激光器件與技術(shù)

1典型激光器1.1概述1960年，美國(guó)休斯飛機(jī)公司的科學(xué)家梅曼博士研制成功世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，其器件結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。辨分反射垃ir寶在桃石英辨分反射垃ir寶在桃石英㈤光燈管全原穌憤圖1.1 世界上第一臺(tái)紅寶石激光器的基本結(jié)構(gòu)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)外形圖激光的誕生，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用整個(gè)光頻電磁波段掀開(kāi)了嶄新的一頁(yè)，也為傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域注入了生機(jī)，并由此產(chǎn)生了量子光學(xué)、非線性光學(xué)等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的分支。1960年至今，人類(lèi)在激光器件的研究與應(yīng)用方面取得了迅猛的發(fā)展。1.1.1激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)由工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分構(gòu)成。其中，工作物質(zhì)是激光器的核心，是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。泵浦源為在工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。工作物質(zhì)類(lèi)型不同，采用的泵浦方式亦不同。光學(xué)諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋，同時(shí)，諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。/光學(xué)諧振腔、全反射^ 嫡出反射鏡T| 工作物質(zhì) |7一十一1■I一十日＞山一1—— 山激光輸出泵浦源圖1.2激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖1.1.2激光器的分類(lèi)及其主要輸出特性激光器種類(lèi)繁多，習(xí)慣上主要按照以下兩種方式劃分：一種是按照激光工作物質(zhì)，另一種是按照激光器工作方式。1.2激光器種類(lèi)1.2.1氣體激光器氣體激光器以氣體和金屬蒸氣作為工作物質(zhì)。根據(jù)氣體工作物質(zhì)為氣體原子、氣體分子或氣體離子，又可將氣體激光器分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。原子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體原子，激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體和鎘、銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸氣。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。分子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體分子，激光躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振-轉(zhuǎn)能級(jí)之間。采用的氣體主要有CO2、CO、N2、02、N2O、H20、H2等分子氣體。分子激光器的典型代表是C02激光器。分子激光器中還有一類(lèi)叫做準(zhǔn)分子激光器。所謂準(zhǔn)分子，是一種在基態(tài)離解為原子而在激發(fā)態(tài)暫時(shí)結(jié)合成分子（壽命很短）的不穩(wěn)定締合物，激光躍遷產(chǎn)生于其束縛態(tài)和自由態(tài)之間。采用的準(zhǔn)分子氣體主要有XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*等。其典型代表為XeF*準(zhǔn)分子激光器。離子激光器中產(chǎn)生激光作用的是已電離的氣體離子，激光躍遷發(fā)生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的離子氣體主要有惰性氣體離子、分子氣體離子和金屬蒸氣離子三類(lèi)。其典型代表為Ar+激光器。氣體激光器一般采用氣體放電激勵(lì)，還可以采用電子束激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等方式。氣體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于真空紫外一遠(yuǎn)紅外波段，激光譜線上萬(wàn)條，具有輸出光束質(zhì)量高（方向性及單色性好）、連續(xù)輸出功率大（如CO2激光器）等輸出特性，其器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。氣體激光器廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如計(jì)量、材料加工、激光醫(yī)療、激光通信、能源等方面。1961年,第一臺(tái)氣體激光器 He-Ne激光器問(wèn)世。He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器，Ne為工作物質(zhì)，He為輔助氣體。He-Ne激光器輸出連續(xù)光，主要工作波段在可見(jiàn)光到近紅外區(qū)域，其中，最常用的工作波長(zhǎng)為632.8nm（紅光），其次是1.15^m和3.39pm以及1.52^m、543.5nm等。He-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很高，表現(xiàn)為單色性好0V<20Hz）和方向性好（Q<1mrad）。由于增益低，輸出功率一般為毫瓦量級(jí)（0.5?100mW）。器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。He-Ne激光器廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)直、精密計(jì)量、信息處理、醫(yī)療、照排印刷等領(lǐng)域。固體激光器固體激光器以固體激光介質(zhì)作為工作物質(zhì)。固體工作物質(zhì)通常是在基質(zhì)材料,如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子（稱(chēng)為激活離子），激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級(jí)之間。用作激活離子的元素可分為四類(lèi)：三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土金屬離子、過(guò)渡金屬離子和錒系金屬離子。固體激光器的典型代表是紅寶石（Cr3+:Al2O3）激光器、摻釹釔鋁石榴石（Nd3+:YAG）激光器、釹玻璃激光器和摻鈦藍(lán)寶石（Ti3+:Al2O3）激光器。固體激光器多采用光泵浦，泵浦光源主要有閃光燈和半導(dǎo)體激光二極管兩類(lèi)。固體激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于可見(jiàn)光一近紅外波段，激光譜線數(shù)千條，具有輸出能量大（多級(jí)釹玻璃脈沖激光器，單脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦）、運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣等特點(diǎn)。器件結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、于與光纖耦合進(jìn)行光纖傳輸。固體激光器主要應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光測(cè)距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學(xué)、激光核聚變等方面。液體激光器液體激光器的工作物質(zhì)分為二類(lèi):一類(lèi)為有機(jī)化合物液體（染料），另一類(lèi)為無(wú)機(jī)化合物液體。其中，染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的有機(jī)染料有四類(lèi):吐噸類(lèi)染料、香豆素類(lèi)激光染料、惡嗪激光染料和花青類(lèi)染料。染料激光器多采用光泵浦，主要有激光泵浦和閃光燈泵浦兩種形式。染料激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到近紅外波段（300nm?1.3^m）,通過(guò)混頻等技術(shù)還可將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展全真空紫外到中紅外波段。激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。器件特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類(lèi)器件的不足。染料激光器主要應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、光生物學(xué)等方面。1966年，世界上第一臺(tái)染料激光器——由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器問(wèn)世。需要說(shuō)明的是,將以下幾類(lèi)激光器劃分為單獨(dú)的一個(gè)器件類(lèi)別，主要是出于對(duì)它們工作機(jī)理或運(yùn)轉(zhuǎn)方式所具有的獨(dú)特性的考慮。1.2.4.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器也稱(chēng)為半導(dǎo)體激光二極管，或簡(jiǎn)稱(chēng)激光二極管（LaserDiode,縮寫(xiě)LD）。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料主要有三類(lèi)：（1）IIIA—VA族化合物半導(dǎo)體，如神化鎵（GaAs）、磷化鋼（InP）等。（2）IIB—^A族化合物半導(dǎo)體，如硫化鎘（CdS）等。（3）WA—HA族化合物半導(dǎo)體，如碲錫鉛（PbSnTe）等。根據(jù)生成PN結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同，半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)（單、雙）、量子阱等多種類(lèi)型。半導(dǎo)體激光器采用注入電流方式泵浦。半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍一般在近紅外波段（920nm?1.65^m），其中1.3^m與1.55pm為光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進(jìn)行高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)（一般可達(dá)數(shù)十萬(wàn)乃至百萬(wàn)小時(shí)以上）等突出特點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光纖通信、光存儲(chǔ)、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域,如激光光盤(pán)、激光高速印刷、全息照相、辦公自動(dòng)化、激光準(zhǔn)直及激光醫(yī)療等方面。1962年，世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器 GaAs激光器問(wèn)世。1.2.5.化學(xué)激光器化學(xué)激光器是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光輻射的。工作物質(zhì)可以是氣體或液體，但目前主要是氣體，如氟化氫(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等?；瘜W(xué)激光器采用化學(xué)能激勵(lì)。為促成工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，一般需采用一些引發(fā)措施，如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。化學(xué)激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到紅外波段，直至微米波段，功率高、能量輸出高，無(wú)需外界提供泵浦源,可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點(diǎn),特別適合于野外等無(wú)電源處工作?；瘜W(xué)激光器主要應(yīng)用于國(guó)防、科學(xué)研究等領(lǐng)域,如激光武器、同位素分離等。1964年，第一臺(tái)光解離碘原子化學(xué)激光器問(wèn)世。自由電子激光器自由電子激光器是一種新型激光器。自由電子激光器的工作物質(zhì)是相對(duì)論電子束。所謂相對(duì)論電子束是指通過(guò)電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠堋Ｗ杂呻娮蛹す馄鞯谋闷衷礊榭臻g周期磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)。具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是自由電子激光器兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)。自由電子激光器在未來(lái)的生物、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。X射線激光器顧名思義,X射線激光器輸出激光波長(zhǎng)位于X射線波段(1?10nm)。X射線激光器工作物質(zhì)為高度電離的等離子體，采用光泵浦，但需要特殊的X射線泵浦源。光纖激光器光纖激光器是以摻入某些激活離子的光纖為工作物質(zhì)，或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。光纖激光器可分為晶體光纖激光器、稀土類(lèi)摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。光纖激光器主要采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦。光纖激光器是一種新型的激光器件，具有總增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍及器件結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離光纖通信等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。1963年，第一臺(tái)光纖激光器 Nd2O3光纖激光器問(wèn)世。2激光技術(shù)2.1調(diào)制技術(shù)激光是具有特殊性質(zhì)的光波，例如具有良好的相干性、單色性、方向性以及高亮度。與無(wú)線電相似，可以用來(lái)作為傳遞信息的載波。激光的頻率可達(dá)1013?1015Hz，因此可供利用的頻帶很寬，信息容量大。另外，光的波長(zhǎng)短、傳遞速度快、具有獨(dú)立傳播特性，可以借助光學(xué)系統(tǒng)，把一個(gè)面上的二維信息以很高的分辨率瞬間傳遞到另一個(gè)面上，為二維并行光學(xué)信息處理提供條件。所以激光是傳遞信息（包括語(yǔ)言、文字、圖像、符號(hào)等）的理想光波。用激光作為信息的載體，需要解決如何將信息加載到激光上去的問(wèn)題。例如用激光傳遞語(yǔ)音信號(hào)，需要將語(yǔ)音信息加載到激光，由激光“攜帶”信息通過(guò)一定的傳輸通道（大氣、光纖等）送到光電接收器，由接收器提取加載的語(yǔ)音信息，從而完成通話目的。這種將信息加載到激光的過(guò)程稱(chēng)之為調(diào)制，完成這一過(guò)程的裝置稱(chēng)為調(diào)制器。其中,激光稱(chēng)為載波，所要傳遞的信息稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。激光光波的電場(chǎng)強(qiáng)度是ec（t）=Accost（t）=Accos（3ct+中c）（2.1）式中，Ac為振幅，W（t）=3ct+中c為總相角,3c為角頻率,中c為相位角。因?yàn)榧す饩哂姓穹?、頻率、相位、強(qiáng)度等參量,所以如果使其某一參量按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，那么，激光就受到了信號(hào)的調(diào)制，達(dá)到“運(yùn)載”信息的目的。根據(jù)調(diào)制器與激光器的相對(duì)關(guān)系，可將激光調(diào)制分為兩類(lèi),即內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。按照調(diào)制器的工作機(jī)理來(lái)分類(lèi)，主要有電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制（又可稱(chēng)為電源調(diào)制）。內(nèi)調(diào)制是指在激光振蕩過(guò)程中加載調(diào)制信號(hào)，即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而使輸出的激光帶有要傳遞的信息。一種內(nèi)調(diào)制方式是用調(diào)制信號(hào)直接改變激光器泵浦電源的驅(qū)動(dòng)電流（例如注入式半導(dǎo)體激光器），使輸出的激光強(qiáng)度受到調(diào)制（這種方式可稱(chēng)為直接調(diào)制或電源調(diào)制，即對(duì)激光器的泵浦電源進(jìn)行調(diào)制）。還有一種內(nèi)調(diào)制方式是在激光諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用調(diào)制信號(hào)控制調(diào)制元件的物理特性變化，改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光器的輸出特性,例如調(diào)Q技術(shù)就屬于這種調(diào)制。內(nèi)調(diào)制具有小型化、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，目前主要用在光通信的注入式半導(dǎo)體激光中。外調(diào)制是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理特性，激光通過(guò)調(diào)制器后，光波的某參量受到調(diào)制，從而帶有要傳遞的信息。由于外調(diào)制的調(diào)整方便，而且對(duì)激光器沒(méi)有影響，另外，外調(diào)制方式不受半導(dǎo)體器件工作速率的限制，故它比內(nèi)調(diào)制速率高（約高一個(gè)數(shù)量級(jí)），調(diào)制帶寬要寬得多。內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制以及電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制的關(guān)系如圖5.1所示。激光調(diào)制器按其調(diào)制的對(duì)象可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。下面介紹這幾種調(diào)制的概念。-電光調(diào)制'外調(diào)制-聲光調(diào)制內(nèi)調(diào)制磁光調(diào)制調(diào)制圖2.1調(diào)制方式之間的關(guān)系2.2調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)均為改善激光器輸出性能的單元技術(shù)，是應(yīng)人類(lèi)對(duì)高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來(lái)的。兩種技術(shù)壓縮脈寬的機(jī)理不同，因而壓縮的程度也不同。調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級(jí)（峰值功率達(dá)106W以上），鎖模技術(shù)則可將激光脈寬進(jìn)一步壓縮全皮秒或飛秒量級(jí)（峰值功率達(dá)到1012W）o調(diào)Q技術(shù)也叫Q開(kāi)關(guān)技術(shù)，是一種獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的技術(shù)。通常，將這種高峰值功率的窄脈沖叫做巨脈沖。調(diào)Q技術(shù)最早出現(xiàn)于1962年，其誕生是激光發(fā)展史上的一個(gè)重要突破。在此之前，由于普通脈沖激光器輸出的弛豫振蕩，很難獲得峰值功率高而脈寬窄的激光脈沖。調(diào)Q技術(shù)的應(yīng)用，使我們能夠獲得峰值功率在兆瓦以上而脈寬僅為納秒量級(jí)的激光脈沖，使激光成為非常強(qiáng)的相十光源，并由此產(chǎn)生了非線性光學(xué)等新的光學(xué)分支。同時(shí)，也推動(dòng)了諸如激光雷達(dá)、激光測(cè)距、高速攝影、核聚變等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。2.3鎖模技術(shù)我們知道,采用腔倒空法（脈沖透射式調(diào)Q）可以獲得脈寬最窄的調(diào)Q脈沖。其脈沖寬度近似等于光在腔內(nèi)往返一次所需要的時(shí)間，即=2L/c（L為腔長(zhǎng)，c為光速）。要壓窄脈寬，則必須縮短腔長(zhǎng)，而腔長(zhǎng)又受到器件輸出功率的限制。因此，從原理上講，采用調(diào)Q技術(shù)已無(wú)法獲得超短脈沖。必須從理論上探求一種新的壓縮脈寬的途徑。這就是本節(jié)要介紹的鎖模技術(shù),也叫做超短脈沖技術(shù)。從1964年激光鎖模技術(shù)首次應(yīng)用于He-Ne激光器以來(lái)，超短脈沖技術(shù)獲得了快速的發(fā)展。鎖模激光脈沖的寬度已由皮秒（10-12s）量級(jí)壓縮至幾飛秒（10-15s）。按照鎖模的工作機(jī)理，實(shí)現(xiàn)鎖模的方法分為主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模、自鎖模及碰撞鎖模等多種形式。主要介紹前四種。2.3.1主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模采用周期性調(diào)制諧腔參量的方法。根據(jù)被調(diào)制的參量是振幅或相位,又分為振幅調(diào)制（或損耗調(diào)制）鎖模和相位調(diào)制（或頻率調(diào)制）鎖模。主動(dòng)鎖模的基本原理是:在諧振腔中插入一個(gè)受外界信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當(dāng)選擇調(diào)制頻率f等于縱模間隔△Vq時(shí),對(duì)各個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊頻