第三章 典型激光器

3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
激光工作物质-掺钕钇铝石榴石 Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+，基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12)。 Nd3+部分取代YAG中的Y3+即成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比， 此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3，颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比 例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶 系，是各向同性晶体。
激光器分类
第三章 典型激光器
3.1 固体激光器
固体激光器的基本结构与工作物质
固体激光器基本结构 由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的
图3-1 固体激光器的基本结构示意图
图3-2 长脉冲固体激光器的基本结构示意图 (冷却、滤光系统未画出)。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
激光工作物质-红宝石晶体 化学表示式为Cr3+: Al203，激活离子是Cr3+，基质是A12O3晶体(刚玉)； 红宝石属六方晶系，是无色透明的负单轴晶体。红宝石是在Al2O3中掺 入适量的Cr3+，使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般 在0.05%(重量比)左右。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
氦和氖原子的能级图
He-Ne激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激 光跃迁的是Ne气。Ne原子有10个电子，基态1S0 (电子分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、3S、 2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为 2P53s、2P54s、2P55s、2P53P、2P54P。He是辅助 气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。如图3-9所 示，He原子有两个电子，没激发时这两个原子都 分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子 受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子 成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别 记为23S1、21S0。
4 F3 / 2
( 4 I11 / 2 4 F3 / 2
4 I13 / 2，对应1.4μm谱线） 4 I11/ 2，对应1.06μm谱线）
E1:基态，一条激光谱线的激光下能级(三能级 系统):
( 4 I9/ 2
4 F3/ 2
4I9/2 对应0.9μm谱线)
图3-7 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱
3.1 固体激光器
图3-9 与激光跃迁有关的Ne原子 的部分能级图
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线 有三条，即0.6328 m 、3.39 m和1.15 m ，对应跃迁能级分别为 3S2→2P4，3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而 向1S态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地 回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这 就是为什么He—Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，He—Ne激光器是典型的四能级系统。
图3-9 与激光跃迁有关的Ne原子 的部分能级图
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的激发过程
在He-Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子 的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高， 可达95%，其转移过程如下：
氦-氖(He-Ne)激光器
内腔式He-Ne激光器
优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结 构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程中放电管受热变形 时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。 激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一 米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无 法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用 寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管 功率的稳定性不如旁轴式。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层 电子组态为3d54s1，掺入Al2O3后失去外层三个电子 成为Cr3+，Cr3+的最外层电子组态为3d3。红宝石的
360nm
光谱特性就是Cr3+的3d壳层上三个电子发生跃迁的 结果。Cr3+在很强的晶格场作用下，呈现出复杂的
的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下，其吸收曲线略有差
别，见图3-4。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
缺点 阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。 优点 机械强度高，能承受很高的激光功率密度；容易生长成较大尺寸；亚稳态 寿命长，储能大，可得到大能量输出；荧光谱线较宽，容易获得大能量的 单模输出；低温性能良好，可得到连续输出；红宝石激光器输出的红光 (694.3nm)，不仅能为人眼可见，而且很容易被探测接收(目前大多数光电 元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约 1%～2％，凹面镜为全反射镜。He-Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐 振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。
图3-8 He-Ne激光器的基本结构形式
3.2 气体激光器
He-Ne激光器结构
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。 放电管是氦一氖激光器的心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮 气室构成。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。贮气室 与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放 气或吸附气体造成He，Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。 放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热 胀系数小的石英玻璃制作。激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射 率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射， 一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。
钕玻璃激光器
跃迁谱线:
①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观察到; ③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不出现.
钕玻璃激光器采用四能级系统，发射的波长是1.06μm。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
外腔式He-Ne激光器
优点是这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时 溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔 影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电 管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点是 由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方 便，体积大，安装使用不方便，易破碎。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
③外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应，磁场可引 起谱线分裂，分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分 布不均匀，则各处谱线分裂程度不同并连成一片，相当于谱线变宽。 300高斯非均匀磁场中，两谱线加宽均约900MHz，0.6328umm原谱 线半宽度约1500MHz，非均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39um 原谱线宽只有300MHz左右,非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增 益系数反比于线宽，所以外加非均匀磁场后，3.39um的增益系数急 剧下降，而0.6328μm的增益系数却下降很少。结果提高了 0.63281um的竞争能力，3.39um则被抑制。外加非均匀磁场的装置 如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁，相邻的极性相同,这样 就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。
3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
能级结构
属于四能级系统。激光上能级是4F3/2，激光 下能级为4I11/2，基态为4I9/2，其主要吸收峰 为0.81 μm和0.75 μm ， 4F3/2 是一个亚稳态。 1.06 μm比1.35 μm的荧光约强四倍，1.06 μm 的谱线先起振，进而抑制1.35 μm谱线起振, 所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06 μm激 光。只有采取选频措施，才能实现1.35 μm波 长的激光振荡。
3.2 气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的输出特性
(1) 谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线：3S2P 0.6328m ， 2S2P 1.15m ， 3S3P 3.39m 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔 介质膜反射镜的波长选择。 0.6328um和3.39umm两条激光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系 数比较高，如果不进行抑制,则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大 量的3S2态原子。抑制3.39um辐射的办法主要有: ①选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜，使3.39um达不到阈 值条件，如下图所示,在腔内加色散棱镜，将两谱线分开,通过调整谐振腔 反射镜的位置，只允许0.6328um的辐射起振，而使3.39um辐射偏离出谐 振腔外； ②腔内放置甲烷吸收盒，因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对 0.6328um的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um振荡;
钕玻璃是在光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量 为1%-5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为3×1020/cm3。 Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟，易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状 和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1-2m，直径30100mm，可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几 微米的玻璃纤维，用于集成光路中的光放大或振荡。 钕玻璃最大的缺点是导热率太低，热胀系数太大，因此不适于作连续 器件和高频运转的器件，且在应用时要特别注意防止自身破坏。