參考文稿說明

第十章幾種特定的圖10.1表示幾種有代表性的激光器的抽運-抽運方式：固態(tài)激光器 激光器--光（或激光）泵浦激勵泵浦躍遷：通過抽運使原子由基態(tài)被激發(fā)到某一激發(fā)態(tài)332（。21（激躍遷，引起頻率為21的光發(fā)快速無輻射弛豫：原子從激發(fā)態(tài)1快速弛豫至基態(tài)四能級系統(tǒng)與三能級系統(tǒng)的主要區(qū)別：容易形成粒子布居數(shù)圖10.1表示典型的激光器的抽運-原子的量子效率：對于上述一個循環(huán)過程，一個輸出光子h21對應(yīng)一個輸入光子h30，定義原子的量子效率為atomic21/30

(10.1-其中

抽運效（為使原子抽運到能級3的有效功率與總抽運功率的比值pumpquantum抽運量子效（由能級3向能級2躍遷的效率）由Nd3+:YAG固體激光器的1%到CO2激光器的30%左右GaAsp-n結(jié)激光器效率接近紅寶石激光第一臺激光Al2O3Cr3+0.05%）。0.6943三能級結(jié)構(gòu)：如圖10.2所示，激光下能級為基抽運方式：光泵浦（強閃光燈）使Cr3+離子由基態(tài)1激發(fā)到激發(fā)態(tài)2（4F能級4F1）2 為5108 處于激發(fā)態(tài)3的離子弛豫到能級2上(2E)受激躍遷（激光）：2E2AE兩個能級組成，其間隔為29厘米-122離子處于激光上能級E的 為t23103秒，熒光效率接近1，因此t2tspont圖10.2紅寶石激光器運轉(zhuǎn)的能)() g2N g g1其中12( 為吸收截面

12由(9.3-15)和

PeNt ()g()

spont

（

為與I無關(guān)的部分可見較大的吸收截面有利于激光振蕩激光躍遷中心處的吸收截面：12()1.2210

厘米2紅寶石晶體在光泵激勵下，處于基態(tài)4

的鉻離子吸收光能后躍遷到激發(fā)

4F4F上。處于激發(fā)態(tài)能4F4F上的鉻離子極不 由于晶體內(nèi)部晶格振動，很快向能級2E躍遷 轉(zhuǎn)移給其周圍的晶格。由于能級2E是具 為A2A

3103

秒的亞穩(wěn)所以極易在能級2E上得以積聚。在鉻離子從能級2E

回到基態(tài) 時2其中R1的強度比R2 2摻釹釔鋁石榴石（Nd3+:YAG）最常用的激光圖10.8YAG中的Nd3+能級N3+：6四能級結(jié)構(gòu)：如圖10.8所示，激光下能級為E2,不是基態(tài)E2高于基態(tài)2111厘米-1，室溫下處于E2能級的粒子數(shù)比基態(tài)exp(E2kT)e10倍，可以忽略不計，于是

具有這種特性的激光器被稱作四能級激抽運方式：光泵浦（強閃光燈）使Nd3+離子由基態(tài)4I

激9/到激發(fā)態(tài)3(4F5

2

9/

及更高的能級) 無輻射躍遷：激發(fā)態(tài)3極短，迅速弛豫到能級2上（亞穩(wěn)態(tài)4F3/23/11/受激躍遷（激光）：激光上下能級分別為能級2（4 ）和能級1（3/11/F離子處于激光上能級F3/

的為t

5.5

秒（t2tspont）該激光上下能級之間的自發(fā)輻射光譜如圖10.9室溫下譜線線寬為 6厘米-1激光躍遷中心處的吸收截面12(9

厘米2比紅寶石的12(1.221020厘米2大近兩個數(shù)量級，因此對給反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Nd3+:YAG的增益常數(shù)比紅寶石大75倍，因而振蕩（指閾值輸入能量或閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度）顯著降（由(9.3-12)式的

8n8n

g()N012 圖10.9YAG中Nd3+1.064微米的自發(fā)輻射光舉例：Nd3+:YAG激光器的閾已知下列參數(shù)l=20厘米（腔長L=4（單程損耗tcl/Lc1.6=1.064

秒（諧振腔光 tspont5.510 秒（自發(fā)輻 6厘米-1（譜線線寬將上述數(shù)據(jù)代入(9.1-16)式，可得N2tNt 厘 cc考慮影響激光效率的幾個激發(fā)光能在有效吸收帶內(nèi)的比例晶體實際吸收光能的比率激光頻率與抽運頻率的平均比值泵浦閃光燈的電能轉(zhuǎn)換成光能的效率總的效率約為則閃光燈的閾值能量ElampN2thlaser0.0060.31焦耳/厘米因此，較低的閾值使得Nd3+:YAG晶體也容易實現(xiàn)連續(xù)（CW）運轉(zhuǎn)圖10.10利用橢圓柱面聚光腔將燈光會聚到激光棒釹玻璃激釹玻璃激光器和Nd3+:YAG激光器類似主要區(qū)別N3+Nd3+（，而Nd3+:YAG的6厘米-1）這使得釹玻璃激光的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增c N2tNt c

9

厘米-而Nd3+:YAG

N2t1.0310

厘米-3釹玻璃激光器的特點氦-氖（He-Ne）激光是第一臺連續(xù)激光器，也是第一臺氣體激光器在He子輸出波長：0.6328抽運方式：通過在1.0毫米高的He和0.1毫米高的Ne的氣體放電氣體放電：通常情況下，氣體是很好的絕緣體，當(dāng)激光管電壓增加這種氣體放電有：輝光放電、弧光放電氣體激光器大多是利用這些放電形式來激勵氣體使之產(chǎn)生激光激發(fā)機放電中的高能電子將He原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上，這些受激原子向正常級聯(lián)躍遷的過程中，許多原 在 的亞穩(wěn)態(tài)23S和21S 分別為104秒和5106秒）。He原子的這兩個亞穩(wěn)態(tài)的能量與Ne原子的2S和3S能級的能量幾乎相同，所以當(dāng)激發(fā)態(tài)的He*(23S21S)和基態(tài)的Ne發(fā)生碰撞時，He*(23S、21S)的能就轉(zhuǎn)移到Ne使其激發(fā)到Ne*2S3S)。能量的微小差別可以He*(23S1,or21S0)Ne(1S0)He(1S0)Ne*(2S,or3S)圖 He-Ne能級及激勵原理一個能級3S2，激光下能級為 能級組中的 3S2

。屬于典型的四能級激光系統(tǒng)3S2的 約為10-7秒；2P4的 因此3S22P4的躍遷滿足(9.3-10)式給出的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件t1t2 圖10.16典型的氣體激 產(chǎn)生激光振蕩，垂直于紙面偏振的光因反射損耗無法產(chǎn)生激光振蕩二氧化碳（CO2）激2CO2分子的結(jié)構(gòu)原子沿原子核間的軸線對稱地振動—分子沿垂直原子核間軸線的一個軸作對稱振動—原子沿原子核間的軸線 稱振動 稱拉伸能級的表在一級近似下可以假定，三種簡征模彼此是獨立的，這時CO2分子的能可以用三個整數(shù)(v,vlv)來描述,它們分別對應(yīng)于上述三種模式 激勵程度，其中 右上角上的l為角動量量子數(shù)l=0的能級E(v,v,v)h(v1)h 1)h 1) (10.6-

式中1,2

分別表示對稱拉伸模、彎曲模 稱拉伸模的頻率He：10.6微米的受激躍遷（激光）：在CO2的(001)能級和(100) tspont 在常溫下，低氣壓（

托）時的激光躍遷 譜寬度

60兆赫茲抽運方式：和He-Ne激光器類似， 體放電激發(fā)機理：CO2的氣體放電激發(fā)(001)能級有三種基本過程1、電子碰撞激慢速電子通過和CO2分子碰撞直接激發(fā)其至(001)2、串級被放電激發(fā)至(00v3)能級的CO2分子，通過與基態(tài)CO2碰撞逐級地弛豫到(001)CO2(000v3)CO2(0000)CO2(000v1)CO2(003、振動能量的轉(zhuǎn)N2和CO2的振動能級非常接近N2(v

的較長所以被放N2至CO2使其激發(fā)至(001)

碰撞可以將其能量能量的微小差別可以由原子碰撞后動能的變化予以補償N2(v1)CO2(0000)N2(v0)CO2(0001)2。:激光能級都靠近基態(tài)，且原子量子效率21/30 較大（約45%）大部分被放電激發(fā)的CO2，對激發(fā)態(tài)(001) N2分子都可以通過碰撞，將其能量轉(zhuǎn)移至CO2分子使其躍遷至激發(fā)態(tài)(001)能級。大功率除了上述高效率和采用長的放電還由于激光下能級(100)的短使得其很快回到基態(tài)獲得重新激發(fā)的機會振-轉(zhuǎn)躍由分子光譜可知，CO2分子的紅外譜并不是一條單一的振動譜線量子數(shù)V外，還需要用轉(zhuǎn)動量子數(shù)J。對于一給定的振動能級i，純轉(zhuǎn)動能量為

EiJBJ(J1)DJ2(J (10.6- DCO2分子在10.6微米的激光躍遷的振-轉(zhuǎn)能級如圖10.19P(J)支躍遷：JJ1的躍遷R(J)支躍遷JJ1的躍遷Q(J)支躍JJ的躍遷（由選擇電子態(tài)時Q(J)為禁戒躍遷圖10.19CO2分子在10.6 有機激光分子的能級、吸收和發(fā)圖10.37給出了一種典型的有機（Rhodamine6G）分子的能級示意圖圖基態(tài)單重激發(fā)態(tài)：S1，S2（總自旋S0，因而為單重態(tài)2S11)）三重激發(fā)態(tài)：T1，T2（總自旋為S1，因而為三重態(tài)2S13)）4-，101。圖10.38若丹明6G的單態(tài)吸收和熒光圖10.38若丹明6G的單態(tài)吸收和熒光光激光的四能級 ，能級2b 躍遷過

AbBa泵浦抽運：S0v0,J0)hpumpS1(vnJ無輻射弛豫：S1(vnJmS1(v0,J0)發(fā)光（激光

S1(v0,J0)S0(vn,Jm)發(fā)射頻(EBEa無輻射弛

S0(vn,Jm)S0(v0,J0)三重態(tài)的陷阱作用和解決系際交叉：激發(fā)態(tài)分子也可以通過系際交叉弛豫到三重態(tài)T1,此過程是自旋躍遷，所以躍遷幾率較?。ㄏ鄬ψ园l(fā)輻射幾率1），約為 三重態(tài)的陷阱作用：由于三重態(tài)T1的T較長（可長到10-3秒），分子容易T1態(tài)上積累并產(chǎn)T1T2吸收躍遷，增加激光損耗，克服三