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一文带你了解气体、固体、半导体激光器

2019-8-4 17:23| 发布者: gkket| 查看: 1| 评论: 0|原作者: gkket

摘要: 导读:激光器分类方法很多。按工作物质可分为气体、液体、固体和半导体激光器。 气体激光器 气体激光器的工作物质是气体,其中有各种惰性气体原子、金属蒸气、各种双原子和多原子气体,以及气体离子等。 气体激光器 ...
导读:激光器分类方法很多。按工作物质可分为气体、液体、固体和半导体激光器。

气体激光器

气体激光器的工作物质是气体,其中有各种惰性气体原子、金属蒸气、各种双原子和多原子气体,以及气体离子等。

气体激光器通常是利用激光管中的气体放电过程来进行激励的。光学共振腔一般由一个平面镜和一个球面镜构成,球面的半径要比腔长大一些,如下图所示。

平凹腔

氮氖激光器是应用最广泛的气体激光器,其结构形式如下图所示。它分内腔式和外腔式。

氦氖激光器结构示意图

在放电管内充有一定气压和一定氦氖混合比的气体。共振腔长l要满足
 
式中,N—一任意整数。

氦氖激光器有许多振荡谱线,主要振荡波长是6 328 A(最强,呈橘红色),1 1523 A和33 913 A(红外光)。它的发光机理是:在激光管内充入按比例的几个毫米水柱压力的氮氖混合气,形成低压放电管,在阳极与阴极之间加几kV高压,使之产生辉光放电,产生大量的动能很高的自由电子去碰击氮原子,氦原子被激发到2S能级和2*3S能级。氦的2*3和2*3S能级是亚稳态,它的粒子数积累增加。由于氦的2S能级与氖的3S能级、氦的2*3能级与氖的2S能级接近,氦原子与氖原子碰撞后,氦原子回基态,而氖原子被激发到2S和3S能级(亚稳态),并且很快地积累增加。氖的2P和3P是激发态,粒子数比较少,但在2S与2P之间,3S与3P和2P之间建立了粒子数反转分布。在入射光子的作用下,氖原子在2S、3S与2P、3P之间产生受激辐射。然后以自发辐射的形式,从2P和3P能级回到1S能级,再通过与管壁碰撞形式释放能量(即产生管壁效应),回到基态,如下图所示。


图 发光机理示意图

从以上分析可以看出,氦(He)原子只起了能量传递作用,产生受激辐射的是氖(Ne)原子。它的能量小,转换效率低,输出功率一般为mW级。

二氧化碳(C02)激光器是典型的分子气体激光器,如下图所示。它的工作物质是CO2气体,常加入氮、氨及一些其他辅助气体。最常用的激光波长是10.6μm的红外光。CO2激光器的能量转换效率很高,可达百分之十几到30%。它的输出功率大,可有几十到上万瓦。因此它可用于打孔、焊接、通信等方面。


  图 二氣化碳激光器


固体激光器

固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃,最常用的是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)和钇铝石梅石(掺钕)。

固体激光器的常用激励方式是光激励(简称光泵),也就是用强光去照射工作物质(一般为棒状,在光学共振腔中,它的轴线与两个反光镜相垂直),使它激发起来,从而发出激光。为了有效地利用泵灯(用脉冲氙灯、氪弧灯、汞弧灯、碘钨灯等各种灯作为光泵源的简称)的光能,常采用各种聚光腔,如下图所示。

图 常用各种聚光腔

如果工作物质和泵灯一起放在共振腔内,则腔内壁应镀上高反射率的金属薄层,使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上。

红宝石激光器是世界上第一台成功运转的激光器,它发出的是红色的波长为6943 A的激光。但在常温下,它只能脉冲运转,而且效率较低。

钕玻璃激光器的效率比红宝石激光器要高,它发出1.06μm的红外激光。钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件,通常只能脉冲运转。钇铝石榴石激光器是目前性能最好的固体激光器之一,能连续运转,连续输出功率可超过1 kW。它发出的激光波长是1.06μm的红外光。下图示出了固体激光器的一般结构。

固体激光器的一般结构

半导体激光器

半导体激光器最明显的特点是体积小、质量轻、结构紧凑。一般气体和固体激光器的长度至少几厘米,长的达几米以上。但半导体激光器本身却只有针孔那么大,它的长度还不到1 mm,将它装在一个晶体管模样的外壳内,或在它的两面安上电极,质量可以不超过2 g,因此用起来十分方便。它可以做成小型激光通信机,或做成装在飞机上的激光测距仪,或装在人造卫星和宇宙飞船上作为精密跟踪和导航用激光雷达。

半导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料,如砷化镓等。其中砷化镓应用最广,常常将它做成二极管。当把适当大的电流(如每cm2面积上通过上万A脉冲电流)通过P-N结时,就会发出激光。这种激励方式称为注人式电流激励。砷化镓激光器的共振腔也十分巧妙,它是利用这种晶体的两个自然解理面而形成的。它们本身十分平滑,而且彼此平行,无需再外加反射镜,如下图所示。



砷化镓激光器的谐振腔

半导体激光器效率很高,但是它也有一些缺点,如激光方向性比较差,输出功率比较小,受环境温度影响比较大等。

路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

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