激光的基本知识
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E1
的发光粒子在
E 2 E1 h 光子诱
E2
受激吸收跃迁 定义：处于低能级E1的发光粒子吸收了 E 子后,跃迁到高能级E2。
E1 E2
2
E1 h
光
二、激光的特点
方向性强 亮度大
单色性好
相干性好
方向性强：激光几乎是一束定向发射的平行 光，其发射角很小，可在1〃以下。用红宝石激 光器将直径为1mm的光束射向月球，通过 380000km的距离，月球上的光斑直径仅有1.6km 而普通探照灯（光束直径约为0.3m）射出1km， 光斑直径就有10m。
氦氖激光器（四能级系统） E4 E3 E2 E1
(10-8s) (10-3s)
E4 E3 E2 E1
h
He-Ne激光器的结构可以分为内腔式、外腔式 和半内腔式三种，如图所示。
He-Ne激光器的基本结构形式
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。 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。 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。
相干性好：激光的线谱宽度极窄，相应在空 间的分布也不随时间的变化，其相干长度可达到 100km，而普通单色光的相干长度只有米的量级。 激光横向相干面积也很大，其光截面的各个部分 都是相干波源。
三、激光器构造
1、激光工作物质 (1)激活粒子(分子、原子、离子) (2)基质 寄存激活粒子的材料
发光
2、泵浦源(光泵、放电管)
1960年5月15日，在休斯公司的一 个研究室里，年轻的美国物理学 家梅曼正在进行一项重要的实验。 他的实验装置里有一根人造红宝 石棒。突然，一束深红色的亮光 从装置中射出，它的亮度是太阳 表面的4倍！这是一种完全新型的 光，科学家渴望多年而自然界中 并不存在的光，它被命名为Laser， 是英文“受激辐射光放大"大缩写， 这就是激光。产生激光的装置被 称为激光器。激光和激光器的问 世，被称为20世纪最重大的科学 发现之一。
1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激 光技术的诞生。
自发辐射跃迁 定义：发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级E1, E E 并发射一个频率为 的光子。 h
2 1
E2
E1
受激辐射跃迁 定义：处于高能级E2 发下,跃迁到低能级E1,并发射一与诱发光子同一 光子态的光子。
示的端泵浦方式和侧泵浦方式。
半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
亮度大：目前，功率极大的激光，其亮度 可达到太阳亮度的100亿倍以上。若用透镜将起 会聚，可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度。 因此，它可在极小的局部范围内产生几百万摄氏 度的高温，几百万个大气压的高温和几十亿伏特 每米的强电场。
单色性好：单一频率的光是理想的单色光。激 光近乎单一频率。例如氦氖激光器输出激光的中心 波长λ=632.8nm，激光谱线的线宽△v=10-4Hz；普 通光源中单色性最好的氪灯，λ=605.7nm，而 △v=104---106Hz。
激光器的基本知识
一、激光的起源
激光又名镭射 (Laser)，它的全名是“辐 射的受激发射光放大” （Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation）
某些物质原子中的粒子受光或电的激发，由 低能级的原子跃迁为高能级的原子，当高能级原 子的数目大于低能级原子的数目时，就发射出位 相、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激 光。
• 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，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 • 最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、3.39m 和1.15m ，常用的为0.6328m • 四能级系统
（2）ＣＯ２激光器 • • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
CO2激光器的结构和激发过程下图是一种典 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。
工作 物质
掺 杂 泵浦系统 激光波长
脉冲氙灯、 高压 脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体 汞蒸气灯 0.6943m 1.0640m 1.0600m 三能级系统 四能级系统 四能级系统
六、典型激光器
1、气体激光器 （1） 氦-氖(He-Ne)激光器
• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出， 多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输 出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（ 可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定 • He-Ne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，放电管是 He-Ne激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛 细管和贮气室构成。
可得到相邻两个本征纵模之间的频率间隔应为： c q 2nL G0()
Gm
Gt
T
两红线之间的频率间隔为： q
五、激光器的分类
1、工作物质形态---可以分为气体、固体、半导体、 液体、等
2、工作方式---连续工作和脉冲工作
3、激光技术---调Q激光器、锁模激光器、倍频激光器、 可调谐激光器、单模和多模激光器等
对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转
3、谐振腔(半反镜与全反镜)
(1)维持激光振荡 (2)改善激光质量如单色性、方向性
四、本征纵模频间隔
1、定义
2、计算 证
相邻两个纵模的频率间隔
c Leabharlann Baidu q 2nL
由驻波条件：光波从腔内某一点出发，经过往返 一周的传播后，再回到原来的位置上时应与出发 时同相位，也就是说光波往返一周的的位相延滞 等于2pi的整数倍。数学表达式为： c Lq 其中： 2 n
Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图所示。 它属于四能级系统。
Nd3＋:YAG 的能级结构
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图
3、半导体激光器泵浦固体激光器
半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图所
CO2 和 N2 KrF*、ArF*
氩离子（Ar+ ） 、氦— 镉（ He-Cd ）离子激 光器
一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、 谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成
基 质 红宝石激光器 刚 玉 晶 体 （Al2O3） Cr2O3 Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12 Nd2O3 钕玻璃激光器 钛宝石激光器 光学玻璃 （硅酸 刚 玉 晶 体 盐，硼酸盐、磷 （Al2O3） 酸盐） Nd2O3 Ti2O3 闪光灯泵浦、 激 光泵浦 0.795m 调 谐 0.66~1.1m
由上式可得：
qc Lq 2 2n
得本征纵模的频率为
c q q 2nL
该式的物理意义是，当谐振腔长度给定后，它 只能对频率满足该式的激光模式提供正反馈，使之 产出振荡。满足这个谐振条件的驻波场或本征纵模 有无数多个。q表示对应模序数q的本征纵模频率。
由本征纵模的频率
c q q 2nL
2、固体激光器
• 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。下图是长脉冲 固体激光器的基本结构示意图。
Nd:YAG激光器
工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉 中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离 子(Nd3＋)，其吸收光谱如图所示。
CO2激光器温度效应
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。
气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
所采用的物质 氦、氖、氩、氪、 氙、氧、溴、碘、 原子 氮、硫、碳、铯、 镉、铜、锰、锡等 金属原子蒸气 分子 未电离的气体分子 CO2、N2、O2、CO、 N2O 和水蒸气等 工作气体在常态下为原子，当 Ar2* 、 Xe2* 、 XeF* 、 准分 激发时，可暂时形成寿命很短 KrF*、ArF*、XeCl*、 子 的分子，称为准分子 XeBr*、XeQ*、KrQ* 等 离子 利用电离后气体离子产生激光 惰性气体离子和金 作用 属蒸气离子 产生激光作用的物质 未电离的气体原子 典型代表 He-Ne laser
的发光粒子在
E 2 E1 h 光子诱
E2
受激吸收跃迁 定义：处于低能级E1的发光粒子吸收了 E 子后,跃迁到高能级E2。
E1 E2
2
E1 h
光
二、激光的特点
方向性强 亮度大
单色性好
相干性好
方向性强：激光几乎是一束定向发射的平行 光，其发射角很小，可在1〃以下。用红宝石激 光器将直径为1mm的光束射向月球，通过 380000km的距离，月球上的光斑直径仅有1.6km 而普通探照灯（光束直径约为0.3m）射出1km， 光斑直径就有10m。
氦氖激光器（四能级系统） E4 E3 E2 E1
(10-8s) (10-3s)
E4 E3 E2 E1
h
He-Ne激光器的结构可以分为内腔式、外腔式 和半内腔式三种，如图所示。
He-Ne激光器的基本结构形式
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。 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。 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。
相干性好：激光的线谱宽度极窄，相应在空 间的分布也不随时间的变化，其相干长度可达到 100km，而普通单色光的相干长度只有米的量级。 激光横向相干面积也很大，其光截面的各个部分 都是相干波源。
三、激光器构造
1、激光工作物质 (1)激活粒子(分子、原子、离子) (2)基质 寄存激活粒子的材料
发光
2、泵浦源(光泵、放电管)
1960年5月15日，在休斯公司的一 个研究室里，年轻的美国物理学 家梅曼正在进行一项重要的实验。 他的实验装置里有一根人造红宝 石棒。突然，一束深红色的亮光 从装置中射出，它的亮度是太阳 表面的4倍！这是一种完全新型的 光，科学家渴望多年而自然界中 并不存在的光，它被命名为Laser， 是英文“受激辐射光放大"大缩写， 这就是激光。产生激光的装置被 称为激光器。激光和激光器的问 世，被称为20世纪最重大的科学 发现之一。
1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激 光技术的诞生。
自发辐射跃迁 定义：发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级E1, E E 并发射一个频率为 的光子。 h
2 1
E2
E1
受激辐射跃迁 定义：处于高能级E2 发下,跃迁到低能级E1,并发射一与诱发光子同一 光子态的光子。
示的端泵浦方式和侧泵浦方式。
半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
亮度大：目前，功率极大的激光，其亮度 可达到太阳亮度的100亿倍以上。若用透镜将起 会聚，可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度。 因此，它可在极小的局部范围内产生几百万摄氏 度的高温，几百万个大气压的高温和几十亿伏特 每米的强电场。
单色性好：单一频率的光是理想的单色光。激 光近乎单一频率。例如氦氖激光器输出激光的中心 波长λ=632.8nm，激光谱线的线宽△v=10-4Hz；普 通光源中单色性最好的氪灯，λ=605.7nm，而 △v=104---106Hz。
激光器的基本知识
一、激光的起源
激光又名镭射 (Laser)，它的全名是“辐 射的受激发射光放大” （Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation）
某些物质原子中的粒子受光或电的激发，由 低能级的原子跃迁为高能级的原子，当高能级原 子的数目大于低能级原子的数目时，就发射出位 相、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激 光。
• 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，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 • 最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、3.39m 和1.15m ，常用的为0.6328m • 四能级系统
（2）ＣＯ２激光器 • • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
CO2激光器的结构和激发过程下图是一种典 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。
工作 物质
掺 杂 泵浦系统 激光波长
脉冲氙灯、 高压 脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体 汞蒸气灯 0.6943m 1.0640m 1.0600m 三能级系统 四能级系统 四能级系统
六、典型激光器
1、气体激光器 （1） 氦-氖(He-Ne)激光器
• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出， 多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输 出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（ 可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定 • He-Ne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，放电管是 He-Ne激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛 细管和贮气室构成。
可得到相邻两个本征纵模之间的频率间隔应为： c q 2nL G0()
Gm
Gt
T
两红线之间的频率间隔为： q
五、激光器的分类
1、工作物质形态---可以分为气体、固体、半导体、 液体、等
2、工作方式---连续工作和脉冲工作
3、激光技术---调Q激光器、锁模激光器、倍频激光器、 可调谐激光器、单模和多模激光器等
对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转
3、谐振腔(半反镜与全反镜)
(1)维持激光振荡 (2)改善激光质量如单色性、方向性
四、本征纵模频间隔
1、定义
2、计算 证
相邻两个纵模的频率间隔
c Leabharlann Baidu q 2nL
由驻波条件：光波从腔内某一点出发，经过往返 一周的传播后，再回到原来的位置上时应与出发 时同相位，也就是说光波往返一周的的位相延滞 等于2pi的整数倍。数学表达式为： c Lq 其中： 2 n
Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图所示。 它属于四能级系统。
Nd3＋:YAG 的能级结构
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图
3、半导体激光器泵浦固体激光器
半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图所
CO2 和 N2 KrF*、ArF*
氩离子（Ar+ ） 、氦— 镉（ He-Cd ）离子激 光器
一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、 谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成
基 质 红宝石激光器 刚 玉 晶 体 （Al2O3） Cr2O3 Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12 Nd2O3 钕玻璃激光器 钛宝石激光器 光学玻璃 （硅酸 刚 玉 晶 体 盐，硼酸盐、磷 （Al2O3） 酸盐） Nd2O3 Ti2O3 闪光灯泵浦、 激 光泵浦 0.795m 调 谐 0.66~1.1m
由上式可得：
qc Lq 2 2n
得本征纵模的频率为
c q q 2nL
该式的物理意义是，当谐振腔长度给定后，它 只能对频率满足该式的激光模式提供正反馈，使之 产出振荡。满足这个谐振条件的驻波场或本征纵模 有无数多个。q表示对应模序数q的本征纵模频率。
由本征纵模的频率
c q q 2nL
2、固体激光器
• 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。下图是长脉冲 固体激光器的基本结构示意图。
Nd:YAG激光器
工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉 中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离 子(Nd3＋)，其吸收光谱如图所示。
CO2激光器温度效应
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。
气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
所采用的物质 氦、氖、氩、氪、 氙、氧、溴、碘、 原子 氮、硫、碳、铯、 镉、铜、锰、锡等 金属原子蒸气 分子 未电离的气体分子 CO2、N2、O2、CO、 N2O 和水蒸气等 工作气体在常态下为原子，当 Ar2* 、 Xe2* 、 XeF* 、 准分 激发时，可暂时形成寿命很短 KrF*、ArF*、XeCl*、 子 的分子，称为准分子 XeBr*、XeQ*、KrQ* 等 离子 利用电离后气体离子产生激光 惰性气体离子和金 作用 属蒸气离子 产生激光作用的物质 未电离的气体原子 典型代表 He-Ne laser