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激光陶瓷之激光原理基础

已有 8113 次阅读 2008-12-30 12:26 |个人分类:透明陶瓷|系统分类:科研笔记| 激光陶瓷, 激光原理

       这些天一直没时间在自己的博客上写点东西,想想都有点惭愧。这次还是继续科普一下,谈点固体激光的基本原理。

通常的激光器由激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。为了形成稳定的激光,首先必须有能够形成粒子数反转的发光粒子(激活离子)。为激活离子提供寄存场所的材料称为基质,基质和激活离子统称激光工作物质。产生激光的必要条件是实现粒子数反转,而为了实现粒子数反转,就必须有适合激活离子的能级系统。当前研究得最多也最普遍的固体激光器有两种类型的能级结构,即所谓的三能级系统和四能级系统(如图1所示)。

1 固体激光器的三能级和四能级系统示意图

 

三能级系统中,激光下能级就是基态,激活离子吸收了泵浦源的光能之后跃迁到吸收带,然后通过无辐射跃迁过程到达激光发射的上能级。当泵浦光的强度足够大时,激光上下能级之间形成了足够大的粒子数反转,激光波长的光增益足以补偿其损耗时,介质将变成该波长光的增益介质。如果把这种增益介质放到适当的光学谐振腔中,受激辐射的光束多次在增益介质中通过将形成在空间和时间上高度集中的光辐射——激光。三能级系统的典型例子是红宝石Cr3+:Al2O3晶体。四能级系统中,激活离子吸收泵浦光后跃迁到一个位于激光发射上能级之上的吸收带,然后由无辐射跃迁进入激光上能级,以后的过程与三能级系统相同,但是四能级系统中跃迁到激光下能级的离子通过无辐射跃迁回到基态。四能级系统的例子很多,目前在激光技术上应用最多的Nd3+:YAG就是其典型。

       不论是三能级系统还是四能级系统,要使激光材料发射激光,第一步都需要泵浦源给予足够强的激励,使之成为光的增益介质。半导体激光器(LD)泵浦是当前用于激励激光材料的一种高效而又不会产生太多热量的泵浦方法,它不会因为热量的产生而导致激光材料的温升太大,从而较好的保持激光材料在较低温度下的优良性能。图2LD泵浦的固体激光器示意图。

2 激光二极管(LD)泵浦的固体激光器示意图




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