第三章典型激光器

1、第三章第三章 典型激光器典型激光器任課教師：左青卉任課教師：左青卉光電子技術(shù)基礎光電子技術(shù)基礎第三章第三章 典型激光器典型激光器（1 1）按工作波段分類）按工作波段分類遠紅外、紅外激光器；可見光激光器；紫外、真空紫外激光器；遠紅外、紅外激光器；可見光激光器；紫外、真空紫外激光器；X光激光器；光激光器；（2 2）按運轉(zhuǎn)方式分類）按運轉(zhuǎn)方式分類連續(xù)激光器；脈沖激光器；超短脈沖激光器；連續(xù)激光器；脈沖激光器；超短脈沖激光器；（3 3）按工作物質(zhì)分類）按工作物質(zhì)分類固體激光器；氣體激光器；染料激光器；半導體激光器；固體激光器；氣體激光器；染料激光器；半導體激光器；激光器分類激光器分類第三章第三章 典型

2、激光器典型激光器激光器分類激光器分類固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器基本結(jié)構(gòu)固體激光器基本結(jié)構(gòu)由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的圖圖3-1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖3.1 固體激光器固體激光器圖圖3-2 長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。 紅寶石激光器紅寶石激光器化學表示式為化學表示式為Cr3+: Al203，激活離子是，激活離子是Cr3+，基質(zhì)是，基質(zhì)是A12O3晶體晶體(剛玉剛玉)；紅

3、寶石屬六方晶系，是無色透明的負單軸晶體。紅寶石是在紅寶石屬六方晶系，是無色透明的負單軸晶體。紅寶石是在Al2O3中摻中摻入適量的入適量的Cr3+，使，使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。摻入而成。摻入Cr2O3的最佳量一般的最佳量一般在在0.05%(重量比重量比)左右。左右。 3.1 固體激光器固體激光器激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)- -紅寶石晶體紅寶石晶體紅寶石的光譜特性主要取決于紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+。原子。原子Cr的外層的外層電子組態(tài)為電子組態(tài)為3d54s1，摻入，摻入Al2O3后失去外層三個電子后失去外層三個電子成為成為Cr3+，Cr3+的最外層電子組態(tài)為的最外層電子組

4、態(tài)為3d3。紅寶石的。紅寶石的光譜特性就是光譜特性就是Cr3+的的3d殼層上三個電子發(fā)生躍遷的殼層上三個電子發(fā)生躍遷的結(jié)果。結(jié)果。Cr3+在很強的晶格場作用下，呈現(xiàn)出復雜的在很強的晶格場作用下，呈現(xiàn)出復雜的能級分裂和重新組成的情況。通過實驗和理論分析，能級分裂和重新組成的情況。通過實驗和理論分析，已確定紅寶石中已確定紅寶石中Cr3+的工作能級屬的工作能級屬三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)。3.1 固體激光器固體激光器紅寶石激光器紅寶石激光器圖圖3-3 紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)360nm510nm694.3nm693.4nm如圖如圖3-3所示，所示，4A2是基態(tài)又是激光下能級，其簡并

5、度是基態(tài)又是激光下能級，其簡并度g1=4，2E是亞穩(wěn)態(tài)，它是是亞穩(wěn)態(tài)，它是由能量差為由能量差為29cm-1的的2A和和E二能級組成，其簡并度都為二能級組成，其簡并度都為2。4F1和和4F2是兩個吸收是兩個吸收能帶。紅寶石有兩條強熒光譜線能帶。紅寶石有兩條強熒光譜線(R1和和R2線線)，室溫下對應的中心波長分別為，室溫下對應的中心波長分別為694.3nm和和693.4nm。通常紅寶石激光器中只有。通常紅寶石激光器中只有 694.3nm線才能形成激光輸出。線才能形成激光輸出。紅寶石的吸收光譜如圖紅寶石的吸收光譜如圖3-4所示。由所示。由4A2向向4F1躍遷吸收紫藍光，峰值波長躍遷吸收紫藍光，峰值波

6、長在在0.36um附近，稱為紫外帶或附近，稱為紫外帶或U帶。帶。由由4A2向向4F2躍遷吸收黃綠光，峰值波躍遷吸收黃綠光，峰值波長在長在0.51m附近，稱為黃綠帶或附近，稱為黃綠帶或Y帶。這是兩個很強很寬的吸收譜帶，帶。這是兩個很強很寬的吸收譜帶，吸收帶寬均約吸收帶寬均約0.1um左右。左右。圖圖3-4 紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的吸收光譜3.1 固體激光器固體激光器紅寶石激光器紅寶石激光器由于紅寶石晶體的各向異性，它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。在入射光由于紅寶石晶體的各向異性，它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。在入射光的振動方向與晶體光軸的振動方向與晶體光軸C相垂直或平行這兩種情

7、況下，其吸收曲線略有差相垂直或平行這兩種情況下，其吸收曲線略有差別，見圖別，見圖3-4。3.1 固體激光器固體激光器紅寶石激光器紅寶石激光器機械強度高，能承受很高的激光功率密度；容易生長成較大尺寸；亞穩(wěn)態(tài)機械強度高，能承受很高的激光功率密度；容易生長成較大尺寸；亞穩(wěn)態(tài)壽命長，儲能大，可得到大能量輸出；熒光譜線較寬，容易獲得大能量的壽命長，儲能大，可得到大能量輸出；熒光譜線較寬，容易獲得大能量的單模輸出；低溫性能良好，可得到連續(xù)輸出；紅寶石激光器輸出的紅光單模輸出；低溫性能良好，可得到連續(xù)輸出；紅寶石激光器輸出的紅光(694.3nm)，不僅能為人眼可見，而且很容易被探測接收，不僅能為人眼可見，而

8、且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應靈敏度較高元件和照相乳膠對紅光的感應靈敏度較高)。缺點缺點閾值高閾值高( (因是三能級因是三能級) )和性能易隨溫度變化。和性能易隨溫度變化。優(yōu)點優(yōu)點Nd3+:YAG的激活離子為的激活離子為Nd3+，基質(zhì)是，基質(zhì)是YAG晶體晶體(釔鋁石榴石晶體釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12)。Nd3+部分取代部分取代YAG中的中的Y3+即成為即成為Nd3+:YAG。一般含。一般含Nd3+量為量為1%原子比，原子比，此時此時Nd3+的密度為的密度為1.381020cm-3，顏色為淡紫色。實際制備時是將一定比，顏色為淡紫色。實際制備時是將一

9、定比例的例的A1203、Y2O3和和Nd2O3在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶屬立方晶系，是各向同性晶體。系，是各向同性晶體。摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd3+：YAG) 3.1 固體激光器固體激光器激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)- -摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石能級結(jié)構(gòu)能級結(jié)構(gòu)摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd3+：YAG) 3.1 固體激光器固體激光器屬于四能級系統(tǒng)。激光上能級是屬于四能級系統(tǒng)。激光上能級是4F3/2，激光，激光下能級為下能級為4I11/2，基態(tài)為，基態(tài)為4I9/2，其主要吸收峰，其主要吸收峰為為0.81 m和和0.75 m ， 4F3

10、/2 是一個亞穩(wěn)態(tài)。是一個亞穩(wěn)態(tài)。1.06 m比比1.35 m的熒光約強四倍，的熒光約強四倍，1.06 m的譜線先起振，進而抑制的譜線先起振，進而抑制1.35 m譜線起振譜線起振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生激光器通常只產(chǎn)生1.06 m激激光。只有采取選頻措施，才能實現(xiàn)光。只有采取選頻措施，才能實現(xiàn)1.35 m波波長的激光振蕩。長的激光振蕩。圖圖3-5 Nd3:YAG 的能級結(jié)構(gòu)的能級結(jié)構(gòu)4F5/24F7/20.81 m0.87m0.75m摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子(Nd(Nd3 3) )，其吸收光譜如圖，其吸收光譜如圖(3-6)(

11、3-6)所示。所示。圖圖3-6 Nd3:YAG 晶體的吸收光譜晶體的吸收光譜摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd3+：YAG) 3.1 固體激光器固體激光器釹玻璃是在光學玻璃中摻入適量的釹玻璃是在光學玻璃中摻入適量的NdNd2 2O O3 3制成的。最佳摻入制成的。最佳摻入NdNd2 2O O3 3量量為為1%-5%1%-5%重量比。對應重量比。對應3%3%的摻入量的摻入量,Nd,Nd3+3+的濃度為的濃度為3 310102020/cm/cm3 3。NdNd3+3+在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。玻璃的制備工藝比較成熟，易獲得良爭好的光學均勻性

12、玻璃的制備工藝比較成熟，易獲得良爭好的光學均勻性, ,玻璃的形狀玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達1-2m1-2m，直徑，直徑30-30-100mm100mm，可用來制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾，可用來制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維，用于集成光路中的光放大或振蕩。微米的玻璃纖維，用于集成光路中的光放大或振蕩。釹玻璃最大的缺點是導熱率太低，熱脹系數(shù)太大，因此不適于作連續(xù)釹玻璃最大的缺點是導熱率太低，熱脹系數(shù)太大，因此不適于作連續(xù)器件和高頻運轉(zhuǎn)的器件，且在應用時要特別注意防止自身破壞。器件和高頻運轉(zhuǎn)

13、的器件，且在應用時要特別注意防止自身破壞。3.1 固體激光器固體激光器釹玻璃激光器釹玻璃激光器E4:含三個吸收帶含三個吸收帶(抽運能帶抽運能帶) 2/52G2/92F2/74F(中心波長中心波長5900A)(中心波長中心波長7500A)(中心波長中心波長8000A)E3:三條激光譜線公共的激光上能級三條激光譜線公共的激光上能級 2/34FE2: 含二條激光譜線的二個激光下能級含二條激光譜線的二個激光下能級(四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)), 即即2/314I2/34F2/314I( ，對應，對應1.4m譜線）譜線）2/114I( ，對應，對應1.06m譜線）譜線）2/34F2/114I圖圖3-7 3-7

14、 釹玻璃的能級結(jié)構(gòu)和躍遷光譜釹玻璃的能級結(jié)構(gòu)和躍遷光譜 E1:基態(tài)基態(tài)，一條激光譜線的激光下能級一條激光譜線的激光下能級(三能級三能級系統(tǒng)系統(tǒng)): ( ( 對應對應0.90.9mm譜線譜線) )2/94I2/34F2/94I3.1 固體激光器固體激光器釹玻璃激光器釹玻璃激光器 躍遷譜線躍遷譜線: : 1.06m:1.06m:四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng), , 躍遷幾率大躍遷幾率大, , 通?？捎^察到通?？捎^察到; ; 1.4m: 1.4m: 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng), , 躍遷幾率較小躍遷幾率較小, , 不一定可觀察到不一定可觀察到; ; 0.9m:0.9m:三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng), , 難實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)難

15、實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), , 一般不出現(xiàn)一般不出現(xiàn). .釹玻璃激光器采用四能級系統(tǒng)，發(fā)射的波長是釹玻璃激光器采用四能級系統(tǒng)，發(fā)射的波長是1.06m。3.1 固體激光器固體激光器釹玻璃激光器釹玻璃激光器3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu)由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成。由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成。放電管是氦一氖激光器的心臟，是產(chǎn)生激光的地方。放電管通常由毛細管和貯放電管是氦一氖激光器的心臟，是產(chǎn)生激光的地方。放電管通常由毛細管和貯氣室構(gòu)成。放電管中充入一定比例的氦（氣室構(gòu)成。放電管中

16、充入一定比例的氦（He）、氖（）、氖（Ne）氣體，當電極加上）氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室與毛細管相連，這里不發(fā)生氣體放電，它的作用是補償因慢漏氣及管內(nèi)元件放與毛細管相連，這里不發(fā)生氣體放電，它的作用是補償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成氣或吸附氣體造成He，Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。放電管一般是用放電管一般是用GG17玻璃制成。輸出功率和波長要求穩(wěn)定性好的器件可用熱玻璃制成。輸出功率和波長要求穩(wěn)定性好

17、的器件可用熱脹系數(shù)小的石英玻璃制作。激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射脹系數(shù)小的石英玻璃制作。激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，率高和濺射率小的鋁及其合金制成。為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器3.2 氣體激光器氣體激光器3.2 氣體激光器氣體激光器圖圖3-8 He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式激

18、光器的基本結(jié)構(gòu)形式 He-Ne激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。，凹面鏡為全反射鏡。He-Ne激光管的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，按諧激光管的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。 氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器優(yōu)點是使用時不必進行調(diào)整，非常方便，陰極與毛細管同軸放置，其結(jié)優(yōu)點是使用時不必進行調(diào)整，非常方便，陰極與毛細管同軸放置，其結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。構(gòu)緊湊、不易碎裂，安

19、裝方便。 缺點是在工作過程中放電管受熱變形缺點是在工作過程中放電管受熱變形時，諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。時，諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長，其熱穩(wěn)定性越差，所以內(nèi)腔式激光管的長度一般不超過一激光管越長，其熱穩(wěn)定性越差，所以內(nèi)腔式激光管的長度一般不超過一米。而且當諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無米。而且當諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無法清除。并且由于陰極放在放電管內(nèi)，陰極濺射物質(zhì)易污染窗片，使用法清除。并且由于陰極放在放電管內(nèi)，陰極濺射物質(zhì)易污染窗片，使用壽命低，同時由于陰極大量發(fā)

20、射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，使同軸式激光管壽命低，同時由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，使同軸式激光管功率的穩(wěn)定性不如旁軸式。功率的穩(wěn)定性不如旁軸式。內(nèi)腔式內(nèi)腔式He-Ne激光器激光器3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器優(yōu)點是這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離，優(yōu)點是這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離，可增加儲氣量可增加儲氣量。同時同時濺射物質(zhì)不易污染窗片，所以壽命比同軸式長，放電管的熱變形對諧振腔濺射物質(zhì)不易污染窗片，所以壽命比同軸式長，放電管的熱變形對諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長期使用中能保持穩(wěn)定輸出。影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長期使用

21、中能保持穩(wěn)定輸出。放電放電管的兩端貼有布儒斯特窗片，還可使激光得到線偏振的激光輸出。缺點是管的兩端貼有布儒斯特窗片，還可使激光得到線偏振的激光輸出。缺點是由于反射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方由于反射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方便，體積大，安裝便，體積大，安裝使用不方便，易破碎。使用不方便，易破碎。外腔式外腔式He-Ne激光器激光器3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器的工作氣體是激光器的工作氣體是He和和Ne，其中產(chǎn)生激，其中產(chǎn)生激光躍遷的是光躍遷的是Ne氣。氣。Ne原子有原子有10個電子，基態(tài)個

22、電子，基態(tài)1S0 (電子分布為電子分布為1S22S22P6)。激發(fā)態(tài)為。激發(fā)態(tài)為1S、2S、3S、2P、3P等，它們對應的外層電子組態(tài)分別為等，它們對應的外層電子組態(tài)分別為2P53s、2P54s、2P55s、2P53P、2P54P。He是輔助是輔助氣體，用以提高氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。如圖原子的泵浦速率。如圖3-9所所示，示，He原子有兩個電子，沒激發(fā)時這兩個原子都原子有兩個電子，沒激發(fā)時這兩個原子都分布在分布在1S0殼層上，殼層上，He原子處于基態(tài)。當原子處于基態(tài)。當He原子原子受激時，使其中一個電子從受激時，使其中一個電子從1S激發(fā)到激發(fā)到2S，He原子原子成為激發(fā)態(tài)。成為激發(fā)態(tài)

23、。 He原子有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級，分別原子有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級，分別記為記為23S1、21S0。圖圖3-9 與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的Ne原子原子的部分能級圖的部分能級圖氦和氖原子的能級圖氦和氖原子的能級圖3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器在在He-Ne激光器中，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過程如下：激光器中，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過程如下：第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級圖可見，第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級圖可見，He原子的原子的21S0、23S1態(tài)分別與態(tài)分別與Ne原子原子的的3S、2S態(tài)靠得很近，二者很容易進行能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，態(tài)靠得很近，二者很容易進行能量轉(zhuǎn)移，并且

24、轉(zhuǎn)移幾率很高，可達可達95%，其轉(zhuǎn)移過程如下：，其轉(zhuǎn)移過程如下：He-Ne激光器的激發(fā)過程激光器的激發(fā)過程3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過程第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過程中，基態(tài)中，基態(tài)Ne原子與具有一定動能的電子進行原子與具有一定動能的電子進行非彈性碰撞，直接被激發(fā)到非彈性碰撞，直接被激發(fā)到2S和和3S態(tài)，與共態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過程激發(fā)的速率要小得多。振轉(zhuǎn)移相比，這種過程激發(fā)的速率要小得多。 第三是串級躍遷，第三是串級躍遷，Ne與電子碰撞被激發(fā)到與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S

25、和和3S態(tài)，與前態(tài)，與前述兩過程相比，此過程貢獻最小。述兩過程相比，此過程貢獻最小。圖圖3-9 與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的Ne原子原子的部分能級圖的部分能級圖3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器的激發(fā)過程激光器的激發(fā)過程根據(jù)能量躍遷選擇定則，根據(jù)能量躍遷選擇定則，Ne原子可以產(chǎn)生很多條譜線，其中原子可以產(chǎn)生很多條譜線，其中最強最強的譜線的譜線有三條，即有三條，即0.6328 m 、3.39 m和和1.15 m ，對應躍遷能級分別為，對應躍遷能級分別為3S22P4，3S23P4和和2S22P4。2P和和3P態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而態(tài)，不能直接向

26、基態(tài)躍遷，而向向1S態(tài)躍遷很快。態(tài)躍遷很快。lS態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。這回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么就是為什么HeNe激光器中要有一根內(nèi)徑較細的放電管的原因。激光器中要有一根內(nèi)徑較細的放電管的原因。從能級圖可見，從能級圖可見，HeNe激光器是典型的四能級系統(tǒng)。激光器是典型的四能級系統(tǒng)。3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器的輸出特性激光器的輸出特性 譜線競爭譜線競爭: He-Ne激光器

27、三條強的激光譜線：激光器三條強的激光譜線：3S2P 0.6328 m ， 2S2P 1.15 m ， 3S3P 3.39 m 中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。0.6328um和和3.39umm兩條激光譜線有共同的激光上能級兩條激光譜線有共同的激光上能級3S,而后者增益系而后者增益系數(shù)比較高，如果不進行抑制數(shù)比較高，如果不進行抑制,則則3.39um的輻射在腔內(nèi)振蕩過程中將消耗大的輻射在腔內(nèi)振蕩過程中將消耗大量的量的3S2態(tài)原子。抑制態(tài)原子。抑制3.39um輻射的辦法主要有輻射的辦法主要有:選用對選用對3.39um的光

28、具有低反射率的諧振腔反射鏡，使的光具有低反射率的諧振腔反射鏡，使3.39um達不到閾達不到閾值條件，如下圖所示值條件，如下圖所示,在腔內(nèi)加色散棱鏡，將兩譜線分開在腔內(nèi)加色散棱鏡，將兩譜線分開,通過調(diào)整諧振腔通過調(diào)整諧振腔反射鏡的位置，只允許反射鏡的位置，只允許0.6328um的輻射起振，而使的輻射起振，而使3.39um輻射偏離出諧輻射偏離出諧振腔外；振腔外；腔內(nèi)放置甲烷吸收盒，因為甲烷對腔內(nèi)放置甲烷吸收盒，因為甲烷對3.39um的光具有強吸收而對的光具有強吸收而對0.6328um的光透明，因此可用甲烷抑制的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um振蕩振蕩;3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(H

29、e-Ne)激光器激光器外加非均勻磁場也能抑制外加非均勻磁場也能抑制3.39um振蕩。根據(jù)塞曼效應，磁場可引振蕩。根據(jù)塞曼效應，磁場可引起譜線分裂，分裂的大小與磁場強度成正比。如果激光管內(nèi)磁場分起譜線分裂，分裂的大小與磁場強度成正比。如果激光管內(nèi)磁場分布不均勻，則各處譜線分裂程度不同并連成一片，相當于譜線變寬。布不均勻，則各處譜線分裂程度不同并連成一片，相當于譜線變寬。300高斯非均勻磁場中，兩譜線加寬均約高斯非均勻磁場中，兩譜線加寬均約900MHz，0.6328umm原譜原譜線半寬度約線半寬度約1500MHz，非均勻磁場對它展寬的比例不大。但，非均勻磁場對它展寬的比例不大。但3.39um原譜線

30、寬只有原譜線寬只有300MHz左右左右,非均勻磁場的加寬比它大幾倍。由于增非均勻磁場的加寬比它大幾倍。由于增益系數(shù)反比于線寬，所以外加非均勻磁場后，益系數(shù)反比于線寬，所以外加非均勻磁場后，3.39um的增益系數(shù)急的增益系數(shù)急劇下降，而劇下降，而0.6328m的增益系數(shù)卻下降很少。結(jié)果提高了的增益系數(shù)卻下降很少。結(jié)果提高了0.63281um的競爭能力，的競爭能力，3.39um則被抑制。外加非均勻磁場的裝置則被抑制。外加非均勻磁場的裝置如上圖所示如上圖所示,沿放電管軸向放置許多小磁鐵，相鄰的極性相同沿放電管軸向放置許多小磁鐵，相鄰的極性相同,這樣這樣就可在放電管軸線上形成非均勻磁場。就可在放電管軸

31、線上形成非均勻磁場。3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器(2) He-Ne激光器的放電電流對輸出功率影響很大。激光器的放電電流對輸出功率影響很大。圖圖3-10 輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線 圖圖3-10表示輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線。表示輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線。曲線表明曲線表明:在氣壓比為定值時，每個總氣壓都存在氣壓比為定值時，每個總氣壓都存在一個輸出最大的放電電流，其大小隨著總氣壓在一個輸出最大的放電電流，其大小隨著總氣壓的升高而降低的升高而降低,這是因為氣壓升高，只需要較小這是因為氣壓升高，只需要較小的放電電流就能得到相同的電

32、子密度。的放電電流就能得到相同的電子密度。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流叫最佳放電電流3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器 He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條件。件。實驗發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為實驗發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為71時是最佳分壓比。而總壓強在時是最佳分壓比。而總壓強在100Pa400Pa。選用選用He氣作輔助氣體的原因氣作輔助氣體的原因:Ne原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級原子不能直接被電子碰

33、撞激發(fā)到激光上能級 ；He*與與Ne*能級極相近能級極相近, 易發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移易發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移 。若放電毛細管的直徑為若放電毛細管的直徑為d，充氣壓強為，充氣壓強為p，則存在一個使輸，則存在一個使輸出功率最大的最佳出功率最大的最佳pd值。值。在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細管直徑在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細管直徑d成反比。成反比。 3.2 氣體激光器氣體激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器CO2激光器的主要特點是輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出波激光器的主要特點是輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出波(10.6um) ，廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應

34、用。廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應用。 CO2激光器以激光器以CO2、N2和和He的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在CO2分子的電子基態(tài)的兩分子的電子基態(tài)的兩個振動個振動-轉(zhuǎn)動能級之間。轉(zhuǎn)動能級之間。N2的作用是提高激光上能級的激勵效率，有助于激的作用是提高激光上能級的激勵效率，有助于激光下能級的抽空。光下能級的抽空。二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 氣體激光器氣體激光器CO2激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)圖圖3-11 封離式封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)成構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最激光器諧振腔

35、的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 氣體激光器氣體激光器圖圖3-12 與產(chǎn)生激光有關(guān)的與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖分子能級圖CO2激光器中激光器中,通過以下三個過程將通過以下三個過程將CO2分子分子激發(fā)到激發(fā)到0001能級能級1.直接電子碰撞直接電子碰撞電子與基態(tài)電子與基態(tài)(0000)CO2分子碰撞使其激發(fā)到激分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級。這一過程可表示為光上能級。這一過程可表示為 CO2(0000)+e CO2(0001)+eCO2激光器的激發(fā)過程激光器的激發(fā)過程

36、 2.級聯(lián)躍遷級聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到分子碰撞使其躍遷到000n能級能級,基態(tài)基態(tài)CO2分子與高分子與高能級能級CO2分子碰撞后躍遷到激光上能級分子碰撞后躍遷到激光上能級,此過程可表示為此過程可表示為: CO2(0000)+CO2(000n)CO2(0001)+CO2(000n-1)二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 氣體激光器氣體激光器3.共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移由于由于N2分子分子(v=0)能級和電子碰撞后躍遷到能級和電子碰撞后躍遷到v=1的振動能級。這是一個壽的振動能級。這是一個壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級，因而可積累較多的命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)

37、分子，基態(tài)CO2分子與亞穩(wěn)分子與亞穩(wěn)態(tài)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級。這一過程可表示為分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級。這一過程可表示為 CO2(0000)+N2(v=1)CO2(0001)+N2(v=0)由于由于CO2分子分子0001能級與能級與N2分子分子v=1能級十分接近能級十分接近,能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外外,N2分子的分子的v=24能級與能級與CO2分子分子00020004也十分接近也十分接近,相互間也能發(fā)生共相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移振轉(zhuǎn)移,處于處于00020004的的CO2分子與基態(tài)分子與基態(tài)CO2分子碰撞可將它激勵至分子碰撞可將它激勵至0001能級

38、。能級。在以上三種激發(fā)途徑中在以上三種激發(fā)途徑中,共振轉(zhuǎn)移的幾率最大共振轉(zhuǎn)移的幾率最大,作用也最為顯著。作用也最為顯著。二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 氣體激光器氣體激光器CO2分子激光躍遷下能級的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。分子激光躍遷下能級的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。一旦實現(xiàn)了一旦實現(xiàn)了(0001)與與 (1000)、 (0200) 之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過受激輻射，產(chǎn)生通過受激輻射，產(chǎn)生: 00011000躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生10.6um波長的激光波長的激光光光00010200躍遷產(chǎn)生躍遷產(chǎn)生9.6um波長的激光。波長的激光。由于以上躍遷具有同一上能級由于以

39、上躍遷具有同一上能級,而且而且00011000躍遷的幾率大得多躍遷的幾率大得多,所以所以C02激光器通常只輸出激光器通常只輸出10.6m激光。若要得到激光。若要得到9.6um的激光的激光振蕩振蕩,則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制則必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制10.6um激光振蕩。激光振蕩。二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 氣體激光器氣體激光器CO2激光器的輸出特性激光器的輸出特性 相應于相應于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2激光器的最激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。佳放電電流與放電管

40、的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。 實驗指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。實驗指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。 例如：管徑為例如：管徑為 2030mm 時，最佳放電電流為時，最佳放電電流為3050mA 管徑為管徑為5090mm 時，最佳放電電流為時，最佳放電電流為120150mA(1) (1) 放電特性放電特性 二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 氣體激光器氣體激光器CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過40，這就是說，將這就是說，將有有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱

41、能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。特數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分分子濃度。子濃度。 (2) (2) 溫度效應溫度效應 二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 氣體激光器氣體激光器Ar+離子激光器離子激光器Ar激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu) 由放電管、諧振腔、

42、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。圖圖3-13 分段石墨結(jié)構(gòu)分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示意圖激光器示意圖3.2 氣體激光器氣體激光器Ar+激光器的激活粒子是激光器的激活粒子是Ar+， Ar+激光器的激光器的激發(fā)過程分兩步進行：通過氣體放電，將激發(fā)過程分兩步進行：通過氣體放電，將氬原子氬原子Ar電離；再通過放電激勵將電離；再通過放電激勵將Ar+激激發(fā)到激光上能級。發(fā)到激光上能級。中性中性Ar原子在放電過程中，與快速電子碰撞原子在放電過程中，與快速電子碰撞后電離，形成處在基態(tài)后電離，形成處在基態(tài)P5上的上的Ar+離子。該離子。該基態(tài)基態(tài)Ar+離子再與高速電

43、子碰撞，被激發(fā)到離子再與高速電子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)。當激光上下能級間生產(chǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能態(tài)。當激光上下能級間生產(chǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時，即可生產(chǎn)激光。其中激光上能級為時，即可生產(chǎn)激光。其中激光上能級為3P44P1，激光下能級為，激光下能級為3P44S1，最強發(fā)射譜，最強發(fā)射譜線位于線位于528.7nm和和514.5nm。圖圖3-14 產(chǎn)生激光有關(guān)的產(chǎn)生激光有關(guān)的Ar+的能級結(jié)構(gòu)圖的能級結(jié)構(gòu)圖Ar激光器的激發(fā)機理激光器的激發(fā)機理Ar+離子激光器離子激光器3.2 氣體激光器氣體激光器激光躍遷上能級激光躍遷上能級(3P44P )粒子的積聚主要通過三種途徑實現(xiàn)粒子的積聚主要通過三種途徑實現(xiàn):(1)基態(tài)基態(tài)Ar+

44、與電子碰撞后直接躍遷到與電子碰撞后直接躍遷到3P44P 能級能級;(2)基態(tài)基態(tài)Ar+與電子碰撞后躍遷至高于與電子碰撞后躍遷至高于3P44P 的其他能級，再通過級聯(lián)輻的其他能級，再通過級聯(lián)輻射躍遷至射躍遷至3P44P 能級能級;(3)基態(tài)基態(tài)Ar+和電子碰撞躍遷至低于和電子碰撞躍遷至低于3P44P 的亞穩(wěn)態(tài)能級后再次與電子碰的亞穩(wěn)態(tài)能級后再次與電子碰撞并躍遷至撞并躍遷至3P44P 能級。能級。由于由于Ar原子的電離能量原子的電離能量(15eV)和激光躍遷上能級的激發(fā)能量和激光躍遷上能級的激發(fā)能量(20eV)較高較高,正常運轉(zhuǎn)所要求的平均電子動能正常運轉(zhuǎn)所要求的平均電子動能(電子溫度電子溫度)很

45、高。為了提高電子溫度，氬離很高。為了提高電子溫度，氬離子激光器中的充氣壓強一般在子激光器中的充氣壓強一般在150Pa以下。但低壓強又意味著以下。但低壓強又意味著Ar原子密度原子密度小，為了提高電離和激發(fā)速率，必須增加放電管內(nèi)的電子密度。小，為了提高電離和激發(fā)速率，必須增加放電管內(nèi)的電子密度。Ar+離子激光器離子激光器3.2 氣體激光器氣體激光器Ar激光器的工作持性激光器的工作持性 (1)多譜線工作多譜線工作 激光躍遷發(fā)生在激光躍遷發(fā)生在Ar+的電子組態(tài)的電子組態(tài)3P44P和和3P44S之間。前者的壽命約為之間。前者的壽命約為10-8s，后者通過自發(fā)輻射迅速消激發(fā)，其壽命約為后者通過自發(fā)輻射迅速

46、消激發(fā)，其壽命約為10-9s。由于。由于3p44P和和3P44S電子組電子組態(tài)均對應若干子能級，所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生態(tài)均對應若干子能級，所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生9條藍綠激光譜條藍綠激光譜線線,對應每條譜線都有一個閾值電流對應每條譜線都有一個閾值電流 。其中以。其中以488nm和和514.5nm譜線最強。在譜線最強。在諧振腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件，可以獲得單譜線激光。諧振腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件，可以獲得單譜線激光。Ar+離子激光器離子激光器3.2 氣體激光器氣體激光器(2)輸出功率與放電電流的關(guān)系輸出功率與放電電流的關(guān)系 由于由于Ar+激光器特殊的激發(fā)機制，激光器特殊的激發(fā)機制

47、，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同，圖與其它激光器有所不同，圖5-15示示出了其間的關(guān)系曲線。出了其間的關(guān)系曲線。 圖圖3-15 Ar+激光器輸出功率隨放電電流變化曲線激光器輸出功率隨放電電流變化曲線放電電流較小時輸出功率與放電電流成四次方的關(guān)系，隨著放電電流放電電流較小時輸出功率與放電電流成四次方的關(guān)系，隨著放電電流的增大，輸出功率與放電電流成平方的關(guān)系。這是因為，隨著電流密的增大，輸出功率與放電電流成平方的關(guān)系。這是因為，隨著電流密度的增大，使氣體溫度升高，激光譜線變寬，因而其增益隨電流增長度的增大，使氣體溫度升高，激光譜線變寬，因而其增益隨

48、電流增長的速度變慢。的速度變慢。Ar+離子激光器離子激光器3.2 氣體激光器氣體激光器 3.3 染料激光器染料激光器染料激光器采用溶于適當溶劑中的有機染染料激光器采用溶于適當溶劑中的有機染料作激光工作物質(zhì)，用作激光工作物質(zhì)的料作激光工作物質(zhì)，用作激光工作物質(zhì)的染料是包含共輒雙鍵的有機化合物。染料是包含共輒雙鍵的有機化合物。染料激光器染料激光器染料激光器激光工作物質(zhì)染料激光器激光工作物質(zhì) 染料分子能級的特征可用染料分子能級的特征可用“自由電子自由電子”模型說明。模型說明。復雜的染料大分子中分布著電子云，電子云中的復雜的染料大分子中分布著電子云，電子云中的2n個電子與勢阱中的自由電子相似。當分子處

49、于基態(tài)個電子與勢阱中的自由電子相似。當分子處于基態(tài)時，時，2n個電子填滿個電子填滿n個最低能級個最低能級,，個能級為兩個自，個能級為兩個自旋相反的電子所占據(jù)，總自旋量子數(shù)為零旋相反的電子所占據(jù)，總自旋量子數(shù)為零,形成單形成單重態(tài)重態(tài)S0。當分子處于激發(fā)態(tài)時，電子云中有一個電。當分子處于激發(fā)態(tài)時，電子云中有一個電子處于較高能級。若此電子自旋方向不變，則總自子處于較高能級。若此電子自旋方向不變，則總自旋量子數(shù)仍為零，形成旋量子數(shù)仍為零，形成S1、S2等單重激發(fā)態(tài)。若此等單重激發(fā)態(tài)。若此電子自旋反轉(zhuǎn)，則形成電子自旋反轉(zhuǎn)，則形成T1、T2等三重態(tài)。等三重態(tài)。圖圖3-16 染料分子能級圖染料分子能級圖

50、3.3 染料激光器染料激光器染料分子的能級染料分子的能級由選擇定則可知，單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍遷是由選擇定則可知，單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍遷是禁戒的。每一個電子態(tài)都有一組振動禁戒的。每一個電子態(tài)都有一組振動-轉(zhuǎn)動能級。轉(zhuǎn)動能級。電子態(tài)之間的能量間隔為電子態(tài)之間的能量間隔為106m-1量級，同一電子量級，同一電子態(tài)相鄰振動能級間的能量間隔為態(tài)相鄰振動能級間的能量間隔為105m-1，而轉(zhuǎn)動，而轉(zhuǎn)動子能級間的能量間隔僅為子能級間的能量間隔僅為103m-1量級。實際上由量級。實際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動引起于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動引起的加寬，使得振動、轉(zhuǎn)動能級幾乎相連。因

51、此每的加寬，使得振動、轉(zhuǎn)動能級幾乎相連。因此每個電子態(tài)實際上對應一個準連續(xù)能帶。個電子態(tài)實際上對應一個準連續(xù)能帶。圖圖3-16 染料分子能級圖染料分子能級圖 3.3 染料激光器染料激光器染料分子的能級染料分子的能級染料分子的光輻射過程染料分子的光輻射過程 染料分子吸收了泵浦光能量由基態(tài)染料分子吸收了泵浦光能量由基態(tài)S0躍遷到躍遷到S1的某一振轉(zhuǎn)能級后，在和溶劑分子頻繁的碰撞的某一振轉(zhuǎn)能級后，在和溶劑分子頻繁的碰撞中迅速地將能量傳遞給溶劑分子并躍遷至中迅速地將能量傳遞給溶劑分子并躍遷至S1的的最低振轉(zhuǎn)能級。染料分子由此能級躍遷至最低振轉(zhuǎn)能級。染料分子由此能級躍遷至S0的的各振動能級時產(chǎn)生熒光。躍

52、遷至各振動能級時產(chǎn)生熒光。躍遷至S0的較高振轉(zhuǎn)的較高振轉(zhuǎn)能級的染料分子迅速通過無輻射躍遷過程返回能級的染料分子迅速通過無輻射躍遷過程返回S0的最低能級。由此可知，在的最低能級。由此可知，在S1最低振轉(zhuǎn)能級最低振轉(zhuǎn)能級和和S0的較高振轉(zhuǎn)能級間極易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分的較高振轉(zhuǎn)能級間極易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，產(chǎn)生激光。由于布狀態(tài)，產(chǎn)生激光。由于S0和和S1都是準連續(xù)帶，都是準連續(xù)帶，吸收和熒光發(fā)射譜都是連續(xù)的，所以染料激光吸收和熒光發(fā)射譜都是連續(xù)的，所以染料激光器有很寬的調(diào)諧范圍。器有很寬的調(diào)諧范圍。 3.3 染料激光器染料激光器圖圖3-16 染料分子能級圖染料分子能級圖染料分子的三重態(tài)染料分子的三

53、重態(tài)“陷阱陷阱” S1態(tài)分子還可通過碰撞容易地向態(tài)分子還可通過碰撞容易地向T1態(tài)躍遷，這一態(tài)躍遷，這一過程稱作系際竄越，其速率一般為過程稱作系際竄越，其速率一般為10-2ns-l左右，左右，雖然這一速率較雖然這一速率較S1態(tài)的自發(fā)輻射速率態(tài)的自發(fā)輻射速率(ns-1)小得多，小得多，但由于但由于T1態(tài)的壽命較長態(tài)的壽命較長(10-410-3s)，分子較易積聚，分子較易積聚在在T1態(tài)，所以態(tài)，所以T1態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當一個態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當一個“陷阱陷阱”。圖圖3-16 染料分子能級圖染料分子能級圖 3.3 染料激光器染料激光器一方面，一方面， T1占有占有S1上部分分子，減少了上部分

54、分子，減少了S1對對S0的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面，的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面， 積累積累在在T1中的大量分子又會吸收光能，由中的大量分子又會吸收光能，由T1躍遷到躍遷到T2，并且而，并且而T1T2躍遷的吸收波躍遷的吸收波長又恰好與長又恰好與S1S0躍遷熒光波長重疊，這意味著躍遷熒光波長重疊，這意味著T1態(tài)積聚的染料分子可吸收受態(tài)積聚的染料分子可吸收受激輻射光子而向激輻射光子而向T2態(tài)躍遷，因此染料分子在態(tài)躍遷，因此染料分子在T1態(tài)集聚不利于激光運轉(zhuǎn)。顯然，態(tài)集聚不利于激光運轉(zhuǎn)。顯然，只有在只有在S1S0受激輻射產(chǎn)生的增益大于受激輻射產(chǎn)生的增益大于T1T2躍遷造成的吸收損耗時才能形成躍遷造成的吸收損耗

55、時才能形成激光振蕩。激光振蕩。染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦通常采用閃光燈、通常采用閃光燈、N2分子激光器、準分子激光器或倍頻分子激光器、準分子激光器或倍頻Nd3+:YAG激光器激光器發(fā)射的發(fā)射的532nm激光等作脈沖染料激光器的泵浦光源，而連續(xù)染料激光器激光等作脈沖染料激光器的泵浦光源，而連續(xù)染料激光器則常用氬或氪離子激光器作泵浦源。顯然，泵浦光的波長必須小于染料則常用氬或氪離子激光器作泵浦源。顯然，泵浦光的波長必須小于染料激光器的輸出激光波長。激光器的輸出激光波長。 3.3 染料激光器染料激光器圖圖3-17 三鏡腔式染料激光器三鏡腔式染料激光器由于染料具有較寬的頻帶，所以可從鎖模染料激光

56、器得到很窄的脈沖，以由于染料具有較寬的頻帶，所以可從鎖模染料激光器得到很窄的脈沖，以若丹明若丹明6G為工作物質(zhì)的碰撞鎖模染料激光器可產(chǎn)生約為工作物質(zhì)的碰撞鎖模染料激光器可產(chǎn)生約30fs的超短激光脈沖，的超短激光脈沖，這種光脈沖還可壓縮成脈寬僅為這種光脈沖還可壓縮成脈寬僅為6fs的超短光脈沖，這是目前世界上最窄的的超短光脈沖，這是目前世界上最窄的光脈沖。光脈沖。在摻鈦藍寶石出現(xiàn)之前，染料激光器是最理想的可調(diào)諧激光器。目前已在紫在摻鈦藍寶石出現(xiàn)之前，染料激光器是最理想的可調(diào)諧激光器。目前已在紫外外(330mn)到近紅外到近紅外(1.85um)相當寬的范圍內(nèi)獲得了連續(xù)可調(diào)諧輸出。由于相當寬的范圍內(nèi)獲

57、得了連續(xù)可調(diào)諧輸出。由于它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點,在激光光譜、同位素分離、醫(yī)學及在激光光譜、同位素分離、醫(yī)學及其他科技領(lǐng)域獲得了廣泛應用。其他科技領(lǐng)域獲得了廣泛應用。染料激光器的應用染料激光器的應用 3.3 染料激光器染料激光器3.4 半導體激光器半導體激光器半導體激光器特點是超小型、高效率、低成本、工作速度快和波長范圍寬等。它半導體激光器特點是超小型、高效率、低成本、工作速度快和波長范圍寬等。它是激光光纖通信的重要光源，在光存儲、激光高速印刷、全息照相、激光準直、是激光光纖通信的重要光源，在光存儲、激光高速印刷、全息照相、激光準直、測距及醫(yī)療等許多

58、方面廣泛應用。測距及醫(yī)療等許多方面廣泛應用。 半導體激光器半導體激光器半導體激光器是以半導體激光器是以半導體材料半導體材料作為激光工作物質(zhì)的；作為激光工作物質(zhì)的；電子躍遷發(fā)生在半導體材料電子躍遷發(fā)生在半導體材料導帶導帶中的電子態(tài)和中的電子態(tài)和價帶價帶中的空穴態(tài)之間；中的空穴態(tài)之間；在電流或光的激勵下，半導體價帶中的電子可以獲得能量，躍遷到導帶上，在在電流或光的激勵下，半導體價帶中的電子可以獲得能量，躍遷到導帶上，在價帶中形成一個價帶中形成一個空穴空穴，這相當于，這相當于受激吸收過程受激吸收過程；價帶中的空穴也可被從導帶躍；價帶中的空穴也可被從導帶躍遷下來的電子填補而復合。在復合時，電子把多余能

59、量以光子形式釋放出來，遷下來的電子填補而復合。在復合時，電子把多余能量以光子形式釋放出來，這相當于這相當于自發(fā)輻射或受激輻射自發(fā)輻射或受激輻射。半導體的能帶半導體的能帶3.4 半導體激光器半導體激光器半導體的能帶半導體的能帶3.4 半導體激光器半導體激光器電子共有化運動電子共有化運動構(gòu)成半導體激光器的工作物質(zhì)是半導體晶體。在半導體晶體中，電子的構(gòu)成半導體激光器的工作物質(zhì)是半導體晶體。在半導體晶體中，電子的運動狀態(tài)和單個原子時的情況大不相同，尤其是其外層電子有了明顯的運動狀態(tài)和單個原子時的情況大不相同，尤其是其外層電子有了明顯的變化，即所謂的變化，即所謂的“共有化運動共有化運動”。半導體的能帶半

60、導體的能帶量子力學證明：當量子力學證明：當N個原子相接近形成晶體時，由于共有化運動，原來單個原子個原子相接近形成晶體時，由于共有化運動，原來單個原子中每一個允許能級要分裂成中每一個允許能級要分裂成 N個與原來能級很接近的新能級。在實際的晶體中，個與原來能級很接近的新能級。在實際的晶體中，由于原子數(shù)目由于原子數(shù)目N非常大，新能級又與原來能級非常接近，所以兩個新能級間距離非常大，新能級又與原來能級非常接近，所以兩個新能級間距離很小（相互間的能級差為很?。ㄏ嗷ラg的能級差為10-22） ，幾乎可把這一段能級看作是連續(xù)的。我們便，幾乎可把這一段能級看作是連續(xù)的。我們便把這把這N個能級所具有的能量范圍稱為