典型激光器介绍

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1、典型激光器介绍自第一台固体脉冲红宝石激光器问世后，激光器的研制发展非常迅速。各种工作物质、 运转方式的激光器不断出现。激光器有各种分类方法。如果按工作波段分，可分为红外和远 红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射线激光器。如果按运转方式分， 可分为连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。本章将按激光器工作物质分类，主要讨 论下列几种类型的激光器：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。然后简 单介绍一些具有特殊运行方式且有较好应用前景的激光器。通过这几种激光器的介绍说明前 几章的理论，并为以下的应用章节做必要的准备。1固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为

2、工作物质的激光器。在激光发展史上， 固体激光器是最早实现激光工作的。目前已经实现激光振荡的固体工作物质有百余种，激光 谱线有数千条，但是最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石（Nd3 七YAG）等三种。与其它种类的激光器相比较，固体激光器的特点是：输出能量大（可达数万焦耳），峰值 功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十兆兆瓦），结构紧凑牢固耐用。 因此它在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，例如打孔、焊接、划片、微调、 激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通信等。随着激光 器性能的不断提高，固体激光器的应用范围还在继续

3、扩大。1.1固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图：5 1）是长脉冲固体激光器的基本结构示意图（冷却、滤光系统未画出）。固体激光工作物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工 作物质的物理和光谱性质，这主要是指吸收带，荧光谱线，热导率等。目前研究过的固体工 作物质很多，用它们制作了各种各样的固体激光器，但是最广泛使用的是红宝石激光器、掺 钕钇铝石榴石（YAG）激光器和钕玻璃激光器三种。后两种产生激光的机制是类似的，而 红宝石和YAG激光器从产生激光的机制来讲，分别属于三能级和四能级系统，有一定的 代表性，所

4、以下面只介绍红宝石和YAG激光工作物质。上作物质聚光器图(51)固体激光器的基本结构示意图1.红宝石(Cr3+： A1 0)23红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光 谱特性主要取决于铬离子(Cr3+),如图(52)所示。由图可见，红宝石中的铬离子有两个 强吸收带：峰值位于0.41pm处的紫外带(U带)和峰值位于0.55pm处的黄绿带(Y带)。由于 红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关，所以对于光场的振动方向与晶 体光轴c垂直和平行的两种分量，吸收曲线略有差别。红宝石中的铬离子与激光产生有关的 能级结构如图(53)所示。它属于

5、三能级系统，相应于图63)的简化能级模型，其激 发态E3为4F和4F2能级，激光上、下能级E2和气分别为2E和4A2。它的荧光谱线有两条: 叫线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为0.6943pm和0.6929pm。由于R1线的辐射 强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线 (0. 6943pm)。波长(ftm)图(52)红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出, 输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。红宝石激光器的主要缺点是阈值 高和温度效应非常严重。随着温度的升高，激光波长将

6、向长波长方向移动，荧光谱线变宽,荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。因此，在室温情况下，红宝 石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。图（53） 红宝石中铬离子的能级结构：01盟i2.掺钕钇铝石榴石（Nd3+： YAG）这种工作物质是将一定比例的A12O3、Y2O3,和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶而 成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子（Nd3 +），其吸收光谱如图（54）所示，在紫外、 可见光和红外区内有几个强吸收带。0 8 6 4 2 SI衆fes图（54） Nd3+ YAG晶体的吸收光谱（300K）YAG中Nd3+与激光产生有关的能级结构

7、如图（55）所示。它属于四能级系统。其激 光上能级E3为4F3/2，激光下能级E2为4Ii3/2、4I/2，其荧光谱线波长为1. 35ym、1. 06ym, 419/2相应于基态片。由于1.06pm比1.35pm波长的荧光强约4倍，所以在激光振荡中，将 只产生1. 06pm的激光。1?图（55） Nd3七YAG的能级结构Nd3 + ： YAG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续 和高重复率工作。YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功 率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd3+： YAG的量，远远超过其 它固体工作物质。可以

8、说，Nd3+： YAG从出现至今，大量使用，长盛不衰。1.2固体激光器的泵浦系统由于固体激光工作物质是绝缘晶体，所以一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为 工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应当满足两个基本条件：有很高的发光效率；辐射光的光谱特性应与激光 工作物质的吸收光谱相匹配。氪灯在低电流密度放电时的辐射光谱特性，与YAG的主要泵 浦吸收带相近。因此，连续和小能量（V10焦耳二脉冲YAG激光器多采用氪灯泵浦，其效 率较高。脉冲氙灯在高放电电流密度的情况下，辐射为连续谱，且光谱分量向短波长移动, 有利于红宝石的吸收。故对于红宝石激光器，以及大中功率钕玻璃、YAG脉冲激光器，多 采

9、用高效脉冲氙灯泵浦.图（56）椭圆柱聚光腔由于常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形 状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。图66）所示 的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截 面是一个椭圆。按几何光学成像原理，从椭圆的一个焦点发出的所有光线，经椭圆反射后， 都将聚到另一个焦点上。所以，如果将直管灯和激光棒分别置于椭圆柱聚光腔的两条焦线上， 即可得到较好的聚光效果。固体激光器在工作时，泵浦光谱中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用 的，其它大部分光谱能量被基质材料吸收转化为热量，导致

10、器件的温度升高，在激光棒内产 生不均匀的温度（梯度）分布。这些无功热损耗产生的热效应，对于固体激光器、特别是连续 和高重复率固体激光器来说，是一个严重的问题，它将直接影响工作物质的特性，导致激光 器性能变差，甚至会产生“温度猝灭”所以，固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常 用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。因泵浦光谱与工作物质吸收带不匹配导致的热效应中，危害性最大的是紫外辐射，它在 工作物质中形成色心，使激光器性能劣化。因此，必须在泵浦灯和工作物质之间插入滤光器 件滤去泵浦光中的紫外光谱。1.3固体激光器的输出特性考虑到固体激光器的应用特点，只介绍它的脉冲特性

11、和转换效率。1. 固体激光器的激光脉冲特性脉冲激光器工作在非连续输出的非稳态，其工作过程不能用2.2节中给出的稳态速率 方程描述。一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲（或称尖 峰）组成的，各个短脉冲的持续时间约为（0.11）pm，各短脉冲之间的间隔约为（510）吟泵 浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。第4章中讨论过的调Q技术和锁模技 术能够改变这种特性，产生巨脉冲或超短光脉冲，这里不再重复。2转换效率固体激光器运转时，转换效率低是它的最突出的问题之一。在实际工作中，固体激光器 的转换效率常用总体效率耳t衡量。总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于

12、连续激光器（用功率描述）和脉冲激光器（用能量描述）分别表示为PoutPinVn n n n nV L c ab 1Pcou(5 1)EoutEinn n n n nVL c ab 1cou(5 2)式中P 和P分别为输出和输入功率，E 和E分别为输出和输入能量，P和E分别outinoutinthth为阈值功率和能量，V和V分别为激活离子吸收的光频率和激光频率；n为泵浦灯的电 P21L光转换效率，n为聚光腔的聚光效率，n为激活离子的吸收效率，n为激活离子由激发cab1态E3向激光上能级E2跃迁的量子效率，n 为输出耦合效率。通常，红宝石激光器的总体32cou效率为（0.51）%左右，YAG激光器

13、的总体效率可以做到（12）%，在最好的情况下，可接 近3%。1.4新型固体激光器二十世纪八十年代以来，固体激光器的发展比较快，出现了几种带有方向性的新型固体 激光器，这就是半导体激光器泵浦的固体激光器、可调谐固体激光器和高功率固体激光器。1. 半导体激光器泵浦的固体激光器半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比，其主要优点是：能量转 换效率高。半导体激光器的电光转换效率高达50%，远远高于闪光灯。半导体激光器的光 谱线窄，并且可以通过改变其激活区成分和结构，或改变其工作温度使中心波长和固体工作 物质吸收峰准确地重合。尤其是用半导体激光进行端面泵浦时，泵浦光与固体激光在空间上 还可以

14、很好地匹配。目前，半导体激光器泵浦的总体效率已达闪光灯泵浦固体激光器的四倍 以上。工作时产生的无功热量少，介质温度稳定，可制成全固化器件，消除振动的影响， 激光谱线更窄，频率稳定性更好。寿命长，结构简单，使用方便。半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图（57） （a）所示的端泵浦方式和图（5 7） （b）所示的侧泵浦方式。从固体工作物质来看，有圆柱形和板条状两种。端泵浦方式因半 导体激光模式与固体工作物质中的激光振荡模式匹配良好，所以“泵”与激光器之间的耦合 效率高。这种激光器的阈值低、效率高，但输出功率受到单个激光二极管输出功率的限制。 而利用半导体激光器阵列侧泵浦固体工作物质，虽然效率降

15、低，但在脉冲或连续运转时，都 能获得较高的输出功率。HR反射镜反射器1 棒二槻管阵列图（57）半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意（a）端泵浦方式（b）侧泵浦方式2. 可调谐固体激光器固体激光器实现可调谐，是固体激光器的重大进展。可调谐固体激光器主要有两类, 类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。色心激光器 的阈值低，既可连续工作，又可脉冲工作，很容易实现单模运转，并且光束质量好。特别是 调谐范围可覆盖（0.8 3.9）微米，这是其它可调谐激光器（如染料激光器、半导体激光器）难以 达到的。它在分子光谱学、化学动力学、污染检测、光纤通信、半导体物理等领域内，有重

16、要的应用价值。目前，已经有工作于室温的实用化商品。但是，色心激光器在使用过程中，仍感不太稳定。与此相比，掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器，性能更加优 越。用于固体可调谐激光器的掺过渡族金属离子的激光晶体主要有金绿宝石（Cr： BeAl2O3）、 钆钪镓榴石（Cr： GSGG）、掺钛蓝宝石（Ti： Al2O3）等，其中以钛蓝宝石的进展最突出，是目 前性能最好的固体可调谐激光材料。泵浦光束梅条测视图闪光灯反射器激光器板条图（58）板条形固体激光器结构示意图3. 高功率固体激光器高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体 激光器，它一直是军事应用和激光加

17、工应用所追求的目标。高功率固体激光器的研制有许多 关键技术，其中最重要的是克服固体工作物质中的热效应。从二十世纪七十年代起开始研制 的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、 应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，近几年来，已有了重大的发展，其结构如图（58）所示。它的特点是：面泵浦、面冷却的板条状介质可实现均匀泵浦，折射率梯度不 明显；锯齿光路可补偿热透镜效应；结构对称和正确的线偏振选择可消除热双折射效应。板 条形固体激光器可用于各种固体工作物质，也可以有多种不同的利用板条的光路方案。2气体激光器气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。由于气体

18、激光器是利用气体原子、 分子或离子的分离能级进行工作的，所以它的跃迁谱线及相应的激光波长范围较宽，目前已 观测到的激光谱线不下万余条，遍及紫外到远红外整个光谱区。与其它种类的激光器相比较， 气体激光器的突出优点是输出光束的质量好（单色性、相干性、光束方向和稳定性等）。因此， 在工农业生产、国防和科学研究中都有广泛的应用。2.1氦一氖（He-Ne）激光器He-Ne激光器是在I960年末制成功的第一种气体激光器。由于它具有结构简单、使用 方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。1. He-Ne激光器的结构和激发机理根据激光器放电管和谐振腔反射镜放置方式的不

19、同，He-Ne激光器可以分为内腔式、 外腔式和半内腔式三种，如图（59）所示。对于外腔式和半内腔式结构，在放电管的一端 或两端，通过布儒斯特窗片实现真空密封，以减少损耗，并且保证了激光输出是线偏振光。 He-Ne激光器的工作物质是Ne原子，即激光辐射发生在Ne原子的不同能级之间。He-Ne 激光器放电管中充有一定比例的He气，主要起着提高Ne原子泵浦速率的辅助作用。内腔式图（59） He-Ne激光器的基本结构形式21图(510)是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图(进一步的了解可查有关书籍), Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。由图可见，He原子 的激发能级2

20、1S0、23S分别与Ne原子的3S和2S能级十分接近，因此，当HbNe管内的气 体放电时，He原子与高速电子碰撞，被激发到23S和21S0上，进而，这些激发态He原子 通过共振能量转移过程，将处在基态上的Ne原子激发到2S和3S能级上。当被激发到3S 和2S能级上的Ne原子数足够多时，会在3S、2S能级与3P、2P能级间产生粒子数反转， 通过受激辐射过程即可产生HbNe激光。由该过程跃迁到3P、2P能级上的Ne原子，很容 易通过自发辐射跃迁到1S能级上，再通过与管壁碰撞将能量交与管壁，回到基态。171615厂21 J_共振转移雪鬆_|_l-I 5(2P*45电子碰撞激发2P 12/* 3P)1

21、110UP严201918171651图(510)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图由上述激发过程可见，HbNe激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条， 它们分别与下列跃迁相对应：3S2P 0.6328卩2S2P1. 15卩3S3P3.39卩现在的商用HbNe激光器的主要谱线是0. 6328pm红光，其它还有黄光(0. 594pm)、绿 光(0. 543pm)和橙光(0. 606pm、0. 612pm) He-Ne 激光器商品出售。2. He-Ne激光器的输出特性针对HbNe激光器的应用，这里主要介绍它的谱线竞争与输出功率特性。(1 )谱线竞争在同一个激光器中，可能有多条激光谱线，而有

22、些谱线可能对应同一个激光上能级，因 此在它们之间就存在着对共有能级上粒子数的竞争。其中一条谱线产生振荡以后，用于其它 谱线的反转粒子数减少，将使其它谱线的增益和输出功率降低，甚至完全被抑制。这就是谱 线的竞争效应。He-Ne激光器的三条最强的激光谱线（0. 6328pm, 1. 15pm, 3.39pm）中哪一条谱线起振 完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。由图（510）可见，0. 6328pm和3. 39pm两 条激光谱线具有相同的上能级，因此这两条谱线之间存在着强烈的竞争。由于增益系数与波 长的三次方成正比，显然 3. 39pm谱线的增益系数远大于0. 6328pm谱线。在较长的 0.

23、 6328pm He-Ne激光器中，虽然介质膜反射镜对0. 6328pm波长的光具有较高的反射率， 仍然会产生较强的3. 39pm波长的放大的自发辐射或激光，这将使上能级粒子数减少，从而 导致0. 6328pm激光功率下降。为了获得较强的0. 6328pm的激光输出，需采用色散法、吸 收法或外加磁场法等方法抑制3. 39pm辐射的产生。2 输出功率特性He-Ne激光器的放电电流对输出功率有很大的影响。图（511）是实验测得的输出功 率与放电电流的关系曲线，可以看出，对于每种充气总压强都有一个使输出功率最大的放电 电流，它与气体混合比及总压强有关。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最

24、佳放电电流。由该图可见，在最佳放电电流附近，因放电电流变化引起的输出功率的变化不 大。因此，在实际使用时，对最佳放电电流的要求并不十分严格，这很有利于工作状态的调 整。1020304050放电电流(mA)迴菽卑)爲西耳图（511）输出功率与放电电流的关系曲线He-Ne激光器内充有He气和Ne气，它们的混合比例和总气压都对输出功率有很大的 影响。产生激光的Ne原子比例过小，会使输出功率减小。He的电离电位较低，比例过大, 会因电离过多而使电子离子数目增加，在较低的电场下就能维持一定的放电电流，低电场导 致的电子温度下降使激发速率降低，输出功率随之下降。实验证明，HbNe激光器存在着 最佳混合比和

25、最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。这种最佳条件在制造He-Ne激光器 时必须考虑。若放电毛细管的直径为d充气压强为p,则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。 He-Ne激光器的最佳pd值约为（4. 85. 3）X IO2 Pamm。产生这一现象的原因是：一方 面压强的下降使电子与原子的碰撞减少，从而导致电子温度（平均动能）上升，激发速率升高； 毛细管管径的减小，则使电子和离子的管壁复合加剧，为了维持放电电流不变，必须加大电 场，由此造成的电子温度升高有利于激发。另一方面，pd值过低又会因He、Ne原子数量 过少而使输出功率减少。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。通过受

26、激辐射跃迁到 激光下能级的Ne原子借助自发辐射转移到亚稳态1S能级，然后通过与管壁碰撞释放能量 的途径返回基态。如果管径d增大，原子与管壁碰撞的机会减少，滞留在1S能级的Ne原 子可能吸收自发辐射光子重新返回激光下能级，从而导致反转粒子数的减少。毛细管直径的 选择应综合考虑对输出功率和模式的要求以及增益、衍射损耗对输出功率的影响。2.2二氧化碳激光器二氧化碳（CO2）激光器是以CO2气体分子作为工作物质的气体激光器。其激光波长为 10. 6pm 和 9. 6pm。自1964年第一支CO2激光器研制成功以来，流动型、横向激励型、高气压型、波导型、 气动型等各种CO2激光器相继出现，发展迅速。CO

27、2激光器受到人们重视的主要原因是它具 有很多明显的优点。例如，它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。它的能量转 换效率高达（2025） %，连续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度 可压缩到毫微秒。特别是CO2激光波长正好处于大气窗口，并且对人眼的危害比可见光和 1.06pm红外光要小得多。因此，它被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外 科手术等方面，还可用于激光引发热核反应、激光分离同位素以及激光武器等。1. CO2激光器的结构和激发过程普通的封离式CO2激光器包括腔片架、放电管、电极和电源等几部分。图（512）是 一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐

28、振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上， 最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。全反射镜为凹面镜，输出反射镜一般为平 面镜，采用能透过10. 6pm激光的红外材料制成。通常用的红外材料有两类：一类是碱金属 的卤化物盐，例如，KC1、NaCl、KBr等晶体；另一类是半导体材料，如锗、硅、砷化镓等。出水口图（512）封离式CO2激光器结构示意图1平面反射镜2.阴极3水冷管4储气管5阳极CO2激光器的放电管多采用硬质玻璃制成，小型CO2激光器的放电管孔径一般是48mm,输出功率大的孔径通常在10mm以上。水冷套管放在储气管内部，使得支撑谐振 腔外管的内径很大，既可储存大量气体，又具有很好的机

29、械稳定性。co2激光器中设置的回 气管可以将放电管的阴极和阳极空间连通，保证气体分布均匀，压强平衡。CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图（5 13）所示。由图可见，相应 于10.6pm波长的能级跃迁是（OO01）T （10。0）,相应于9.6pm波长的能级跃迁是（001） t（0200）。CO2激光器的工作气体除CO2气体外，还有适量的辅助气体N2和He等。充入 He气的作用有二：一可加速CO2分子在（00。1）能级的热驰豫速率，有利于激光下能级上的 粒子数抽空；二可利用He气导热系数大的特点，实现有效地传热。充入N2气的作用是提 高co2分子的泵浦速率，为CO2激光器高效运转提

30、供可靠的保证。图（5 13）与产生激光有关的CO2分子能级图当CO2激光器进行气体放电时，一部分高速电子直接碰撞CO2分子，使其由基态跃迁 到激发态（0001）上，另一部分高速电子与n2分子碰撞，使其由基态（V =0）激发到高能态（V =1）上（N2分子的相应能级已表示在图（513）中）。由于N2分子的激发态（V=1）与CO2分 子的(0001)能级非常接近，很容易通过共振能量转移过程将基态CO2分子激励到(0001)能级 上。于是，通过上述两种过程，有效地实现了 CO2分子在(00。1)能级上的粒子数积累，一旦 实现(00。1)与(1000)、(0200)之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，

31、产生10.6pm和9.6pm 两种波长的激光。由CO2分子能级跃迁图可见，10. 6pm和9. 6pm两条谱线有共同的激光上能级(0001), 因此在它们之间将产生强烈的谱线竞争。由于相应于10. 6pm波长的跃迁几率比9. 6pm大， 所以通常CO2激光器的输出激光波长为10. 6pm。2. CO激光器的输出特性2普通CO2激光器在工作时，影响输出功率的主要因素是它的放电特性和温度效应。(1) 放电特性相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流 与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。实验指出，随着管径增加，最佳放电 电流也增加。例如，管径为(2

32、030)mm时，最佳放电电流为(30-50)mA；管径为(5090)mm 时，最佳放电电流为(120150)mA。实验还表明，在维持正常放电的情况下，对于长度和气 压固定的激光器，有一个最佳管压降。例如，1m长的放电管，充气压为10乇时，最佳放电 管压降为(1020)kV。(2) 温度效应前面已经指出，CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40%，这就是说， 将有60%以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上 能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高， 将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引

33、起co2分子的分解， 降低放电管内的co2分子浓度。这些因素都会使激光器的输出下降，甚至产生“温度猝灭”。 因此，冷却问题是CO2激光器正常运转的重要技术问题。2.3 Ar谓子激光器离子激光器是以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的气体激光器。氩离子 (Ar+)激光器是最常见的离子激光器。Ar+激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区， 其中，以0. 4880pm蓝光和0. 5145pm绿光两条谱线最强。Ar+激光器既可以连续工作，又 可以脉冲状态运转。连续功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区 连续输出功率最高的气体激光器。它已广泛应用于全息照相、信息处理、光谱

34、分析及医疗和 工业加工等许多领域。1. Ar+激光器的结构A+激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。迸水口图（5 14）分段石墨结构Ar4激光器示意图1石墨阳极2石墨片3石英环4水冷套5放电毛细管6阴极7保热屏8加热灯丝9布氏窗10.磁场11.贮气瓶12电磁真空充气阀13.镇气瓶14.波纹管15.气压检测器A+激光器最关键的部件是放电毛细管。由于Ar+激光器的工作电流密度高达数百安培/厘米2,放电管壁温度往往在1000C以上，所以放电毛细管必须采用耐高温、导热性能好、 气体消除速率低的材料制作，如石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管等。其中，氧化铍陶瓷 是性能优良的较理想材料，

35、但它有剧毒，影响了应用。目前广泛采用的是高纯致密石墨。由 于石墨是良导体，所以为了维持放电，石墨放电管必须采用分段结构，如图614）所示。 整个结构置于有水冷套的石英管内，两端分别为提供电子发射的阴极和收集电子的石墨阳 极。为了能提供大的发射电流，通常采用间热式钡钨阴极。为了使Ar+激光器稳定工作，Ar+激光器中应设置有回气管。这是因为在大电流密度、 低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，即放电管内的气体会被从一端抽运到另一端，造 成两端气压不均匀，严重时还会造成激光猝灭现象。在放电管外设置回气管后，依靠气体的 扩散作用，即可减小管内气压差。为了提高Ar+激光器的输出功率和寿命，一般都要加一个

36、强度为几百到一千高斯的轴向 磁场，该磁场是由套在放电管外面的螺旋管产生的。实验证明，轴向磁场的加入，可以提高 输出功率1 2倍.2. Ar+激光器的激发机理A+激光器的激活粒子是Ar+,因为Ar+是由氩原子电离产生的，所以A+激光器的激 发过程一般是两步过程：首先通过气体放电，将氩原子电离，然后，再通过放电激励将Ar +激发到激光上能级。此外，在低气压脉冲放电时，还有直接将氩原子激发到Ar+激发态的 一步过程和级联过程。Ar+激光器与激光辐射有关的能级结构如图(515)所示，激光上能级为3P44P，激光 下能级为3P44S。两步激发过程为：气体放电后，放电管中的高速电子与中性氩原子碰撞， 从氩

37、原子中打出一个电子，使之电离，形成处在基态3P5上的氩离子；该基态Ar+再与高速 电子碰撞，被激发到高能态，当激光上下能级间产生粒子数反转时，即可能产生Ar+激光。 由于(3P44P)和(3P44S)能级上有许多不同的电子态，所以Ar+激光输出有丰富的谱线，常见的 谱线波长有 0. 4545pm、0. 4579pm、0. 4658pm、0. 4727pm、0. 4765pm、0. 4880pm、0. 4965pm、 0.5145pm、0. 5287pm。其中，最强的谱线波长是 0. 4880pm 和 0.5145pm。图(515) Ar +勺能级和跃迁3. Ar+激光器的工作持性(1) 多谱线

38、工作Ar+激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流，表5 1列出了 在放电管长为77cm，内径为4mm,气压为0. 26乇，磁场强度为680高斯情况下的实验数 据。可以看出，在各种不同的谱线中，0. 4880pm和0. 5145pm两条谱线的阈值电流最低。 因此，一般情况下，在一个连续Ar+激光器中.这两条谱线最先起振，或者在同时振荡的若 干条谱线中，0. 4880pm和0. 5145pm的激光功率最强。表5-1 Ar+激光器主要谱线的阈值电流波长（m）0. 48800. 51450. 47650. 49650. 50170. 4727阈值电流（A）4.57891214应当指出

39、，在实际工作中，常常需要A+激光器工作于某一条谱线上，为此，在该A+ 激光器中必须有一个选频装置。（2）输出功率与放电电流的关系由于A+激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所 不同，图（516）示出了其间的关系曲线。由该曲线可见，当放电电流较小时，输出功率 与放电电流约成四次方关系。随着放电电流的增大，输出功率逐渐变为与放电电流成平方关 系。这是因为，随着电流密度的增大，使气体的温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电 流增长的速率变慢。图（516）输出功率随放电电流变化的关系曲线3染料激光器1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞化菁（CAP）和花

40、菁类染料， 获得了受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的发展。染料激光器受到人们重视的原因是：输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽 度达上百毫微米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压 缩至飞秒（10-15秒）量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜; 染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。因此，它在光化学、光生物学、光 谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用。3.1染料激光器的激发机理1. 染料分子能级染料激光器的工作物质是有机染料溶液。每个染料分子都由许多原子组成，其能级结构 十分复杂。由于

41、染料分子的运动包括电子运动、组成染料分子的原子间的相对振动和整个染 料分子的转动，所以在染料分子的能级中，对应每个电子能级都有一组振动一转动能级，并 且由于分子碰撞和静电扰动，振动一转动能级被展宽。因此，染料分子能级图是如图（5- 17）所示的准连续态能级结构。在电子能级中，有单态和三重态两类，三重态较相应的单态 能级略低。染料分子能级中，每一个单态（S、S、S2）都对应有一个三重态（T、T2）。 S0是基态，其它能级均为激发态。If1.0n吸收谱线荧光谱践400450500550600彼长Qwi)图（5 17）染料分子能级图2.染料分子的光辐射过程图（5 18）染料的吸收一荧光光谱图如图（5

42、18）所示，在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态S0激发到激发态S S2上，其中S1态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子很快跃迁到S1态的最低 振动能级上，这些分子跃迁到S0态上较高的振动能级时，即发出荧光，同时很快地弛豫到 最低的振动能级上。如果分子在S1和S0之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。由上述激光辐射过程可见：染料分子是一种四能级系统，由于S0的较高振动能级在 室温时粒子数几乎为零，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的阈值很低； 由于染料分子从S1的较高振动能级跃迁到最低振动能级时，要放出部分能量，所以发射的 荧光波长较吸收的泵浦光波长，向长波长方向移动（如图（

43、518）所示）；由于染料分子 能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准连续宽带结构，这既使得染料激光器在大范围 内可调谐，又可获得几十毫微微秒宽度的超短脉冲。3. 染料分子的三重态“陷阱”染料分子与其它工作物质相比，有一个重要的特殊问题三重态“陷阱”效应。如前所述，染料分子的荧光辐射相应于STS0的跃迁。由于三重态-较单态S略低， 所以处在S1中的分子很容易无辐射跃迁到-上。并且因为-与S0之间不允许产生辐射跃 迁，-的寿命较长，约为10-4103秒，所以T1态对于激发分子来说，相当是一个“陷阱” 一方面，T1占有了 S1上的部分分子，减少了 S1对S0的反转粒子数，另一方面，集累在T1 中的

44、大量分子又会吸收光能，由耳跃迁到T2,更严重的是-一 T2吸收带与S1 一 S0的荧光 带有某些重迭，因此，这种吸收将降低s1 一 s0的实际荧光效率，甚至导致荧光猝灭。由此 可见，三重态的“陷阱”作用，对于染料激光器的工作来说，极为不利，必须设法消除。通 常采用的方法是在染料中加入三重态猝灭剂，缩短-的寿命；或者是使染料分子在T1上积 聚之前，就已完成激光振荡，以使三重态的“陷阱”来不及起作用。后面这种方式要求激光 器采用短脉冲泵浦光源。3.2染料激光器的泵浦根据上述染料分子光辐射的特殊性，染料激光器应采用光泵浦。按照运转方式区分，有 脉冲泵浦和连续泵浦；按照泵浦光源区分，有闪光灯泵浦和激光

45、泵浦。这里只介绍脉冲泵浦。脉冲泵浦以泵浦光的足够高的功率和足够快的上升时间，克服三重态的影响，实现激光 器工作。这类器件的特点是输出激光的峰值功率高，器件的转换效率高以及结构简单、操作 方便。1闪光灯脉冲泵浦泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。直管式闪光灯泵浦染料激光器的结构 形式类似于固体激光器。闪光灯泵浦方式的结构简单，价格便宜，但因泵浦光脉冲较宽(一 般为10-410-6秒)，三重态的影响不能完全消除，还须在染料中添加猝灭剂。2. 激光脉冲泵浦能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337pm)，红宝石激 光器(0.6943pm),钕玻璃激光器(1.06pm

46、)，铜蒸气激光器(0.5106pm、0. 5782pm)，准分子 激光器(主要在紫外区)，以及这些激光的二次、三次谐波等。选用泵浦激光的原则是：泵 浦光谱应与染料吸收光谱匹配；泵浦光功率、能量应满足要求；泵浦光脉冲宽度应短， 足以消除三重态的猝灭作用。图(519)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意 图。泵浦激光穿过激光器反射镜照射到染料上，该染料实际是由循环泵形成的染料喷膜，所 产生的受激辐射光在折叠腔内振荡，形成激光输出。图（519）三镜腔染料激光器3.3染料激光器的调谐染料激光器与其它激光器相比较的突出特点是激光波长可调谐。为了实现精确的调谐和 获得较窄的线宽，需要有一个带有波长选

47、择装置的谐振腔。经常采用的波长选择装置有光栅、 棱镜、F-P标准具、双折射滤光片、分布反馈装置、电控调谐元件等。下面介绍几种典型的 调谐系统。1.光栅调谐图（5-20）是一种光栅一反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G1具有扩束和色散作用。G1 的不同波长的一级衍射光相对反射镜r2来说，有不同的入射角。于是，当旋转r2使某一波 长的入射角为零时，该波长光便能低损耗地返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转r2便起到 了调谐作用。图（520）光栅一反射镜调谐腔2. 棱镜调谐图（5-21）是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。 利用棱镜的色散特性，将泵浦光耦合到腔内，并与染料流形成同

48、轴泵浦形式。由于棱镜的色 散作用，一束来自M3、M2的不同波长的光，将有不同的折射方向，当旋转平面反射镜M 使其与某一波长的光垂直时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转M1便实现了调谐作用。为了获得更窄的带宽或精调谐，也可在长支路的平行光束中插入一个或多个FP标准具。图（521）棱镜调谐腔3 双折射滤光片调谐利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的A+激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图（5 22）给出的典型染料激光 器就是利用双折射滤光片进行调谐的。这是一种单纵模环行腔染料激光器，工作物质是以喷 流方式循环工作的染料喷膜，泵浦光源是

49、Ar+激光器；谐振腔是8字形环行腔，可实现单向 行波振荡，消除了空间烧孔效应，提高了振荡效率。双折射滤光片是调谐元件，标准具用以 压缩线宽。这个激光器的典型参数是：环行腔L=1.5米，用若丹明6G作激活介质，染料 喷膜厚20 m,输出镜M的透过率T=6%，用4瓦A+激光泵浦时，可获得500mW的单 频输出，谱宽仅为2MHz。图（522）典型染料激光器原理图液体染料工作物质的能带很宽，这就使它成为锁模激光器所要求的良好的激活介质。七 十年代，人们利用同步泵浦锁模染料激光器获得了 ps量级的光脉冲，后来又利用碰撞锁模 染料激光器及腔外脉冲压缩技术，将光脉冲宽度压缩到6fs。4半导体激光器半导体激光

50、器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结 构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。自1962年问世，特别是二十世纪80 年代以来，发展极为迅速。它是目前光通信领域内使用的最重要光源，并且在CD、VCD、 DVD播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多 方面都获得了重要应用。半导体激光器是注入式的受激光放大器。虽然它形成激光的必要条件与其它激光器相 同，也须满足粒子数反转、谐振等条件，但它的激发机理和前面讨论的几种激光器截然不同。 它的电子跃迁是发生在半导体材料导带中的电子态和价带中的空穴态之间，而不象原子、分 子、离子激光器那样

51、发生在两个确定的能级之间。半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和 自发辐射过程。在电流或光的激励下，半导体价带中的电子可以获得能量，跃迁到导带上， 在价带中形成了一个空穴，这相当于受激吸收过程。此外，价带中的空穴也可被从导带跃迁 下来的电子填补复合。在复合时，电子把大约等于E的能量释放出来，放出一个频率为gV = E /h的光子，这相应于自发辐射或受激辐射。显然，如果在半导体中能够实现粒子 g数反转，使得受激辐射大于受激吸收，就可以实现光放大。进一步，如果谐振腔使光增益大 于光损耗，就可以产生激光。为了理解半导体激光器的工作原理，首先需要了解一些半导体 物理的有关概念。4.1半导体的能带和产生受

52、激辐射的条件在1.2节中已经讲过，原子的能级对应着原子的不同运动状态。实际上固体中原子之间 相距不远，由于原子间的相互作用，能级会分裂。在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 每一个能级会分裂成为N个能级，其相互间能量差小到10QeV数量级。因此这彼此十分接 近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图（5-23）。纯净（本征）半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个 充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图（5-24）。二者之间是禁带，那时半 导体是一个不导电的绝缘体。随着温度的升高，部分电子由于热运动激发到导带中，成为自 由电子。同时价带中少了一个电子

53、，产生一个空穴，相当于一个与电子电量相同的正电荷。 在外电场的作用下，导带中的电子和价带中的空穴都可以运动而导电，二者都称为载流子。能量导悄带）价聊图（5-23）固体的能带图（5-24）本征半导体的能带结构热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被 电子占据的几率为1f （E） =（5 3）nE - Efe kT +1其中k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Ep叫做费米能级。费米能级并非实在的可由电子 F占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反 映电子在半导体内能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带

54、能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级。由（5 3）式可以算出，价带中的电子总是 比导带中多。在温度趋于绝对零度时，导带被电子占据的几率为零。在四价的半导体晶体材料中，掺以五价元素取代四价元素在晶体中的位置，这种掺杂 的半导体叫做N型半导体。若在四价的半导体晶体材料中掺以三价元素，这种掺杂的半导 体叫做P型半导体。N型半导体中，多出来的电子不能参与组成共价键，很容易成为自由电 子，这使得在导带的下方靠近导带的地方形成新的能级，称为施主能级。P型半导体中，由 于三价元素少一个电子，其中一个共价键出现空穴，电子占据价带的几率增大，这使得在价 带的上方靠近价带的地方增加出来新的能级，称为受主能级。

55、杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图 （5-25）给出了温度极低时的情况。受主能级使费米能级向下移动（图（5-25） （b），施主 能级使费米能级向上移动（图（5-25） （d）。重掺杂时费米能级甚至移动到价带（图（5-25） （c）或导带（图（5-25） （e）之中。这里已经假设温度极低，因此重掺杂P型半导体中低 于费米能级的能态都被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴。这种情 况叫做P型简并半导体。反之，重掺杂N型半导体中低于费米能级的能态都被电子填满， 尽管温度极低，导带中也有自由电子。这种情况叫做N型简并半导体。在非平衡条件下还 会

56、出现所谓“双简并半导体”，这时在半导体中存在两个费米能级，如图（5-25） （f）所示（详 见下面的讨论）。轻掺杂卩型重掺杂F型简并2） hv E（54）FFg4.2 P-N结和粒子数反转1. P-N结的双简并能带结构图（5-25ae）的五种情况表明用同一种材料，无论是P型还是N型半导体都只有一个费 米能级，不能产生光放大的条件。那么，把P型和N型半导体制作在一起，也就是在P型 和N型连结处形成一个P-N结，是否可能在结区产生两个费米能级呢？未加电场时，由于电子和空穴的扩散运动，在P-N连结处将产生自建场，并引起漂移 运动。当扩散运动和漂移运动达到平衡时，根据热力学原理，P区和N区的费米能级必

57、然达到同一水平，如图（5-26）。这时在P区和N区分别出现P型简并和N型简并区，P区的价 带顶充满了空穴，而N区的导带底则充满了电子，在结区造成了能带的弯曲。同时，由于 自建场的作用，形成接触电位差VD、高度为eVD的势垒。在PN结上加以正向电压V时，外电场部分抵消自建场的作用，使P-N结的势垒下 降，N区的费米能级相对于P区升高eV。外加电压使得有正向电流产生，这种现象称为“载 流子注入”在这种非平衡状态下，结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能 级E +和E -，称为准费米能级，如图（5-27）。在结区的一个很薄的作用区，同时有大量的FF导带电子和价带空穴，形成双简并能带结构。图

58、（5-26） PN能带图（5-27）正向电压V时形成的双简并能带结构2.粒子数反转外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子。 这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁几率与电子在作用区的平均寿命成反比。产生 受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N区的准费 米能级来计算1/（E ） = （5 5）N 2E-E2 Fe kT +1价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算1f （E ）二P 1EF- Ee kT +1价带顶电子占据几率则为(5 6)E_E-1 Fe kT

59、 +1式中E -、E +分别为N区和P区的准费米能级，E、E1分别为导带底和价带顶的能级, F F21f （E ）和f （E ）分别为导带底和价带顶电子占据的几率。N 2N 1在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是f （E ） f （E ）N 2N 1这就是说，在结区导带底即上能级的电子占据的几率，大于价带顶即下能级的电子占据的几 率，将（5 5）和（5 6）代入该条件并化简得到E - E + E E = E（57）FF21g因此结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是N区和P区的准费米能级之差 大于禁带的宽度。这必须在高掺杂时才能够做到，同时这也是半导体激光器和一般半导体

60、器 件的区别所在。在PN结上加适当大的正向电压V，使eVE- E + E时，结区粒FFg子数发生反转，若能量hv满足（54）式的光子通过结区，就可以实现光的受激辐射。上述计算只是一个粗略分析，严格的数理模型请参阅有关半导体激光器的专著。4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件1.半导体激光器的基本结构和工作原理图（528）示出了 GaAs激光器的结构。它的核心部分是p一n结。p一n结的两个端 面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，该二表面极为光滑，可以直接用作为平行反 射镜面，构成谐振腔。上下电极施加正向电压，使结区产生双简并的能带结构及激光工作电 流。激光可以从一侧解理面输出，也可由两侧输

61、出。5）內芯帖构-蚱宦图（528） GaAs激光器的结构2.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，即谐振腔的双 程光放大倍数大于1,或增益系数满足第二章中给出的(2-36 )式G a In (r r )(2-36)内 2 L 1 2在这里，a是半导体激光器谐振腔的内部损耗，L为晶体两解理面之间的长度，r和r为内12解理面的反射率。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，满足(1-90) 式。结合(1-42)和(1-27)式，可以得到GC )= An - C2A21 f (v )=An - C2f (v )(5-8)8 叩 2V 28 中 2V 21复合式中t 为结区电子的寿命，其倒数等于在、E1能级之间的爱因斯坦自发辐射系数，An 复合21为粒子数反转值。3.半导体激光器的阈值电流半导体激光器作用区的粒子数反转值难于确定，但是可以将它与工作电流I联系起来。在低温下，假设在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡，则有A nLwd I=(5-9)te复合式中w和d分别为晶体的宽度和作用区的厚度。代入(5-8)式得c 2 f (v )G (v) =J(5-10