引发措施，如采用光引发、电引发、 化学引发等方式 ◼ 核能激励——用核裂变反应放出的高能粒子、放射 线或裂变碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数 反转

2、工作物质—激光产生的内因 激励只是一个外部条件,激光的产生还取决 于合适的工作物质 二能级系统能否实现粒子数反转??? 亚稳态能级:需要一个可以有较长寿命且能 贮存大量粒子的能级,经过不断激发,粒子 数反转就能实现,这样的能级称为“亚稳态 能级” 可能实现粒子数反转分布的系统可归结为三 能级系统和四能级系统

• 激励只是一个外部条件，激光的产生还取决 于合适的工作物质 • 二能级系统能否实现粒子数反转??? ⚫ 亚稳态能级：需要一个可以有较长寿命且能 贮存大量粒子的能级，经过不断激发，粒子 数反转就能实现，这样的能级称为“亚稳态 能级” ⚫ 可能实现粒子数反转分布的系统可归结为三 能级系统和四能级系统 2、工作物质——激光产生的内因

3、谐振腔 谐振腔的作用:模式选择、提供轴向光波模 的反馈 谐振腔是激光器的重要部件,不仅是形成激 光振荡的必要条件,而且还对输出的模式、 功率、光束发散角等均有很大影响 ·谐振腔由全反射镜和部分反射镜(输出反射 镜)组成,激光由部分反射镜输出。根据实 际情况选用稳定腔、非稳腔或临界稳定腔

• 谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模 的反馈 • 谐振腔是激光器的重要部件，不仅是形成激 光振荡的必要条件，而且还对输出的模式、 功率、光束发散角等均有很大影响 • 谐振腔由全反射镜和部分反射镜（输出反射 镜）组成，激光由部分反射镜输出。根据实 际情况选用稳定腔、非稳腔或临界稳定腔 3、谐振腔

激光器的分类 工作物质形态--可以分为气体、固体、半导 体、液体等 工作方式-连续工作( CWor continuous wave lasers)和脉冲工作( Pulsed lasers 激光技术-调Q激光器(Q- switched lasers) 锁模激光器( Mode locked lasers)、倍频激光器 Frequency doubling lasers)、可调谐激光器 Tunable lasers)、单模和多模激光器( Single mode and Multi-mode lasers) -f

▪ 工作物质形态---可以分为气体、固体、半导 体、液体等 ▪ 工作方式---连续工作(CW or continuous wave lasers)和脉冲工作(Pulsed lasers) ▪ 激光技术---调Q激光器(Q-switched lasers)、 锁模激光器(Mode locked lasers)、倍频激光器 (Frequency doubling lasers)、可调谐激光器 (Tunable lasers)、单模和多模激光器(Single￾mode and Multi-mode lasers)等 激光器的分类

气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子 产生激光作用的物质所采用的物质 典型代表 未电离的气体原子 氦、氖、氩、氪、「 He-Ne laser 氙、氧、溴、碘、 原子 氮、硫、碳、铯 镉、铜、锰、锡等 金属原子蒸气 分子未电离的气体分子 CO2、N2、O2、CO、|CO2和N2 N2O和水蒸气等 准分/作气体在常态下为原子,当A、Xe2、XeF、K、ArF 激发时,可暂时形成寿命很短KrF、ArF、XeCr 子|的分子,称为准分子 XeBr、XeQ、KrQ 离子利用电离后气体离子产生激光惰性气体离子和金氩离子(Ar)、氦 作用 属蒸气离子 镉(HeCd)离子激 光器

气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子 产生激光作用的物质 所采用的物质 典型代表 原子 未电离的气体原子 氦、氖、氩、氪、 氙、氧、溴、碘、 氮、硫、碳、铯、 镉、铜、锰、锡等 金属原子蒸气 He-Ne laser 未电离的气体分子 CO2、N2、O2、CO、 N2O 和水蒸气等 分子 CO2和 N2 准 分 子 工作气体在常态下为原子，当 激发时，可暂时形成寿命很短 的分子，称为准分子 Ar2 *、Xe2 *、XeF*、 KrF*、ArF*、XeCl*、 XeBr*、XeQ*、KrQ* 等 KrF*、ArF* 离子 利用电离后气体离子产生激光 作用 惰性气体离子和金 属蒸气离子 氩离子（Ar +）、氦— 镉（He-Cd）离子激 光器

气体激光器的激励方式很多,最普通的激 励方式是气体放电激励。 气体激光器的工作物质种类多,又能采用 多种激励方式,所以覆盖的波段宽,从紫 外到亚毫米波。是目前种类最多、激励方 式最多样化、激光波长分布区域最宽、应 用最广泛的一类激光器

• 气体激光器的激励方式很多，最普通的激 励方式是气体放电激励。 • 气体激光器的工作物质种类多，又能采用 多种激励方式，所以覆盖的波段宽，从紫 外到亚毫米波。是目前种类最多、激励方 式最多样化、激光波长分布区域最宽、应 用最广泛的一类激光器

He-Ne(氦-氖)激光器( Chelium-neon gas laser) 氦一氖气体激光器:原子激光器类,1961年实 现激光输出,多采用连续工作方式,输出功率 与放电毛细管长度有关;输出激光方向性好, (发散角达1mrad以下),单色性好(△ν可小于 20Hz),输出功率和波长能控制得很稳定 HeNe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He-Ne激光器的心脏, 是产生激光的地方,放电管通常由毛细管和贮 气室构成

• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实 现激光输出，多采用连续工作方式，输出功率 与放电毛细管长度有关；输出激光方向性好， （发散角达1mrad以下），单色性好（可小于 20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定 • 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He-Ne激光器的心脏， 是产生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮 气室构成。 He-Ne(氦-氖)激光器(helium-neon gas laser)