激光原理和技術(shù)需要至頁

12主要內(nèi)容激光開展歷史、開展現(xiàn)狀和應用激光原理典型激光器及激光器的分類黎明前的黑暗-1900年，普朗克〔Planck〕提出了能量量子化概念，并因此獲得1918年諾貝爾物理學獎；-1905年，愛因斯坦〔Einstein)提出光子假說并成功解釋了光電效應，并因此獲得1921年諾貝爾物理學獎；"inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta""forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect"激光開展史1913年，玻爾(Bohr)借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的原子結(jié)構(gòu)模型，并因此獲得1922年諾貝爾物理學獎；1917年，愛因斯坦在玻爾的原理結(jié)構(gòu)根底上，提出了受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的根底；1928年，德國光譜學家拉登堡〔Landenburg〕證實了受激輻射和“負吸收〞的存在；"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"激光開展史1947年，蘭姆〔Lamb〕和盧瑟福〔Reherford〕在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次被實驗驗證。Lamb由于在氫原子光譜研究方面的成績獲得1955年諾貝爾物理學獎；1950年，卡斯特勒〔Kastler〕提出了光學泵浦的方法，兩年后該方法被實現(xiàn)。他因為提出了這種利用光學手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝爾獎。"forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum""forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms"激光開展史1951年,湯斯〔Townes〕提出受激輻射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一臺氨分子Maser建成，首次實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其主要作用是放大無線電信號，以便研究宇宙背景輻射。Townes由于在受激輻射放大方面的成就獲得1964年諾貝爾物理學獎。"forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple"激光開展史突破1958年肖洛〔Schawlow〕和Townes在Phy.Rev.上發(fā)表論文“InfraredandOpticalMaser〞，標志著激光作為一種新事物登上了歷史舞臺。1960年5月，休斯實驗室的梅曼〔Maiman〕研制的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公認的世界上第一臺激光器。激光開展史1960年年中，IBM實驗室利用CaF2中的三價鈾制成了第一臺四能級固體激光器；1960年12月，Bell實驗室的賈萬〔Javan〕，Bennett和Herriott制成了第一臺氦氖氣體激光器；1962年，GaAs半導體激光器；1963年，液體激光器；1964年，CO2激光器；1964年，離子激光器；1964年，Nd：YAG固體激光器；1965年，HCl化學激光器；1966年，生物染料激光器；從1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念到1960年第一臺激光器誕生，其間用了近半個世紀，而實際上卻沒有太多理論上的突破，為什么激光器沒有早半個世紀誕生？激光開展史1961年夏，在王之江主持下，中國第一臺激光器

紅寶石激光器在長春光學精密機械研究所誕生，這是王大珩和他領(lǐng)導的長春光機所創(chuàng)造的一項輝煌成果。這臺激光器的研制成功，使我國成為繼美國之后第二個擁有激光器的國家，引起了國內(nèi)外震驚。王之江院士中國的激光器中國各類激光器的“第一臺〞名

稱研制成功時間

研

制

人

紅寶石激光器1961年9月王之江等He-Ne激光器1963年7月

鄧錫銘等

摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質(zhì)結(jié)半導體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等激光開展現(xiàn)狀更小各種工業(yè)指示、標記、探測用的半導體激光器或者半導體泵浦固體激光器向著小型化方向開展；激光開展現(xiàn)狀更集成各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個甚至幾十個半導體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測、溫度監(jiān)測等功能模塊。激光開展現(xiàn)狀更快更高的調(diào)制頻率：GHz；更短的脈沖寬度：飛秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多樣化多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；多樣化的工作物質(zhì)：固體〔Nd：YAG〕、氣體〔He-Ne、CO2〕、液體、染料、半導體、自由電子等；激光開展現(xiàn)狀工業(yè)應用：切割：速度快、無接觸、精度高、切縫光滑；焊接：焊接點均勻、美觀、精度高；外表處理；芯片刻蝕等。激光應用激光應用確定地月距離登月是20世紀最大的騙局？阿波羅15號在登月時帶上了一套特別設備——大型角反射器，用來反射從地球發(fā)射過來的激光光束，通過記錄往返時間來計算地月距離。激光發(fā)散角很小，其光斑半徑在月面上小于1km，而普通探照燈的光斑在月面上會大于月球的直徑。激光應用軍事激光測距直接摧毀激光制導激光應用其他條碼掃描照明、成像通訊娛樂激光應用經(jīng)典理論〔ClassicalLaserTheory〕電磁場－麥克斯韋方程組；原子－電偶極振子半經(jīng)典理論〔SemiclassicalLaserTheory〕電磁場－麥克斯韋方程組；原子－量子力學描述量子理論〔QuantumLaserTheory〕電磁場和原子——二者作為一個統(tǒng)一的物理體系作量子化處理速率方程理論〔RateEquationTheory〕量子理論的簡化形式，忽略光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性激光理論體系211.光與物質(zhì)作用的經(jīng)典理論---經(jīng)典原子發(fā)光模型光波場〔光〕電磁波麥克斯韋方程組工作物質(zhì)發(fā)光原子原子中電子運動電偶極振子光與物質(zhì)〔原子〕相互作用電磁場與電偶極子相互作用原子自發(fā)輻射過程電偶極子做阻尼簡諧振動原子受激輻射、受激吸收過程電偶極子做受迫簡諧振動用于解釋：光子的吸收、色散及自發(fā)輻射、線型函數(shù)等222.半經(jīng)典理論輻射場----經(jīng)典麥克斯韋方程組工作物質(zhì)〔原子〕----量子力學的薛定諤方程自洽：極化強度產(chǎn)生的場等于產(chǎn)生極化強度的場E′(r,t)=E(r,t)半經(jīng)典理論的根本思想分析激光運轉(zhuǎn)的強度特性和頻率特性。不能確切描述量子特性，數(shù)學處理繁瑣233.量子理論----激光器的嚴格理論根本思想：場、工作物質(zhì)〔原子〕均是量子體系場和物質(zhì)相互作用服從量子電動力學規(guī)律可嚴格確定激光器的相干性、噪聲、線寬極限等量子性質(zhì)4.速率方程理論〔簡化的量子理論〕根本思想：以光和物質(zhì)相互作用的三個過程為出發(fā)點，以這三個過程之間的細致平衡導致一組能級粒子數(shù)、光子數(shù)的“速率方程〞來支配輻射場與物質(zhì)之間的相互作用激光器的嚴格理論是建立在量子電動力學根底上的量子理論，在原那么上可以描述激光器的全部特性；不同近似程度的理論用來描述激光器的不同層次的特性，每種近似理論都揭示出激光器的某些特性，因此可以根據(jù)具體應用選擇適宜的近似理論；激光理論體系25

1.光子的根本特性

光是一種以光速c運動的光子流，光子和其它根本粒子一樣，具有能量、動量和質(zhì)量。它的粒子屬性〔能量、動量、質(zhì)量等〕和波動屬性〔頻率、波矢、偏振等〕之間的關(guān)系滿足：激光產(chǎn)生的物理根底26(4)、光子具有兩種可能的獨立偏振態(tài)，對應于光波場的兩個獨立偏振方向；(5)、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)，是玻色子?！搽娮拥淖孕孔訑?shù)，是費米子。〕272.光子的相干性和光子簡并度28(1)自發(fā)輻射

光子能量：自發(fā)躍遷概率：單位時間、單位體積內(nèi)，上粒子的減少為：處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時向外輻射出一個光子〔自發(fā)輻射只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場的無關(guān)〕。3光輻射的量子理論根底1)三種躍遷

29受激吸收概率：為愛因斯坦吸收系數(shù),只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。為輻射場能量密度

為E1能級上的原子數(shù)密度,〔2〕受激吸收處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個光子，躍遷到高能級態(tài)。于是有：為自發(fā)輻射壽命。30(3)受激輻射受激輻射的概率：稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。處于高能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態(tài)，并同時輻射出一個與入射光子完全一樣的光子。受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性。312)愛因斯坦關(guān)系設一個原子系統(tǒng)有特定兩個能級,其簡并度為〔同一量子態(tài)占據(jù)的光子數(shù)目〕,在溫度T下處于熱平衡狀態(tài),能級的原子占有數(shù)密度分別為,那么原子系統(tǒng)從輻射場中吸收能量后,單位時間內(nèi)從躍遷到能級的原子數(shù)為：單位時間內(nèi)，的原子數(shù)為：由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么應有：即：32所以有：熱平衡狀態(tài)下，按波爾茲曼分布：即：33熱平衡條件下，光輻射的能量密度的普朗克公式為：比較兩式有：上述兩式即著名的愛因斯坦關(guān)系式。假設兩能級的簡并度相同，那么有：34結(jié)論：三個愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。對一定的原子體系而言，自發(fā)躍遷系數(shù)A21

與受激輻射系數(shù)B21

之比正比于的三次方，因而兩能級相差越大，就越高，A，B的比值就越大，也就是越高，自發(fā)輻射越容易，受激輻射越困難。一般在熱平衡下，主要是自發(fā)輻射。354受激輻射的相干性自發(fā)輻射是原子在不受外界輻射場的控制下的自發(fā)過程。因此大量原子的自發(fā)輻射場的相位是無規(guī)那么分布的，也就是不相干的。此外，自發(fā)輻射場的傳播方向和偏振方向也是無規(guī)那么分布的。自發(fā)輻射的能量是平均地分配到腔內(nèi)所有模式上。受激輻射是在外界輻射場的控制下的發(fā)光過程，因而原子的受激輻射相位不在是無規(guī)那么的，而是具有和輻射場相同的相位。在量子點動力學的根底上可以證明：受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)；或者說，受激輻射場與入射輻射場具有相同的頻率、相位、波矢和偏振，因而，受激輻射場與入射輻射場屬于同一模式。因此是相干的。激光〔強相干光〕產(chǎn)生的根本原理和方法由受激輻射和自發(fā)輻射相干性的討論可知，相干輻射的光子簡并度很大。我們分析下黑體輻射源的光子簡并度。根據(jù)式〔1-48〕〔1-57〕在室溫T=300K的情況下，按照式〔1-57〕：對于λ=30cm的微波輻射，；對于λ=60m的遠紅外輻射，；對于λ=0.6m的可見光輻射,?？梢姡胀ü庠丛诩t外和可見光波段實際上是非相干光源。

1.光學諧振腔及其選模作用如果端面腔壁對光的反射系數(shù)很高，那么沿垂直端面的腔軸方向傳播的光在腔內(nèi)屢次反射不逸出腔外，而所有其他方向的光很容易逸出腔外。這相當于腔內(nèi)能夠存在的光場模式只有少數(shù)幾個，到達了光波模式的選擇作用。這實際上就是光學中熟知的法布里-珀羅干預儀，在激光原理中稱為光學諧振腔。2.光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線下面討論在有大量原子〔或分子〕組成的物質(zhì)中實現(xiàn)受激輻射放大條件。由式〔1-51〕可知，因，所以，即在熱平衡狀態(tài)下，高能級粒子集居數(shù)恒小于低能級集居數(shù)，當頻率的光通過物質(zhì)時，受激吸收光子數(shù)恒大于受激輻射光子數(shù)。因此，處于熱平衡狀態(tài)下的物質(zhì)只能吸收光子。在一定條件下物質(zhì)的光吸收可以轉(zhuǎn)化為光放大。這個條件就是，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光放大作用通常用〔增益〕系數(shù)G來描述。設在光傳播方向上z處的光強為I(z)，那么增益系數(shù)定義為(1-59)顯然，dI(z)正比于單位體積內(nèi)激活物質(zhì)的凈受激輻射光子數(shù)(1-60)假設，那么

(1-61)所以(1-62)如果〔〕不隨z變化，那么增益系數(shù)為一常數(shù)，式〔1-59〕為線性微分方程。積分式〔1-59〕，得(1-63)式中，為z=0處的初始光強。這就是線性增益或小信號增益情況，如圖1-8所示。增益飽和效應與此相應，可將單位體積內(nèi)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)差值表示為光強的函數(shù)，即(1-64)式中，為由激活物質(zhì)的性質(zhì)決定的飽和光強，為光強為零時單位體積內(nèi)的初始粒子反轉(zhuǎn)數(shù)差值。應用式〔1-64〕，我們可將〔1-62〕改寫為〔1-65〕或〔1-66〕式中=G〔I=0〕為小信號增益系數(shù)。如果在光放大器中光強始終滿足條件I<<，那么增益系數(shù)G〔I〕=為常數(shù)，且不隨z變化，這就是式〔1-63〕表示的小信號情況。在條件I<<不滿足時，式〔1-66〕表示的G(I)稱為大〔飽和〕信號增益系數(shù)。增益系數(shù)也是光波頻率的函數(shù)，一般應表示為.這是由于能級和各種原因總有一定的寬度，所以在中心頻率附近一個小范圍內(nèi)受激躍遷發(fā)生。對于均勻加寬物質(zhì)，當頻率為，光強為的準單色光入射時，其小信號增益系數(shù)和飽和增益系數(shù)分別為

〔1-67〕

〔1-68〕式中，為中心頻率處的小信號的增益系數(shù)；為增益曲線的寬度。對于非均勻加寬物質(zhì)，當頻率為時，光強為的準單色光入射時，其小信號增益系數(shù)和飽和增益系數(shù)分別為〔1-69〕〔1-70〕式中，為中心頻率處的小信號的增益系數(shù)；為增益曲線的寬度。兩種加寬機制的增益系數(shù)曲線型分別如圖1-9〔a〕、〔b〕所示。3.光的自激振蕩通常所說的激光器都指光自激振蕩器。在光放大的同時，通常還存在著光的損耗，我們可以引入光損耗系數(shù)來描述。定義為光通過單位距離后光強衰減的百分數(shù)，即〔1-71〕同時考慮增益和損耗，那么有〔1-72〕假設有極其微弱的光〔光強〕進入一無限長的放大器。開始光強I〔z〕將按小信號放大規(guī)律增長，但隨光強的增加，G(I)將由于飽和效應而按式〔1-66〕減小，因而光強的增長將逐漸變緩。

當G(I)=時，光強不再增加并到達一穩(wěn)定的極值〔見圖1-10〕。根據(jù)條件G(I)=，可求得為〔1-73〕可見，只與放大器本身的參數(shù)有關(guān)，而與初始光強無關(guān)一個激光器能產(chǎn)生自激振蕩模的條件，即任意小的初始光強都能形成確定大小的腔內(nèi)光強的條件，可由式〔1-73〕求得

即〔1-74〕

這就是激光器的振蕩條件。式中，為小信號增益系數(shù)；為包括放大器損耗和諧振腔損耗在內(nèi)的平均損耗系數(shù)。當時，稱為閾值振蕩情況，這是腔內(nèi)光強維持在初始光強的極其微弱水平上。當時，腔內(nèi)光強就增加，并且正比于?？梢娫鲆婧蛽p耗是激光器是否振蕩的決定因素。振蕩條件式〔1-74〕也可以表示為另一種形式。設工作物質(zhì)長度為，光腔長度為L，令為光腔的單程損耗，振蕩條件可改寫為：式中，稱為單程小信號增益。48激光的產(chǎn)生492、激光激光英文單詞為：Laser,它是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的縮寫,意思是受激輻射的光放大。503、受激輻射和光的放大

受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級E2，當一個外來光子所帶的能量hυ正好為某一對能級之差E2-E1,那么這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率〔能量〕相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光信號被放大。這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。51必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式充分條件：起振和穩(wěn)定振蕩〔形成穩(wěn)定激光〕4、激光產(chǎn)生的條件525、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

536、工作物質(zhì)、亞穩(wěn)態(tài)前面分析了產(chǎn)生激光的必要條件是受激輻射，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)又是產(chǎn)生激光的一個條件，激光的產(chǎn)生必須選擇適宜的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常必須的。547、形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)-----原子能級系統(tǒng)二能級系統(tǒng)考慮一個二能級〔〕系統(tǒng)的粒子數(shù)的分布情況。設有一光束通過此系統(tǒng)，頻率為：由于受激吸收和發(fā)射的存在，光束的能量要發(fā)生變化。經(jīng)dt時間后有：單位體積因吸收減少：單位體積因發(fā)射增加：能量總的變化為：55由愛因斯坦關(guān)系得：由上式可知，光束在傳播過程中能量密度的增減由括號中運算的值決定。據(jù)此可以把工作物質(zhì)狀態(tài)分為兩類：〔1〕粒子數(shù)正常分布，滿足：當物質(zhì)處于熱平衡時有：56由于于是粒子數(shù)分布總有工作物質(zhì)中具有較低能量的一個能級上的粒子數(shù)大于較高能量的一個能級上的粒子數(shù)即粒子數(shù)正常分布。

正常分布57〔2〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，滿足：光束在此工作物質(zhì)中傳播光能密度不斷增加。

反轉(zhuǎn)分布58

二能級系統(tǒng)不能充當激光工作物質(zhì),因為其不能實現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)。如果激光器運轉(zhuǎn)過程中有關(guān)的能級只有兩個，用有效的鼓勵手段把處于下能級E1的原子盡可能多地抽運到上能級E2。設能級E1和E2上單位體積內(nèi)的原子數(shù)分別為n1和n2，自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射的概率分別為A21、W12和W21。如果能級統(tǒng)計權(quán)重相等，因而W12=W21=W。E2能級上粒子數(shù)n2的速率方程為dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,當?shù)竭_穩(wěn)定時，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21)，可見，不管鼓勵手段如何強，〔A21+W〕總是大于W，所以n2＜n1。這說明，對二能級系統(tǒng)的物質(zhì)來說，不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。59激光物質(zhì)是三能級或四能級結(jié)構(gòu)如果鼓勵過程使原子從基態(tài)E1以很大概率W抽運到E3能級，處于E3的原子可以通過自發(fā)輻射躍遷回到E2或E1。假定從E3回到E2的概率A32大大超過從E3回到E1的概率A31，也超過從E2回到E1的概率A21，那么利用泵浦抽運使W＞W(wǎng)23或W＞W(wǎng)12時，E2和E1之間就可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。三能級系統(tǒng)n2n1n3E1E2E360在外界鼓勵下，基態(tài)E1的粒子大量地躍遷到E4，然后迅速轉(zhuǎn)移到E3。E3能級為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長。E2能級壽命較短，因而到達E2上的粒子會很快回到基態(tài)E1。所以在E3和E2之間可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。由于激光下能級不是基態(tài)，而是激發(fā)態(tài)E2，所以在室溫下激光下能級的粒子數(shù)很少，因而E3和E2間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)。n1四能級系統(tǒng)E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）618、泵浦源必須用外界能量來鼓勵工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。將粒子從低能級抽運到高能級態(tài)的裝置，稱為泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一個能量轉(zhuǎn)換器件，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?。從直接完成粒子?shù)反轉(zhuǎn)的方式來分，泵浦方式可分為：光鼓勵方式、氣體輝光放電或高頻放電方式、直接注入電子方式、化學反響方式、熱鼓勵、沖擊波、電子束、核能等方式。629、諧振腔

諧振腔的作用是限制輸出模式，同時還對激光頻率、功率、光束發(fā)散角及相干性都有影響。光學諧振腔結(jié)構(gòu)63諧振腔的作用(1)使激光具有極好的方向性(沿軸線)(2)增強光放大作用(延長了工作物質(zhì))(3)使激光具有極好的單色性(選頻)64激光的特點激光與其他光源相比具有的特點方向性好單色性好相干性好高亮度651.5常見激光器的種類和典型激光器自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光器的開展非常迅速。激光工作物質(zhì)已包括晶體、玻璃、氣體、半導體、液體及自由電子等數(shù)百種之多。鼓勵方式有激光鼓勵，熱鼓勵，化學鼓勵和核鼓勵等多種方式。固體激光器〔紅寶石激光器〕氣體激光器〔氦—氖激光器〕半導體二極管激光器染料激光器〔用在液體中能發(fā)出熒光的有機染料分子作為激活劑〕661.5.1固體激光器固體激光器是指以絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)的激光器。少量的過渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃，經(jīng)光泵鼓勵后產(chǎn)生受激輻射作用。光泵鼓勵固體激光器普遍采用光鼓勵方式把基態(tài)的粒子抽運到激發(fā)態(tài)，以形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)。光泵鼓勵分為氣體放電燈鼓勵和半導體激光器兩種方式。67以氣體放電燈為鼓勵光源是第一臺激光器問世以來廣泛采用的一種鼓勵方式。脈沖激光器采用脈沖氙燈，連續(xù)激光器采用氪燈或碘鎢燈。氣體放電燈鼓勵的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，其輻射光譜很寬，只有一局部能量分布在激光工作物質(zhì)的有效吸收帶內(nèi)，因此，激光器的效率很低，最常見的Nd:YAG激光器的效率在1%-3%之間。68半導體激光器鼓勵的固體激光器的總效率可做到7%-20%，遠遠高于放電燈鼓勵的固體激光器。此外，它還有小型化、全固態(tài)、長壽命等特點。半導體激光器泵浦可采用端面泵浦與側(cè)面泵浦兩種形式。端面泵浦固體激光器閾值功率低，效率高。由于列陣的發(fā)光面積大，采用側(cè)面泵浦方式更為有利。全固態(tài)激光器692.紅寶石激光器紅寶石是摻有少量Cr2O3的Al2O3晶體。4A24F24A24F1360nm-450nm510nm-600nm4A22E692.9nm〔R1〕694.3nm〔R2〕70

紅寶石激光器屬三能級系統(tǒng)，有較高的泵浦能量閾值，所以通常只能以脈沖方式運轉(zhuǎn)。但由于是三能級運轉(zhuǎn)，閾值泵浦能量高，應用遠不如釹激光器廣泛。又由于其輸出的是可見光，在動態(tài)全息、醫(yī)學等方面仍有應用價值。713.釹激光器釹激光器是使用最廣泛的激光器。以Nd3+局部取代Y3Al5O12晶體中Y3+離子的激光工作物質(zhì)稱為摻釹釔鋁石榴石〔簡稱Nd:YAG〕。4I9/24F5/22H9/2810nm4I9/24F7/24S3/2750nm4F5/22H9/24F3/24F3/24F7/24S3/24F3/24I11/21064nm4F3/24I9/2950nm4F3/24I13/21319nm72

4F3/2向4I13/2躍遷屬于四能級系統(tǒng)，躍遷幾率小，只是在設法抑制1064nm激光的情況下，才能產(chǎn)生1319nm的激光。

4F3/2向4I9/2躍遷屬三能級系統(tǒng)，在室溫下難以產(chǎn)生激光。

Nd:YAG激光器屬四能級系統(tǒng)，其泵浦能量閾值比紅寶石激光器低得多，而且釔鋁石榴石晶體還具有高的熱傳導率，易于散熱，因此Nd:YAG激光器不僅可以單次脈沖運轉(zhuǎn)，還可以用于高重復率或連續(xù)運轉(zhuǎn)。73

另一類釹激光是釹玻璃激光器，釹玻璃是在硅酸鹽或磷酸鹽玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的?？捎糜诖竽芰考す馄?。釹玻璃的熱傳導率低，振蕩閾值較Nd:YAG高，因此不宜用于連續(xù)和高重復率運轉(zhuǎn)。744.鈦寶石激光器它是一種連續(xù)可調(diào)固體激光器，其特點是在很寬的波長范圍〔660nm-1180nm〕內(nèi)連續(xù)可調(diào)。鈦寶石激光器已取代了染料激光器。鈦寶石中，少量Ti3+離子〔1.2%〕取代了Al2O3中的Al3+離子，自由的Ti3+離子有一個五重簡并的最低電子能級2D。在晶體中，由于晶格場的作用，2D能級分裂為2T2g〔基態(tài)〕和2Eg〔激發(fā)態(tài)〕兩個電子能級，激光躍遷正是發(fā)生在這兩個能級之間。鈦寶石激光器具有四能級系統(tǒng)。鈦寶石激光器大多采用激光泵浦?？捎米霰闷衷吹募す馄饔袣咫x子激光器、銅蒸汽激光器、倍頻的Nd:YAG或Nd:YLF激光器。激光器的調(diào)諧可通過諧振腔中的波長選擇元件實現(xiàn)。7576R為Ti3+離子和配位體離子的距離，二者的相對振動產(chǎn)生一系列振動能級，圖中用橫線表示。由于振動能級的能量間隔很小，因此大量的振動能級構(gòu)成了準連續(xù)的能帶。帶間的電子振動躍遷形成了波長范圍400nm-600nm的寬吸收帶，峰值吸收波長約為490nm。在光泵作用下可產(chǎn)生660nm-1180nm的寬熒光譜帶，其峰值波長在790nm附近。處于基態(tài)2T2g的Ti3+吸收泵浦光的能量并躍遷到2Eg能級的較高振動態(tài)，然后經(jīng)無輻射躍遷降落到較低振動態(tài)。于是2Eg能級的低振動態(tài)和2T2g能級的一系列振動態(tài)之間形成了集居數(shù)反轉(zhuǎn)。激光波長取決于2T2g哪一個振動能級為終端能級。終端能級Ti3+離子通過快速聲子弛豫過程返回低振動態(tài)。771.5.2氣體激光器氣體激光器是以氣體或金屬蒸汽作為工作物質(zhì)的激光器。氣體激光器光束的方向性好、單色性好。但氣體的激活粒子密度遠小于固體，需要較大體積的工作物質(zhì)才能獲得足夠的輸出功率，因此氣體激光器的體積一般比較龐大。通常采用氣體放電泵浦方式。除氣體放電泵浦外，氣體激光器可采用化學泵浦、熱泵浦及核泵浦等方式。781.He-Ne激光器He-Ne激光器是最早研制成功的氣體激光器。在可見光及紅外波段可產(chǎn)生多條譜線，其中最強的是632.8nm、1.15um、3.39um。放電管長數(shù)十厘米的He-Ne激光器輸出功率為毫瓦量級，放電管長1m-2m的激光器其輸出功率可達幾十毫瓦。由于其可輸出連續(xù)可見光，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、價格低廉等優(yōu)點，在準直、定位、全息照相、測量、精密計量、光盤錄放等方面得到了廣泛應用。79

陰極和陽極間通過充有氦氖混合氣體的毛細管放電使氖原子的某一對或幾對能級間形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)。雖然混合氣體中氦的含量數(shù)倍于氖，但激光躍遷只發(fā)生在氖原子的能級間，氦作為輔助氣體用來提高泵浦效率。80以632.8nm激光為例說明其鼓勵機制：在一定條件下，陰極發(fā)射的電子向陽極運動并被電場加速，快速電子與基態(tài)的He原子發(fā)生非彈性碰撞時，將He原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)21S0而自身減速。21S0是亞穩(wěn)態(tài)，可積累大量He原子。當激發(fā)態(tài)He原子〔表示為He*〕和基態(tài)Ne原子發(fā)生非彈性碰撞時，將Ne原子激發(fā)到3S2能級，這一過程稱為共振能量轉(zhuǎn)移，可表示為He*〔21S0〕+Ne〔11S0〕Ne*〔3S2〕+He〔11S0)+ΔE〔-386〕cm-18182由于He原子的21S0和Ne原子的3S2能級十分接近，因而產(chǎn)生很大的共振能量轉(zhuǎn)移截面。而激光躍遷的下能級2P4上的Ne原子僅來源于電子碰撞激發(fā)和高能級的串級激發(fā)，其壽命又比上能級3S2的壽命小一個量級，所以在Ne原子的3S2和2P4能級間很容易建立集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)并實現(xiàn)連續(xù)激光運轉(zhuǎn)。He-Ne激光器有三條最強的激光譜線(632.8nm，1.15um，3.39um〕，哪一條譜線起振取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。83

由于632.8nm和3.39um兩條譜線具有相同的上能級，因此這兩條譜線之間存在競爭。由于增益系數(shù)正比于波長的三次方，在較長的632.8nmHe-Ne激光器中，雖然介質(zhì)膜反射鏡對632.8nm波長的光具有較高的反射率，仍然會產(chǎn)生較強的3.39um波長的放大的自發(fā)輻射和激光，這將使上能級集居數(shù)減少而導致632.8nm激光功率下降。為了獲得較強的632.8nm激光輸出，可采用以下方法抑制輻射的產(chǎn)生：借助腔內(nèi)棱鏡色散使3.39um激光不能起振在腔內(nèi)插入對3.39um波長的光吸收元件；借助軸向非均勻磁場使3.39um譜線線寬增加，從而使其增益下降。84影響He-Ne激光器輸出功率的因素除工作物質(zhì)尺寸、諧振腔損耗和輸出耦合外，還有氣體放電電流參數(shù)、充氣氣壓、He氣與Ne氣兩種氣體的比例及毛細管的管徑等。He-Ne激光器輸出功率并不隨放電電流的增加單調(diào)上升，其間存在一使輸出功率最大的最正確放電電流。He-Ne激光器輸出功率與充氣壓強p和管徑d有關(guān)，存在一個使輸出功率最大的最正確pd值。He氣與Ne氣兩種氣體的比例也會影響輸出功率。產(chǎn)生激光的Ne原子比例過小會使輸出功率減小，但是由于Ne的電離電位較低，其比例過大會因電離過多而使電子、離子數(shù)目增加，在較小的電場下就能維持一定的放電電流，低電場導致電子溫度下降使激發(fā)速率降低，從而輸出功率隨之降低。852.Ar+激光器中性Ar原子的電子組態(tài)3P6，放電過程中，Ar與快速電子碰撞后電離，形成基態(tài)氬離子，其電子組態(tài)為3P5。激光躍遷發(fā)生在Ar+的電子組態(tài)3P44P和3P44S之間。由于3P44P和3P44S電子組態(tài)均對應假設干個能級，所以連續(xù)工作的Ar+激光器可產(chǎn)生9條藍綠光譜線，其中最強的是488nm和514.5nm。在腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件，可獲得單譜線激光。8687激光躍遷上能級〔4P〕粒子的積居主要通過三種途徑實現(xiàn)：基態(tài)Ar+與電子碰撞后直接躍遷到4P能級；基態(tài)Ar+與電子碰撞后躍遷到高于4P的其他能級，再通過級聯(lián)輻射躍遷至4P能級；基態(tài)Ar+與電子碰撞后躍遷到低于4P的亞穩(wěn)態(tài)后再次與電子碰撞并躍遷至4P能級。88由于Ar原子的電離能量〔約15eV〕和激光躍遷上能級的激發(fā)能量〔約20eV〕較高，正常運轉(zhuǎn)所要求的平均電子動能〔溫度〕很高。而且Ar+激光器必須采用大電流弧光放電激發(fā)。為了提高放電電流密度，放電應集中在毛細管中心1mm-2mm范圍內(nèi)。為此沿放電毛細管加一軸向磁場，磁場的洛侖茲力可約束電子和離子向管壁擴散。但在使電子集中在管中心的同時也大大降低了軸向電場強度，從而導致電子溫度和電離度降低，因此存在一個使輸出功率最大的最正確磁場強度值。893.CO2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、輸出波長〔10.6μm〕正好處于大氣窗口。因此，廣泛應用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及軍事領(lǐng)域。CO2激光器以CO2、N2和He的混合氣體作為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在CO2分子的電子基態(tài)的兩個振動-轉(zhuǎn)動能級之間。N2的作用是提高激光上能級的鼓勵效率，He那么有助于激光下能級的抽空。分子的總能量包括以下四局部：①電子繞核運動的能量；②分子中原子的振動能量；③分子的轉(zhuǎn)動能量；④分子的平動動能。其中前三種運動的能量是量子化的。90N2分子只有一種振動方式，圖中所示為振動量子數(shù)υ等于0和1的振動能級。CO2分子的三個原子以對稱振動、彎曲振動和反對稱振動三種方式相對振動，以υ1、υ2和υ3分別表示振動量子數(shù)，其取值為零或正整數(shù)。910001向1000躍遷產(chǎn)生10.6um波長的激光，0001向0200躍遷產(chǎn)生9.6um波長的激光。由于以上躍遷具有同一上能級，而且0001向1000躍遷的幾率大得多，所以CO2激光器通常只輸出10.6um激光。假設要得到9.6um波長的激光振蕩，那么必須在諧振腔中放置波長選擇元件抑制10.6um的激光振蕩。在CO2激光器中，通過以下三個過程將CO2分子激發(fā)到0001能級：直接碰撞級聯(lián)躍遷共振轉(zhuǎn)移：幾率最大，作用也最顯著。92CO2分子激光下能級的抽空