典型激光器介绍

典型激光器的原理、特点及应用摘要：本文介绍了四种典型的激光器，固体、气体、染料和半导体激光器，并分别介绍了特点及应用。

关键词：典型激光器，原理和特点，应用一、引言自梅曼发明了第一台红宝石激光器至今，激光器得到了飞速发展，在激光工作物质方面也得到了很大的改进，激光器根据激活媒质可分为固体、气体、染料和半导体激光器。

各类激光器各有特色，并在相关的领域里发挥着重要的作用。

二、固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，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。

最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：Y AG)等三种。

图1是固体激光器的基本结构示意图。

图1 固体激光器的基本结构示意图1．红宝石(Cr3＋：A12O3)红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。

它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，铬离子与激光产生有关的能级结构如图2所示。

它属于三能级系统，相应于图（1-3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。

它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为694.3nm和692.9nm。

由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(694.3nm)。

红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。

红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。

随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。

因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。

目前在医学方面和动态全息方面还有应用价值。

2．掺钕钇铝石榴石(Nd 3＋：YAG)这种工作物质是将一定比例的A12O 3、Y 2O 3，和Nd 2O 3在单晶炉中进行熔化，并结晶而成的，呈淡紫色。

它的激活粒子是钕离子(Nd 3＋)，Nd 3＋与激光产生有关的能级结构如图3所示。

它属于四能级系统。

其激光上能级E 3为4F 3/2，激光下能级E 2为4I 13/2、4I 11/2，其荧光谱线波长为1.35μm 、1.06μm ，4I 9/2相应于基态E 1。

由于1.06μm 比1.35μm 波长的荧光强约4倍，所以在激光振荡中，将只产生1.06μm 的激光。

图3 Nd 3＋：Y AG 的能级结构Y AG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重图2 红宝石中铬离子的能级结构复率工作。

这种激光器的优点是量子效率高、受激辐射截面大、阈值低和具有优良的热学性质，使它能在室温下连续高重复率的工作，因此钕激光器成为使用最广泛的激光器而长盛不衰，在军事、医疗和科学领域具有不可替代的用途。

3.钛宝石激光器钛宝石激光器的工作物质是掺杂+3Ti离子通过快速Ti的Al2O3晶体，其终端能级的+3声子弛豫过程返回低振动态，所以钛宝石激光器又被称为终端声子激光器。

由于钛宝石的激光上能级的寿命非常短，约为3.8sμ，为了获得足够的泵浦速率，必须采用激光作为泵浦源，此时其峰值波长约为790nm，并且能够产生660-1180nm的宽荧光谱带，它构成的锁模激光器可具有极窄的脉冲宽度，自锁模钛宝石激光器的光脉冲已经达到11fs。

与红宝石激光器相比，钛宝石激光器属于四能级系统。

钛宝石激光器的突出特点是在很宽的波长范围内连续可调，在很多应用方面都将要取代染料寿命很短的染料激光器，例如工业加工方面。

4 .新型固体激光器二十世纪八十年代以来，出现了几种带有方向性的新型固体激光器，这如半导体激光器泵浦的固体激光器和可调谐固体激光器。

半导体激光器泵浦固体激光器主要优点是：①能量转换效率高。

②工作时产生的无功热量少，介质温度稳定，可制成全固化器件，消除振动的影响，激光谱线更窄，频率稳定性更好。

③寿命长，结构简单，使用方便。

可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。

色心激光器的阈值低，既可连续工作，又可脉冲工作，很容易实现单模运转，并且光束质量好。

它在分子光谱学、化学动力学、污染检测、光纤通信、半导体物理等领域内，有重要的应用价值。

目前，已经有工作于室温的实用化商品。

与此相比，掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器，性能更加优越。

三、气体激光器气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。

利用气体原子、离子或分子的能级跃迁产生激光。

由于气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦，所以通常采用气体放电或电子束激励泵浦方式，在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，就在某一对能级间形成了集居数反转，形成激光。

1. 氦—氖(He-Ne)激光器氦氖激光器是在1960年末研制成功的第一种气体激光器，He-Ne激光器的工作物质是Ne原子，即激光辐射发生在Ne原子的不同能级之间。

图4是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。

由图可见，He原子的激发能级21S0、23S1分别与Ne原子的3S和2S能级十分接近，因此，当He-Ne 管内的气体放电时，He原子与高速电子碰撞，被激发到23S1和21S0上，进而，这些激发态He原子通过共振能量转移过程，将处在基态上的Ne原子激发到2S和3S能级上。

当被激发到3S和2S能级上的Ne原子数足够多时，会在3S、2S能级与3P、2P能级间产生粒子数反转，通过受激辐射过程即可产生He-Ne激光。

由该过程跃迁到3P、2P能级上的Ne原子，很容易通过自发辐射跃迁到1S能级上，再通过与管壁碰撞将能量交与管壁，回到基态。

图4 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图He-Ne激光器的放电电流对输出功率的影响很大，实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线如图5。

图5 输出功率与放电电流的关系曲线由图5可知，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。

最佳充气条件对应的就是输出功率最大的放电电流，叫最佳放电电流。

最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径成反比。

氦氖激光器的优点是能输出优质的连续运转可见光，并且结构简单，光束质量好，体积较小，使用方便，价格低廉。

在准直，定位，测量和全息照相等方面有着很多应用，是应用最广泛的气体激光器。

2. 二氧化碳激光器二氧化碳(CO2)激光器是以CO2气体分子作为工作物质的气体激光器。

其激光波长为10.6μm和9.6μm。

CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图6所示。

由图可见，相应于10.6μm 波长的能级跃迁是(0001)→(1000)，相应于9.6μm 波长的能级跃迁是(0001) →(0200)。

CO2激光器的工作气体除CO2气体外，还有适量的辅助气体N2和He等。

充入He气的作用有二：一可加速CO2分子在((0001)能级的热驰豫速率，有利于激光下能级上的粒子数抽空；二可利用He气导热系数大的特点，实现有效地传热。

充入N2气的作用是提高CO2分子的泵浦速率，为CO2激光器高效运转提供可靠的保证。

图6 与产生激光有关的CO2分子能级图CO2激光器受具有很多优点。

例如，它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。

它的能量转换效率高达(20~25)％，连续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒。

特别是CO2激光波长正好处于大气窗口，并且对人眼的危害比可见光和1.06μm红外光要小得多。

因此，它被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外科手术等方面，还可用于激光引发热核反应、激光分离同位素以及激光武器等。

四、染料激光器染料激光器的工作物质是有机染料溶液。

每个染料分子都由许多原子组成，其能级结构十分复杂。

由于染料分子的运动包括电子运动、组成染料分子的原子间的相对振动和整个染料分子的转动，所以在染料分子的能级中，对应每个电子能级都有一组振动一转动能级，并且由于分子碰撞和静电扰动，振动—转动能级被展宽。

因此，染料分子能级图是如图6所示的准连续态能级结构。

在电子能级中，有单态和三重态两类，三重态较相应的单态能级略低。

染料分子能级中，每一个单态(S0、S1、S2……)都对应有一个三重态(T1、T2……)。

S0是基态，其它能级均为激发态。

图7 染料的吸收─荧光光谱图如图7所示，在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态S0激发到激发态S1、S2……上，其中S1态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子很快跃迁到S1态的最低振动能级上，这些分子跃迁到S0态上较高的振动能级时，即发出荧光，同时很快地弛豫到最低的振动能级上。

如果分子在S1和S0之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。

由上述激光辐射过程可见：①染料分子是一种四能级系统，由于S0的较高振动能级在室温时粒子数几乎为零，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的阈值很低；②由于染料分子从S1的较高振动能级跃迁到最低振动能级时，要放出部分能量，所以发射的荧光波长较吸收的泵浦光波长，向长波长方向移动；③由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准连续宽带结构，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，又可获得几十毫微微秒宽度的超短脉冲。

染料激光器的具体很多优点，例如：输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒(10－15秒)量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜；染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。

因此，它是在掺钛蓝宝石出现之前最理想的可调谐激光器。

它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用。

五、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器。

半导体激光器是注入式的受激光放大器。

虽然它形成激光的必要条件与其它激光器相同，也须满足粒子数反转、谐振等条件，但它的激发机理和前面讨论的几种激光器截然不同。

它的电子跃迁是发生在半导体材料导带中的电子态和价带中的空穴态之间，而不像原子、分子、离子激光器那样发生在两个确定的能级之间。

半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和自发辐射过程。

在电流或光的激励下，半导体价带中的电子可以获得能量，跃迁到导带上，在价带中形成了一个空穴，这相当于受激吸收过程。

此外，价带中的空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补复合。