光谱学中常用的激光光源

光谱学中常用的激光光源

光谱分析是研究物质结构的重要手段。激光引入光谱分析后，至少从5个方面扩展和增强了光谱分析能力：（1）分析的灵敏度大幅度提高；（2）光谱分辨率达到超精细程度；（3）可进行超快（10-100 fs量级）光谱分析；（4）把相干性和非线形引入光谱分析；（5）光谱分析用的光源波长可调谱。自从激光引入之后，先进的光谱分析已经激化了。[2]

3激光光谱学常用的几种激光器3.1固体激光器

以玻璃或者晶体等固体材料作基质，掺入某些激活离子做成激光工作物质的激光器。固体激光器工作特点是工作物质坚固，激活离子密度比较高。因此，单位工作物质能够产生较高激光能量（或功率）。工作物质有储能效应，能产生很高峰值激光功率。主要缺点是大多数激光器件的能量转换效率不高，输出的激光波长不够多样化，往往只能产生某一种或少数几种波长。不过，随着固体激光器技术的发展，这两个缺点已逐步在克服，比如采用半导体激光器做抽远光源，替代传统的闪光抽运，总体能量转换效率已提高5~10倍。用掺杂Cr和Ti 的过渡金属离子做成激活离子工作物质，输出的激光波长能够可调谐；掺三价稀土元素Tm、Ho、Er做成的工作物质，输出的激光波长已扩展到红外波段（2~3um）。世界上第一台激光器是以红宝石做基质，掺铬离子做激活离子做成的工作物质的激光器，它诞生于1960年夏天，由美国休斯公司的梅曼研制成功。

以下是两种典型的固体激光器：

1）离子掺杂固体激光器

在基质晶体或玻璃中添加过渡金属和稀土类离子作发光中心是一类重要的激光器。红宝石(Al2O3:中掺杂Cr 3+)是实现激光作用的第一种材料，其波长为694 nm，激光的激活粒子是掺在A1

O3晶体中的Cr3+离子。掺钦忆

2

铝石榴石(Nd3+: YAG)是利用三价铷离子(Nd3+)作激活粒子，室温下激光发射波长为1064 nm。

大多数晶体中掺杂离子激光器具有相当窄的增益带宽，大约为波长的万分之一。改变晶体温度，中心波长会略有改变，但没有什么实用价值。在非定形固体(如玻璃)中，增益带宽会有明显增加，比如钦玻璃的谱线宽度约为300 cm-1,Nd3+:YAG的谱线宽度约大50倍。这是由于玻璃的无定形结构所造成的，它使各个Nd3+离子的周围环境稍有不同，从而使离子的能级分裂发生微小的变化，因此不同离子的辐射频率也有微小的差别，这会引起自发辐射光谱的加宽。但是同宽带可调谐系统，比如染料激光器或色心

激光器相比较还是较小，前者的调谐区为中心波长的1-3%，而后者为5-20% ,在包含三价稀土类离子(Pr 3+、Er3+、Ho 3+、Tm3+ , Nd3+等)的固体激光器中，用闪光灯激发，得到从0.55 jtm(Pr:LaF3)到2.69 jtm (ErF3:TmF3:CaF3)

之间的100多根振荡线，其中Nd:Y AG的1064 nm激光跃迁是熟知的高功率振荡线.用YLF(LiYF4)作基质晶体材料，使固体激光器的振荡波段从Ce:YLF的325 nm扩展到Ho:YLF的3.19拌m.掺过渡金属离子的波长可调谐固体激光器是目前世界各国竞相研究的一种新型固体激光器。表2给出主要的掺过渡金属离子的波长可调激光器。由表可见，这

些掺过渡金属离子

的波长可调激光器，

在可见光到近红外

区域内振荡。

2）色心激光器

色心是碱金属

卤化物晶体及碱土

氟化物晶体中离子位置结合一个电子而形成的。它是固态晶体结构中光学激活晶格缺陷。典型的色心是离子晶体中一个负离子空缺，从而在晶体的一个小区间内形成过量的正电荷。一个自由电子可被束缚在这个势阱里。电子在该势阱里束缚态之问的光学允许跃迁就成了晶体光谱中新的吸收带。电子在色心激发态具有不同于基态的电子分布，因此对不同的电子态周围离子的平衡位置也略有不同。这样，电子从基态吸收一个光子就会进入电子激发态的“振动激发态”。晶体的迅速的振动弛豫使其很快达到平衡态，从而向基电子态的振动激发态跃迁而放出光子。这种过程同后面在染料激光器泵浦机制中所讨论的是相同的。而且多种色心激光器可以像染料激光器一样成为宽调谐激光器。所不同的是染料激光器长波段通常只能到lAm,而色心激光器调谐范围为0.8- 4(cm)。像染料激光器一样，色心激光器可以脉冲或连续运转。

后面讨论的染料激光器的一些限制也同样适用于色心激光器。首先Stokes偏移必须足够分离吸收谱和荧光谱;其次激发态必须没有强吸收;最后激发态无辐射失活必须慢。像染料激光器那样，这些条件使某些色心不能成为有效的激光器。

适合产生激光的晶体中的色心要经过非常仔细的处理才能形成。而这些晶格缺陷会在晶体里迁移，或许会使激光激活心转变为其它型式与激光无用的心。这种有害的迁移可以用冷却晶体来减轻，这就是为什么大多数色心激光器通常运转甚至储存在液氮温度(77K)。在晶体中掺杂某种离子可以捕获色心而显著地降底色心迁移，从而提高色心的稳定性。这种杂质协助的色心在室温下也有适当的储存寿命。某些杂质协助的色心在室温下有显著的无辐射失活，因而为改进激光器性能通常要冷却晶体。[5]

3.2气体激光器

以气体或者金属蒸气为工作物质的激光器。在通常情况下为气体的，包括原子气体和分子气体以及它们的离子均可做激光器的工作物质。有时用一种纯气体，更多的情况是用多种气体的混合物做工作物质，其中一种气体是发射激光的激活离子，其余的称为辅助气体，它们能够改善激光器的工作性能和输出性能。气体工作物质的种类很多，发射激光的能级也不只一对，一般都可以同时在许多对能级之间建立粒子数反转，因此，气体激光器不仅种类多，输出的激光波长数量也极多，几乎遍及在整个从远紫外到远红外区。对于产生激光跃迁的能级，即使上激光能级平均寿命比下激光能级的平均寿命短，在采用了快速电脉冲或者光抽运的条件下，也能够获得这对能级的受激辐射放大。对于固体激光物质，一般来说，这是不可能的。气体工作物质的光学均匀性比较好，所以，气体激光器输出的激光发射角一般都比其他激光器的发射角小。气体激光器一般都采用气体抽运或者电子束注入抽运。主要缺点是工作物质的激活粒子密度比较低，因此，器件的体积一般都比较大。

氦氖激光器是最早实现的气体激光器，1961年问世，我国第一台这种激光器在1963年7月研制成功。激光器的工作物质是氦氖混合气体，发射激光的是氖原子，加入氦气体是用来改善混合气体的放电特性。提高氖原子的能级粒子数反转密度，亦即可以提高激光器输出功率和能量转换效率。

CO2分子激光器是以CO2气体、氦气体、氮气体和氙气体混合物为工作物质的激光器。激光由CO2分子的振—转能级跃迁发射，其他气体的作用是改善混合气体的放电条件，提高激光器的激光能量转换效率和激光功率水平，可以连续抽运和脉冲抽运，连续抽运的器件输出功率已达10万瓦，脉冲抽运的器件输出功率已高达10 12瓦。

准分子激光器

有这样一些分子，具有束缚的激发态，但却没有束缚的基态，称其为准分子。典型的例子象KrF这样的稀有气体卤化物，具有大核间距离子对Kr+F-所对应的态，而无束缚的基态则对应中性原子。处于基态的这些分子会很快离解，这样激发态和基态之间自动形成粒子数反转.通常可用脉冲快放电(20-50 ns)来激励激光器，也可以用电子束激励，但其结构太庞大，在光谱学研究中很少使用。有一些分子，比如XeCl、XeF和F:的基态是弱束缚，严格地说这些分子不能称为“准分子”，然而它们的许多特性及其动力学机制与真正的准分子是相同的，故通称为准分子。与那些束缚一自由跃迁准分子的连续辐射不同，这些束缚一束缚跃迁准分子的辐射输出具有可分辨的振动转动结构。那些真正的准分子，比如ArF、KrF以及KrCl可以在大约0.5%中心频率的一个小区间内连续调谐;而那些束缚一束缚跃迁准分子，比如XeF ,XeCl可以在其密集的支线间调谐，但决不是连续的。由

于准分子激光器的高功率和高能量，使其在紫外区能成为一种实

用的可调谐光源。[4]

准分子激光器的主要特点是：（1）准分子是一种以激发态形

式存在的分子，这种分子寿命很短，仅有10-8s量级，基态（即激

光跃迁的下能级）寿命很短，约为10—3s，因此只能以其特征辐

射的出现为标志来判断准分子的生成。这些特征辐射谱对应于低

激发态到排斥态基态之间跃迁，其荧光谱为一连续带，这是准分

子光谱的特征。（2）由于激光跃迁下能级的粒子迅速离解。所以

激光下能级总是空的。只要激发态存在分子，就处于粒子数反转

状态。（3）由于准分子激光下能级不是某个确定的振动——转动

能级。跃迁是宽带的。因此准分子激光器可以调谐运转。（4）准

分子激光器的输出波长主要处在紫外区到可见光区，具有波长短

的特点。准分子激光器脉冲输出能量可达百焦耳量级，平均功率

可大于200瓦，重复频率高达1KHz。在同位素分离、光化学、医

学、生物学、微电子工业加工和泵浦染料激光器等方面获得广泛应用。

3.3染料激光器