典型激光器简介

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第一节 概述
1.1 激光器的基本结构

激光器的基本结构：工作物质、激励源、光学谐振腔
工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射放 大的源泉

激励源为工作物质中实现粒子数反转分布提供能源
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1.2 激光器的分类及主要输出特性
1、按照激光工作物质划分
(1) 固体激光器

以固体激光介质作为工作物质 固体工作物质通常是在基质材料中掺入少量金属离子(激 活离子)，激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间
引发、电引发、化学引发等
波长范围：紫外-微米波段
特点：功率高、能量输出高、无需外界提供激励源，可将 化学能直接转化成激光能量，特别适合野外等无电源处 应用：激光武器、同位素分离 1964年，第一台光解离碘原子化学激光器问世
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(6) 自由电子激光器
是一种新型激光器 工作物质：相对论电子束——通过电子加速器加速的高能
激光器的设计师是王之江教授。王之江教授因此被中国光 学界尊称为“中国激光之父”。“小球照明红宝石激光器” 在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步，主要表现在 激励氙灯采用直管式，而非螺旋形；红宝石棒与氙灯并排
放在球形聚光器的球心附近。这种结构可以获得更高的激
励效率。直至今天，闪光灯激励的固体激光器还大都采用 这种方式
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2.1 固体工作物质
固体工作物质由固体基质材料和少量掺杂离子(金属离 子)两部分构成。其中固体工作物质的物理性能由基质
材料体现，而其光谱特性则由掺杂离子决定。
基质材料有晶体和玻璃两大类。晶体又分为氧化物晶
体和氟化物晶体。氧化物晶体有单一氧化物和混合氧
化物。单一氧化物晶体如Al2O3 ；混合氧化物晶体如石 榴石型晶体YAG、YAP。氟化物晶体也有单一氟化物 ，如CaF2晶体和混合氟化物；如LiYF4 晶体。玻璃则有 硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。
大(CO2激光器等)，器件结构简单，造价低廉

应用：计量、材料加工、激光通信、能源等 1961年，第一台气体激光器——He-Ne激光器问世
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(3) 液体激光器

工作物质：有机化合物液体(染料)和无机化合物液体 常用的染料有：吐吨类染料、香豆类激光染料、恶嗪激光
染料、花青类染料

激励：主要有激光激励和闪光灯激励两种形式

应用：工业、国防、科研、医学等领域 ——激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激 光核聚变等
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(2) 气体激光器


以气体和金属蒸气作为工作物质
根据工作气体性质，分为原子激光器、分子激光器、离子
激光器
①
原子激光器：跃迁发生在气体原子不同激发态之间。主要 采用氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锰、锌、铅等 金属原子蒸汽。代表He-Ne激光器
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生长轴与光轴成60o，为60o红宝石晶体，产生线偏振光。实
际使用中，多用60o红宝石晶体。
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(2)晶体的激光性质
晶体的激光性质主要指其能级结构、吸收光谱和荧光光谱
① 能级结构
晶体的激光性质主要取决于 Cr3+。Cr的外层电子组态为 3d54s1 ，掺入Al2O3后失去3 个电子，剩下3d壳层上3个
光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q
固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。 对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平
行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度
<1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部
寄生振荡，端面镀有增透膜
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光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成
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应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等 激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直等等
1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世
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(5) 化学激光器
通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射 工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘
激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光
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离子激光器：工作物质是已电离的气体离子，跃迁发生在 气体离子的不同激发态之间。
采用的气体离子主要有惰性气体离子、分子气体离子、金
属蒸汽离子等。典型代表：Ar+激光器
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激励：主要是气体放电激励，还有电子束激励、热激励、
化学反应激励

波长范围：位于真空紫外-远红外波段，激光谱线上万条
特点：输出光束质量高(方向性单色性好)，连续输出功率
非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主
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钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加
宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料
而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～
3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽
大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱 和特性与均匀加宽工作物质相似。
电子。自由电子激光器将相对论电子束的动能转变为激光
辐射能 激励：空间周期磁场或电磁场 特点：能量转换效率、输出激光波长连续可调 应用：在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的应用 前景
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(7) X射线激光器
输出波长位于X射线波段(1-10nm) 工作物质：高度电离的等离子体
激励：光激励，须特殊的X射线源
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1. 红宝石晶体
(1) 物理性质
红宝石晶体是在Al2O3 中掺入少量的
Cr2O3 ，由Cr3+部分取代Al 3+而成， 其激活离子为Cr3+。掺入Cr2O3的重 量比为0.03%～0.07%，一般为
0.05%。晶体颜色为淡红色。
红宝石晶体是各向异性晶体，有三种生长方向:
生长轴平行于光轴，为0o红宝石晶体，无偏振特性； 生长轴垂直于光轴，为90o红宝石晶体，产生线偏振光；
R1线中心波长为694.3nm，Ē→4A2 能级的自发辐射跃迁 R2线中心波长为692.9nm，2Ā→4A2能级的自发辐射跃迁
红宝石激光器通常只产生694.3nm激光，692.9nm不能形成振荡，主原 因为：(a)跃迁到激光上能级Ē和2Ā上的粒子数服从玻尔兹曼分布，Ē能 级上约占53%，2Ā能级上占47%；(b)R1 线的荧光强度高于R2线，使R1 线的受激辐射几率高于R2线，R1线先达到阈值形成激光振荡。由于2Ā 与E两能级之间能级差很小，粒子交换频繁， Ē上的粒子跃迁后，2Ā能 级上的子迅速转移到该能级，从而进一步抑制了R2 线的振荡。

当激光脉冲持续时间大于10-9s时，激光上能级的粒子都会通过R1线的
受激辐射而返回基态。
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(3) 温度对红宝石晶体的影响
红宝石晶体的性能易受温度的影响，主要表现在以下几方面:
①
温度上升导致红宝石激光中心波长向长波方向移动。这是
由于温度上升使晶格场变化加剧，能级发生位移，造成激 光上、下能级差缩小所致
(Co3+)等。
④ 锕系金属离子：多具有放射性，不易制备，只有铀(U3+)
曾有所应用。
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固体工作物质特点与要求
固体工作物质达数百种，从中已获得激光谱线数千条。 在一般固体工作物质中，参与受激辐射作用的离子浓度约
为1025～1026m-3 ，比气体工作物质高3～4个数量级以上，
且固体工作物质激光上能级的寿命也比较长， 因此固体激
3、按照激光技术的应用划分

调Q激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器
4、按照谐振腔类型划分

非稳腔激光器、平面腔激光器、球面腔激光器等等
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第二节 固体激光器
固体激光器在激光器家族中具有最长的历史。 我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝石激光器”，
1961年8月诞生于中国科学院长春光机所。
外层电子(3d3 )。
红宝石晶体的光谱特性即是 由这3个电子跃迁形成的，
晶体与激光跃迁有关的部分
能级结构如图
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2E能级为激光上能级，也是亚稳
能级(Cr3+在该能级的寿命约为 3ms)。由于晶格场的作用，该能
级分裂为2Ā和Ē两个个子能级(能
级差29 cm-1)。粒子由这两个能级 向基态跃迁时产生692.9nm和 694.3nm两条谱线。
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掺杂离子种类
① 三价稀土金属离子：如钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm+)、铕
(Eu3+)、镝(Dy3+) 、钬(Ho3+)、铒(Er3+)、镱(Yb3+)等。
② 二价稀土金属离子：如钐(Sm2+)、铒(Er2+ )、铥(Tm2+ )、
镝(Dy2+)等。
③ 过渡金属离子：如钛(Ti3+)、铬(Cr3+)、镍(Ni3+ ) 、钴
②
分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。 主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代 表CO2激光器
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③
准分子激光器：分子激光器的一种。 准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的 不稳定缔合物。 激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。 采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等 典型代表：XeF准分子激光器
激光原理与技术
LASER Principles and Technology
赵风周
物理学院 2014年7月
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第三章 典型激光器
1960年，休斯顿飞机公司的梅曼博士研制成功世界上第一台
红宝石激光器 为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，为光 学领域注入了生机，产生了量子光学、非线性光学等现代光 学分支
圆环形。圆环的个数就是光圈数。 光圈不满一个时，可分为两种，一种是光圈变成直线了, 习惯称其为零个光圈；另一种是成弧线的，习惯称其为 半个光圈。
局部光圈：就是局部不规则度所对应的局部偏差。主要
看局部条纹偏移量和理想条纹间隔之间的比值。
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固体工作物质的谱线加宽
固体工作物质的谱线加宽有均匀加宽和非均匀加宽
(8) 光纤激光器
工作物质：掺入某些激活离子的光纤，或利用光纤本身的
非线性光学效应 激励：半导体激光二极管激励 特点：总增益高、阈值低、能量转换率高、很宽的波长调 谐范围，器件结构紧凑 1963年，第一台光纤激光器——Nd2O3光纤激光器问世
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2、按照激光工作方式划分

连续输出和脉冲输出两种工作方式：连续激光器、脉冲 激光器
均匀加宽由晶格热振动引起，而非均匀加宽则由晶格缺陷
引起。因机理复杂，很难从理论上求得固体工作物质谱线
加宽线型函数的具体表达形式，一般是通过实验求出它的 谱线宽度。
红宝石晶体在低温时，谱线加宽主要是由晶格缺陷引起的
非均匀加宽，室温时，以晶格热振动引起的均匀加宽为主
Nd3+ :YAG因晶体质量比红宝石好，故由晶格缺陷引起的
4A 2
能级为激光下能级，也是基态 为两个吸收能级。粒子 Cr3+的能级结构属三能级 系统，因而器件阈值比较
能级
4F 与4F 1 2
在其上的寿命约为纳秒量级，很
快通过辐射跃迁弛豫到激光上能
级。
高，只能以脉冲方式运转 25
② 吸收光谱
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③ 荧光光谱



红宝石晶体有两条强荧光谱线，分别称为R1线和R2线。
波长范围：紫外-近红外波段(300nm~1.3mm)，通过混频技
术可以将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段 特点：波长连续可调，器件结构简单、价格低廉；染料溶 液稳定性比较差


1966年世界上第一台染料激光器——氯铝钛花青染料激光
器问世，采用红宝石激光激励
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(4) 半导体激光器
半导体激光二极管，或激光二极管(Laser Diode, LD） 工作物质：半导体材料。

激活离子：三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过
渡金属离子、锕系金属离子

典型代表：红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石 激光器(Nd3+:YAG)、钕玻璃激光器、钛宝石激光器 (Ti3+:Al2O3)
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激励：固体激光器多采用光激励，光源主要有闪光灯和
半导体激光二极管

波长范围：位于可见光-近红外波段，激光谱线数千条 特点：输出能量大，运转方式多样，固体激光器结构紧 凑、牢固耐用、易与光纤耦合传输
①
② ③
IIIA-VA族化合物半导体，GaAs、InP、等
IIB-VIA族化合物半导体，CdS等
IVA-VIA族化合物半导体，PbSbTe等
类型：同质结、异质结(单、双)、量子阱 激励：注入电流激励 波长范围：近红外波段(920nm~1.65mm) 特点：能量转换率高、易于进行高速电流调制、超小型化、 结构简单、寿命长(十万甚至百万小时)
②

温度上升导致荧光线宽加宽，量子效率下降。
红宝石晶体低温下性能优良。 温度升高将使其荧光谱线展宽，量子效率下降，从而导致器 件阈值上升，效率下降，严重时会引起“温度猝灭”。因此，