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1、第5章 典型激光器,5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质,一、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)。,图5-1 固体激光器的基本结构示意图,5.1 固体激光器,二、红宝石激光器,（1）红宝石晶体 红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体(化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶体。 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的
2、Cr3+密度为ntot=1.58x1019cm-3。,红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3后失去外层三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电子组态为3d3。红宝石的光谱特性就是Cr3+的3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子完全暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。Cr3+在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析,已确定红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。如图5-3所示。4A2是基态又是激光下能级,其简并度g1=4,2E是亚稳态,它是由能量差为29cm的2A
3、和E二能级组成,其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收能带。,图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构,红宝石的吸收光谱如图5-2所示。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近,称为紫外带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55m附近,称为黄绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约0.1um左右。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。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下,其吸收曲线略有差别,见图5-2。,图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱,图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构,红宝石有两条强荧光谱线(R
4、1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。,通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943m线才能形成激光输出。,应指出,红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占 47%,E能级上约占53%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约1
5、0ns)转移到E上去,这就加强了R1线,而抑制了R2线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的粒子均将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。,红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。 但具有很多优点,如: 机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍
6、属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。,图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构,Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度为1.381020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A12
7、03、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。,三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG) YAG, an acronym for yttrium aluminum garnet),掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图(5-4)所示,图(5-4) Nd3:YAG 晶体的吸收光谱,图(5-5) Nd3:YAG 的能级结构,YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示。它属于四能级系统。,1.06um比1.35um的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振,进而抑制1.35um谱线起振,所以Nd3+:YAG激光器通常
8、只产生1.06um激光。只有采取选频措施，才能实现1.35um波长的激光振荡。,四、钕玻璃激光器 继1960年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量为1%5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为31020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径30100mm,可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。,钕玻
9、璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的 器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。,E4:含三个吸收带(抽运能带) *(吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带),E3:三条激光谱线公共的激光上能级,E2: 含二条激光谱线的二个激光下能级(四能级系统), 即,钕玻璃的能级结构和跃迁光谱,E1:基态, 一条激光谱线的激光下能级(三能级系统):,跃迁谱线: 1.06m:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; 1.4m: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观 察到; 0.9m:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不 出现.,5.1.2 固体激光器的泵浦系统,一、
10、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯(灯内充入氙、氪等惰性气体)、金属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器、日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝石钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与Nd:YAG泵浦吸收带相匹配,故在连续和小能量脉冲Nd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨灯用220V电压即可,使用简单、方便,在功率小于1OW的连续Nd:YAG器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压汞蒸气灯,它的
11、辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。,在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。,二、泵浦光源应当满足两个基本条件。有很高的发光效率辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.,1 惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。见图 (a)。 电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电极要设计成水冷结构,见图(b),灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。
12、灯管内充入氙(Xe)、氪(kr)气体。,2 氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时,辐射的特征谱线的峰值波伏在0.84、0.9和1um附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的特征谱线的峰值波长在0.76、0.82和0.9um附近。可见,氪灯的特征谱线与Nd:YAG的主要泵浦吸收带相匹配,因此连续和小能量(10J)脉冲Nd:YAG激光器用氪灯泵浦效率较高。实验发现、充气压增高,特征谱线的线宽也增加。随着放电流密度的增大,连续谱增加的份量比线谱多,当电流密度增加到一定值后,连续谱逐渐掩盖了线光谱,与黑体辐射相接近,且短波部分的增长比长波快,光谱重心移向短波。因此,在高电流密度放电情况
13、下,有利于红宝石的吸收。大中型钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器,由于泵灯的放电电流密度高,灯辐射的特征谱线相对减弱,此时应采用辐射能量大、效率较高的脉冲氙灯。,3 聚光器(或称泵浦腔)的作用是将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去聚光器设计得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。,（1）.聚光器的类型 椭圆柱聚光器。这种聚光器的内反射表面的横截面是一椭圆。因为从椭圆一个焦点发出的所有光线,经椭圆面反射后将会聚到另一焦点上。因此,如果把直管灯和棒分别置于椭圆柱聚光器的两条焦线上(如图a所示),则可以得到比较好的聚光效果。这种放置方法称为“焦上放置”也可将泵灯和激光棒平行地安置在焦线和腔
14、壁之间,这种放置称为“焦外放置”。(如图b所示),椭圆长辅上焦点外任意点发出的光,经椭圆反射后必交于另一端焦点外的长袖上,因此,焦外放置的棒可以截获焦外放置的泵灯所辐射的大部分能量。焦外放置不如焦上放置成象质量好,但采用焦外放置,结构设计上可以做得比较紧凑。,图b椭圆腔的焦外几何光路,图a椭圆柱聚光腔,设椭圆的长半轴为a,短半轴为b,焦距为2c,偏心率为e=c/a.理论和实验分析发现,在灯内径和激光工作物质确定后,e越小,聚光器的聚光效率越高,因为e小,泵灯截面经椭圆面反射后成象弥散小,光能被工作物质截获得多。但e太小,意味着a大或c小.a大则聚光器尺寸大。c小则二焦点靠得近,采用“焦点“放置
15、时则灯和工作物质靠得近,直照强,容易造成工作物质光照不均匀,影响激光光斑质量.因此,一般取e=0.4为宜。,为了尽可能利用沿轴向发射的泵灯光能,在椭圆柱的两端应有反射端面。但当聚光器横向尺寸较小,而轴向尺寸比棒、灯长得多时,两端也可以不加反射面,因为此时可利用的轴向光能很少。,圆柱聚光器.这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔,激光棒和泵灯置于轴线两侧.由于圆相当于焦点重合的椭圆,因此圆柱聚光器内棒、灯的放置相当于椭圆柱聚光器的“焦外放置“。,圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光器强,而且在同样棒、灯直径情况下,圆柱聚光器横截面积大,体积也大。但它具有结构简单、加工方便等优点。,（2） 聚
16、光器的材料选择 制做聚光器时，常用的金属材料是铝、铜和不锈钢，常用的非金属材料有玻璃、陶瓷等。 铝通常用在轻型系统中；如果重量要求不严时，最好选用铜，这是因为铜的热胀、热导率高；不锈钢具有不易生锈和抛光精度高等优点，但热导率很低，仅为铜的 110。玻璃和陶瓷虽然易碎，导热性差，但它们具有金属所没有的优点，如不生锈，不易被腐蚀。陶瓷的漫反射性能也好，可制成反射率很高的漫反射激光器。,三、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。,四、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。,5.1.3 固体激光器的输出特性,1. 固体
17、激光器的激光脉冲特性,2. 转换效率,总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：,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)m，各短脉冲之间的间隔约为(510) s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。,固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为0.5%0.1%左右,YAG激光的总体效率为1%2%左右.这是因为放电灯的发射光谱由连续谱和线状谱组成,覆盖很宽的波长范围,其中只有与工作物质吸收波长相匹配的波段的光可有效地用于激励.
18、,采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激光器效率. 例如,Nd:YAG中宽约30nm的810nm泵浦吸收带中含有多条吸收谱线,若用波长为810nm的半导体激光二极管输出光泵浦可以准确对准2nm的810nm吸收谱线,半导体激光二极管激励的固体激光器的总体效率可以做到20%50%左右.,5.2 气体激光器,5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器,一、HeNe激光器的结构,HeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。,图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式,放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由
19、毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用 热胀系数小的石英玻璃制作。,HeNe激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。,HeNe激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面
20、镜为输出端，透过率约1%2，凹面镜为全反射镜。 HeNe激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。,内腔式如图中(a)所示，将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端，其优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用
21、寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式。,外腔式如图中（b）所示，优点：这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便，体积大，安装使用不方便，易破碎。,二、氦和氖原子的能级图 激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激光跃迁的是Ne气。He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。图（
22、5-10）为He和Ne的能级图。He原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。,图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图,Ne原子有10个电子，基态1S0(电子分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。,三、HeNe激光器的激发过程 在HeNe激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图可
23、见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%，其转移过程如下：,共振转移,第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。,第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。,图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图,根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即0.6328um、3.39um和1.15um，
24、对应跃迁能级分别为3S22P4,3S23P4和2S22P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这就是为什么HeNe激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，HeNe激光器是典型的四能级系统。,四、HeNe激光器的输出特性,谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线： 3S2P 0.6328m ， 2S2P 1.15m ， 3S3P 3.39m 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。见图(5-10),0.6328um和3.39umm两条
25、激光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系数比较高,如果不进行抑制,则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子。抑制3.39um辐射的办法主要有:,图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图,选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜,使3.39um达不到阈值条件,如下图所示,在腔内加色散棱镜,将两谱线分开,通过调整谐振腔反射镜的位置,只允许0.6328um的辐射起振,而使3.39um的辐射偏离出谐振腔外;,腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振荡;,外加非均匀磁场也能抑制3.39
26、um振荡。根据塞曼效应,磁场可引起谱线分裂,分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分布不均匀,则各处谱线分裂程度不同并连成一片,相当于谱线变宽。300高斯非均匀磁场中,两谱线加宽均约900MHz,0.6328umm原谱线半宽度约1500MHz,非均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39um原谱线宽只有300MHz左右,非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽,所以外加非均匀磁场后,3.39um的增益系数急剧下降,而0.6328m的增益系数却下降很少.结果提高了0.63281um的竞争能力,3.39um则被抑制。外加非均匀磁场的装置如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁,相邻的极性
27、相同,这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。,(2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。,图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线, 图（5-11）表示输出功率与放电电流的关系曲线。曲线表明:在气压比为定值时,每个总气压都存在一个输出最大的放电电流,其大小随着总气压的升高而降低,这是因为气压升高,只需要较小的放电电流就能得到相同的电子密度。 在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流, He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。 实验发现，氦气与氖气的分压比为71时是最佳分压比。而总压强在100Pa400Pa。,选用H
28、e气作辅助气体的原因: Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级 ； He*与Ne*能级极相近, 易发生能量共振转移 。,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。,图给出了在不同的毛细管内径d和长度l时,输出功率与充气总气压和气压比的实验曲线。由图可见,内径d不同,最佳充气压和气压比也不同。气压也增加。计算可得:当取最佳充气条件时,最佳气压Popt与毛细管内径的乘积约为一常数,一般Poptd=480533Pamm.,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。,五、HeNe激光器的寿命 HeNe激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率
29、会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面：,1慢漏气 当放电管密封不严密时，空气中的氮、氢等气体分子会渗透到管内，使放电条件改变并加快氦、氖原子激发态的消失速率，无疑，这将影响器件输出功率。出现慢漏气时，激光器的放电颜色将由正常放电时的橙红色变为紫色（紫色是氮分子辉光放电产生的）。,容易出现慢漏气的地方有：电极与玻璃封接处；谐振腔反射镜或布儒斯特窗与放电管粘合处以及吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔。为防止慢漏气，要提高封接工艺水平并改革现有封接方法。,2放电管内元件放气 放电管内的元件及放电管内壁都会吸
30、附杂质气体，如果除气不彻底，以后就会慢慢释放出来。同时激光管清洗得不干净时，污物和洗液也会放出大量杂质气体，这些杂质气体会改变原充气的气体成分，影响输出功率。,为克服放气，要对放电管及其内部元件进行认真清洁处理和除气。此外，在放电管内可放置吸气剂，例如钡钛、钡铝镍等，它们可吸收大量氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧、氢等，但不吸收氦、氖。,3阴极溅射 阴极在正离子轰击下会产生阴极溅射，溅射出来的金属材料会吸收工作气体，导致管内工作气压降低。同时溅射物质还会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片。,为了减少溅射，要选用不易溅射的金属做电极，并避免表面放电电流密度超过溅射阈值。为防止溅射物吸收造成的工作
31、气压降低，在充气时可略高于最佳总气压。,4工作气体的吸附、吸收和渗透 放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面，或吸收到金属和玻璃内部，甚至还会透过管壁渗透到大气中去。氖的电离电位比氦低，它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直径比氖小，它渗出管外的能力比氖强。,由于这些原因，管内的总气压和氦、氖气压比会慢慢变化，使之偏离最佳工作状态，造成输出功率下降。,为防止氦气渗出，要选用渗氦低的材料做放电管。为防止氦气渗出造成气压比降低，充气时充入的气压可高于最佳气压比。还可以采用三层套管，即在放电管外再加一层氦气补偿套管，管内充入的氦气，气压应高于放电管内的气压。,5谐振腔反射镜的污染 溅射沉积在反射镜上
32、或放电管内未加清除掉的污物挥发后会沉积到反射镜上，促使其反射率下降。为防止反射镜污染，除认真清洁内部和减少溅射外，设计HeNe激光器时，应注意反射镜到阴极的距离要大于3cm。 目前HeNe激光器最长的寿命可达10万小时。,C02激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长(10.6um) ，广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。 C02激光器以C02、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率, 有助于激光下能级的抽空。,5.2.2 二氧化碳激光器,一、 CO2激光器的结构,图(5-12)
33、 封离式CO2激光器结构示意图,图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐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。,二、 CO2激光器的激发过程,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。,图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图,C02激光器中,通过以下三个过程将C02分子激发到0001能级,1.直接电子碰撞 电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过程可表示为 C02(0000)+e C02(0001)+e,2.级联跃迁 电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级,基态C
34、02分子与高能级C02分子碰撞后跃迁到激光上能级,此过程可表示为 C02(0000)+C02(000n)C02(0001)+C02(000n-1),3.共振转移 由于N2分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿命较长的亚 稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程可表示为 C02(0000)+N2(v=1)C02(0001)+N2(v=0),由于C02分子0001能级与N2分子v=1能级十分接近,能量转移十分迅速。此外,N2分子的v=24能级与C02分子00020004也十分接近,相互间也能发生共振转移,
35、处于00020004的C02分子与基态C02分子碰撞可将它激励至0001能级。,图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图,在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大,作用也最为显著。,C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。,一旦实现了(0001)与 (1000)、 (0200) 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生: 00011000跃迁产生10.6um波长的激光光00010200跃迁产生9.6um波长的激光。 由于以上跃迁具有同一上能级,而且00011000跃迁的几率大得多,所以C02激光器通常只输出10.6m激光。若要得到9.6um的激光振荡,则必须在谐振腔中放
36、置波长选择元件抑制10.6um激光振荡。,三、 CO2激光器的输出特性,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：随着管径增大，最佳放电电流也增大。 例如：管径为 2030mm 时，最佳放电电流为3050mA 管径为5090mm 时，最佳放电电流为120150mA,(1) 放电特性,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
37、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，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。,(2) 温度效应,5.2.3 Ar+离子激光器,一、 Ar激光器的结构,Ar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。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。,图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图,二、 Ar激光器的激发机理,Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示,Ar+激光器的激活粒子是Ar+， Ar+激光器的激发过程分两步进行：通过气体放电，将氩原子Ar电离,再通过放电激励将Ar+激发到激光上能级,图（5-15）为Ar+离子
38、与激光产生过程有关的能级图。中性Ar原子在放电过程中，与快速电子碰撞后电离,形成处在基态P5上的Ar+离子。该基态Ar+离子再与高速电子碰撞，被激发到高能态。当激光上下能级间生产粒子数反转时，即可生产激光。,激光跃迁上能级(3P44P )粒子的积聚主要通过三种途径实现: (1)基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到3P44P 能级;,(2)基态Ar+与电子碰撞后跃迁至高于3P44P 的其他能级,再通过级联辐射跃迁至3P44P 能级;,(3)基态Ar+和电子碰撞跃迁至低于3P44P 的亚稳态能级后再次与电子碰撞并跃迁至3P44P 能级。,由于Ar原子的电离能量(15eV)和激光跃迁上能级的激发能量(2
39、0eV)较高,正常运转所要求的平均电子动能(电子温度)很高。为了提高电子温度,氩离子激光器中的充气压强一般在150Pa以下。但低压强意味着Ar原子密度小,为了提高电离和激发速率,必须增加放电管内的电子密度。,所以氩离子激光器必须采用大电流孤光放电激发,放电管内电流密度通常超过106A/m2。氩离子激光器的输出功率随放电电流的增长而迅速增长,但电流过高也会因多重电离的出现和高温引起的谱线加宽而导致增益和输出功率的下降。 为了提高放电电流密度,放电应集中在放电毛细管中心12mm范围内。为此沿放电毛细管加一轴向磁场,磁场产生的洛仑兹力可约束电子和离子向管壁扩散。但在使电子集中在放电管中心的同时也降低
40、了轴向电场强度,从而导致电子温度和电离度降低,因此存在一个使输出功率最大的最佳磁场强度值。 高密度电流放电产生的高温等离子体使放电毛细管承受很大的热负荷。高能离子轰击管壁及电极时溅射剥落的颗粒会污染气体和窗口。因此放电毛细管材料必须满足耐高温、导热性好、抗溅射和气密性好等要求。常用的毛细管材料是石墨和氧化铍陶瓷,最近发展了一种钨盘-陶瓷毛细管结构。,三、 Ar激光器的工作持性,(1)多谱线工作,激光跃迁发生在Ar+的电子组态3P44P和3P44S之间。前者的寿命约为10-8s,后者通过自发辐射迅速消激发,其寿命约为10-9s。由于3p44P和3P44s电子组态均对应若干子能级,所以连续工作的氩
41、离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线,对应每条谱线都有一个阈值电流 。其中以488nm和514.5nm谱线最强。在谐振腔内插入棱镜等色散元件,可以获得单谱线激光。,(2)输出功率与放电电流的关系,由于Ar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(5-16)示出了其间的关系曲线。,图(5-16) Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线,放电电流较小时输出功率与放电电流成四次方的关系，随着放电电流的增大，输出功率与放电电流成平方的关系。这是因为，随着电流密度的增大，使气体温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长的速度变慢。,5.3 染料激光器,染料激光器采用溶于
42、适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。,适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。,一、 染料分子能级,图(5-17) 染料分子能级图,染料分子的能级如图所示,染料分子能级的特征可用“自由电子”模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云,电子云中的2n个电子与势阱中的自由电子相似。当分子处于基态时,2n个电子填满n个最低能级,每个能级为两个自旋相反的电子所占据,总自旋量子数为零,形成单重态S0。当分子处于激发态时,电子云中有一个电子处于较高能级。若此电子自旋方向不变,则总自旋量子数仍为零,形成S1、S2等单重激发态。若此电子自旋反转,则形成T1、T2等三重态。由选择定则可知,单重态和三重
43、态之间的跃迁是禁戒的。每一个电子态都有一组振动转动能级。电子态之间的能量间隔为106m-1量级,同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为105m-1,而转动子能级间的能量间隔仅为103m-1量级。实际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽,使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上对应一个准连续能带。,图(5-17) 染料分子能级图,二、 染料分子的光辐射过程,图(5-17) 染料分子能级图,染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到S1的某一振转能级后,在和溶剂分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能级时产生荧光
44、。跃迁至S0的较高振转能级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程返回S0的最低能级。由以上叙述可知,在S1的最低振转能级和S0的较高振转能级间极易形成粒子数反转分布状态。产生激光。由于S0和S1都是准连续带,吸收谱和荧光发射谱都是连续的,所以染料激光器有很宽的调谐范围。,三、 染料分子的三重态“陷阱”,处于S1态的分子还可通过碰撞容易地向T1态跃迁,这一过程称作系际交叉,其速率KST一 般为10-2ns-l左右,虽然这一速率较S1态的自发辐射速率(ns-1)小得多,但由于T1态的寿命T较长(10-410-3s),分子较易积聚在T1态,所以T1态对于激发分子来说，相当一个“陷阱”。 一方面， T1占有
45、S1上部分分子，减少了S1对S0的反转粒子数，另一方面， 积累在T1中的大量分子又会吸收光能，由T1跃迁到T2，并且而T1T2跃迁的吸收波长又恰好与S1S0跃迁荧光波长重叠,这意味着T1态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向T2态跃迁,因此染料分子在T1态集聚不利于激光运转。显然,只有在S1S0受激辐射产生的增益大于T1T2跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光振荡。,图(5-17) 染料分子能级图,5.3.2 染料激光器的泵浦,通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频Nd3+:YAG激光器发射的532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,而连续染料激光器则常用氩或氪离子激光器作泵浦源。显
46、然,泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。可以采用光栅、棱镜、标准具及双折射滤光片等波长选择元件对染料激光器进行波长调谐。,一、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。,二、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(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，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。,图(5-19) 三镜腔式染料激光器,图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。,在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想
47、的可调谐激光器。目前已在紫外(330mn)到近红外(1.85um)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获得了广泛应用。,5.3.3 染料激光器的调谐,1. 光栅调谐,图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。,图(5-20) 光栅-反射镜调谐腔,图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。,G的不同波长的一级衍射相对发射镜R2来说，有不同的入射角。于是，当旋转R2使某一波长光的入射角为0时，该波长的光便能低损耗地返回谐振腔，形成振荡。因此旋转R2便
48、起到调谐的作用。,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，将泵浦光偶合到腔内，并且与染料流形成同轴泵浦形式。,图(5-21) 棱镜调谐腔,由于棱镜的色散作用，来自M3 、 M2的不同波长的光，将有不同的折射方向。当旋转平面发射镜M1使其与某一波长的光垂直时，该波长的光就能返回谐振腔，形成振荡。,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Ar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(522)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。,图(5-
49、22) 典型染料激光器原理示意图,由于染料属于均匀加宽工作物质,插入了隔离器的环行谐振腔使腔内激光成为行波,因此这个激光器可以单纵模运转。谐振腔中的各种波长选择器件则保证波长的精细调谐。,由于染料具有较宽的频带,所以可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲,以若丹明6G为工作物质的碰撞锁模染料激光器可产生约30fs的超短激光脉冲,这种光脉冲还可压缩成脉宽仅为6fs的超短光脉冲,这是目前世界上最窄的光脉冲。,在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想的可调谐激光器。目前已在紫外(330mn)到近红外(1.85um)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获得了广泛应用。,5.4 半导体激光器,以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。其特点为超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。