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 ，4

I 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+3

Ti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