1、,光电子技术Photoelectronic Technique 1.4 典型激光器及其应用主讲：周自刚 助教：范宗学,2,1、激光器应用,工业加工，测量，快速成型，准直，光刻，光盘通讯半导体激光器，放大器航天测距军事雷达，制导，测距，制盲医学手术刀，眼科，皮肤科，结石，血管，光镊科研,3,工业,4,工业,5,工业,6,工业,7,工业,8,医学,9,航天,10,军事,测距，敌我识别，通信，制导,11,科研,12,科研,13,2、激光器分类,激光工作介质固体激光器(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,激光运转
2、方式连续脉冲单脉冲重复频率准连续,激光调制方式自由运转调Q锁模,14,3、常见激光器,1 CO2激光器2 He-Ne激光器3 Ar离子激光器4 准分子激光器5 染料激光器6 自由电子激光器,15,（1） CO2激光器,属于气体激光器，分子激光器波长 911um，最常见10.6um效率高光束质量好功率范围大（几瓦几万瓦）运行方式多样结构多样,16,CO2激光器工作原理,17,CO2激光器的激发机理,上能级的激发下能级的激发弛豫过程辅助气体N2 CO He Xe H2 H2O,18,CO2激光器类型,封离型纵向激励CO2激光器高功率轴快流CO2激光器高功率横流CO2激光器横向激励高气压CO2激光器
3、（TEA）波导CO2激光器,19,CO2激光器运行方式,20,（2）He-Ne激光器,气体原子激光器输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以632.8nm为最常见。功率在mW级，最大1W光束质量好，发散角可小于1mrad单色性好，带宽可小于20Hz稳定性高,21,He-Ne激光器工作原理,能级图,22,He-Ne激光器工作特性,谱线竞争（3.39um谱线的抑制）输出功率的稳定性稳频输出,23,（3） Ar离子激光器,24,Ar离子激光器工作原理,25,Ar离子激光器工作特性和结构,26,（4） 准分子激光器,准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子（Excimer）高重复率可
4、调谐量子效率高波长短，紫外到可见区,主要的准分子激光器,27,准分子激光器工作原理,跃迁过程泵浦要求电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理,28,（5） 染料激光器,以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器波长可调谐，调谐范围宽光谱分辨率高结构简单价格便宜稳定性差,29,染料激光器的工作原理,30,染料激光器的工作方式,脉冲染料激光器闪光泵浦激光器泵浦连续染料激光器波长调谐光栅棱镜FP双折射滤光片,31,（6） 自由电子激光器,真空中自由电子通过与泵浦场（周期磁场或电磁场）相互作用产生激光。高功率（MW）高效率（理论上50）宽波长调谐范围（原则上从微波到X射线）,32,自由电子激光组成及类型
5、,组成高能电子加速器摆动器光学谐振腔类型磁韧致辐射自由电子激光器康普顿型自由电子激光器拉曼型自由电子激光器切伦科夫辐射自由电子激光器,33,（7） 半导体激光器,34,半导体激光器的基本结构和工作原理,GaAs激光器的结构,半导体激光器工作的阈值条件,激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件,增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质,35,（8） 光纤激光器,36,1.光纤通信对半导体激光器光源的要求,1）体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。,1）法布里珀罗（FP）激光器,2.作为通信光源的半导体激光器,2
6、）光发射端机的工作原理,光发射端机框图,2）分布反馈（DFB）半导体激光器,3）分布反馈半导体激光器（DFB-LD）加电吸收型（EA）外调制器的集成光源,37,一、光纤激光器的基本原理及其特点,1、基本原理：以纵向泵浦的光纤激光器的结构为例，如图9-5所示,图光纤激光器原理示意图,2、特点：以纵向泵浦的光纤激光器的结构为例，如图所示,二、光纤激光器的分类及其应用,1、稀土类掺杂光纤激光器,2、光纤受激拉曼散射激光器,3、光纤光栅激光器,38,1.脉冲宽度极短,1fs=10-15秒(电子绕原子核半周的时间),微观世界超快过程的研究 物理 化学 生物学,飞秒激光概念,（9） 飞秒激光器,39,2.
7、峰值功率极高,10121015W,10181021W/cm2 ( E=1011V/cm 氢原子库仑场5109V/cm ）,极端物理条件 光压 1091012bars 磁场 109高斯 加速度 1021g(1022m/s2) 温度 108,聚焦,飞秒激光概念,40,飞秒激光性能,A、是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍,B、具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。,C、能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。,41,振荡器输出参数：平均功率 ： 3
8、40mW重复频率 ： 74MHz单脉冲能量 ： 4.6nJ光谱宽度 ： 60nm脉冲宽度 ： 20fs,42,飞秒激光,产生,超快科学（探测某些超快物理过程） 物理 化学 生物学,超快技术 电子学（光电取样） 光通讯 成像 共焦显微 OCT,放大,超快超强科学（创造一个极端物理条件） 飞秒等离子体 强场下电子相对论运动 Schanneling相对论自聚焦 千兆巴激光压力 尾场等离子体波,未来新突破,未来新突破,飞秒相干x射线及x激光 （高次谐波，汤姆逊效应） x光显微术、印刷术、照相 激光热核聚变快速点火 激光粒子加速器 THz毫米波技术 云层放电,超高速计算机 超高速光通讯 生物技术（合成生
9、物分子） 医学（OCT） 微加工技术,飞秒激光应用,43,在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域应用。,应用,第一 能“ 征服老天爷” 由于飞秒激光可以击穿大气，所以可用来制造放电通道，实现人工引雷，可避免飞机、火箭、发电厂等因雷击而造成的意外灾难性破坏。,第二 能使“ 设备袖珍化”一方面， 利用飞秒激光能够有效地加速电子， 使规模庞大的加速器设备小型化另一方面， 在超精细微加工、高密度信息记录方面也为人类开辟了广阔的应用前景，制造超小卫星等。,第三 能“ 开辟新能源” 高功率飞秒激光与物质相互作用时， 能够产生足够数量的中子，实现激光控制核聚变的快速点火，为人类实现新一代能源开发开辟了新途径。,第四 能“ 超常探微化” 由于它具有快速、高分辨率的特性， 医学上， 在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗等方面都有着不可替代的作用。,44,当前还有哪些激光器，其基本原理和应用有哪些？请至少举出3种激光器。,思考题,
