可调谐激光 1-1

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2
激光材料的受激辐射截面

红宝石激光晶体
波长694 nm 折射率1.76 半高宽0.34 THz 荧光寿命 4×10-3 s 受激辐射截面2.8×10-20 cm2

若丹明6G
波长590 nm 折射率1.36 半高宽30 THz 荧光寿命 5.5×10-9 s 受激辐射截面1.8×10-16 cm2
可调谐激光器的基本原理
董志伟
本节内容
激光基本概念
可调谐激光器的分类
可调谐激光器的组成
受激辐射光放大（LASER）
无辐射跃迁
E2
hv
E2 E1
hv
hv
Light or laser
E1
输入
hv
hv hv
hv hv hv hv
输出
受激光放大特点



粒子数反转 相干光 强度高 方向性好 单色性好

发光粒子具有相同运动状态 不存在粒子间相互作用
均匀展宽

均匀展宽：对不同频率跃迁展宽效果相同 碰撞展宽:系统压力较大，粒子间相互碰撞(压力展宽)
p
1
p
p 1 pv He-Ne 1 MHz/Pa（632.8 nm） 300 Pa 氩离子 10 MHz/Pa 50 Pa
参考教材




1．张国威，可调谐激光技术，国防工业出版 社，2001 2. W. Koechner. 固体激光工程，科学出版社， 2005 3.王雨三，激光物理，哈工大出版社， 4．C. Rulliere. 飞秒激光脉冲-原理及实验，科 学出版社,，2007 5．钱士雄，王恭明，非线性光学，复旦大学 出版社，2001
汉斯振荡-放大系统组成

激光泵浦系统
泵浦光能量分配及延迟

光栅选频腔与线宽压窄
扩束及主被动选频 望远镜扩束+光栅选频(汉斯型选频腔)

前置放大与光隔离
阻断ASE后向传播
功率放大与光学滤波
棱镜光谱滤波+小孔空间滤波 抑制ASE背景与高阶模

激光调谐系统
光栅调谐、标准具调谐及气压调谐

光倍频及其他混频技术
300 MHz 500 MHz
非均匀展宽

非均匀展宽：对不同频率跃迁展宽效果不同 多普勒（Doppler）展宽
2 D 20 2kT ln 2 Mc
1 2

以CO2激光器为例 T=300 K 1大气压时
多普勒展宽 60 MHz 自然线宽 0.1 MHz 碰撞展宽 1 GHz
介质增益
介质增益
G Eout / Ein
G expk l
小信号增益系数
k N 21
反转粒子数
N N 2 N1
21 e
受激辐射截面
原子辐射线宽

自然线宽
2 in 1
一般原子寿命 10-9～10-8 s 线宽 10 ～ 100 MHz 分子振动能级跃迁 10-3 s 线宽 0.1 KHz
扩宽调谐范围
商用染料可调谐激光器
脉冲掺Ti蓝宝石振荡-放大系统
连续波可调谐激光器

泵浦源
连续波或准连续波激光器 泵浦功率及速率较小

增益介质长度及掺杂浓度小 泵浦光会聚 低浓度、小增益体积 谐振腔光器共同点



发光机制 宽带二能级 荧光寿命相对较短 波长选择 泵浦源 。。。

泵浦源
激光泵浦（横向泵浦、纵向泵浦） 闪光灯泵浦（快放电）

谐振腔
选频（光栅、标准具、棱镜等） 腔镜镀宽带介质膜
脉冲可调谐激光器的基本组成

染料激光器
脉冲可调谐激光器的基本组成

掺钛蓝宝石激光器
脉冲染料可调谐振荡-放大系统

1974 Haesch, Wallenstain 汉斯振荡-放大系统
N q ,0 N 2
N d q ,0 N2d

单位频率辐射（吸收）跃迁几率
q , d 1
0 0

均匀展宽线型

洛伦兹（Lorentzian）线型
2 q 0 2 2
峰值ν= ν0
2 ln 2 q0
1 2
受激发射截面

谱线中心处的受激发射截面
2 e q 2 8n f
0

对洛伦兹线型
e 0

2
0
4 2 n 2 f

2
0

对高斯线型
ln 2 e 0 2 4n f

2 1

峰值ν= ν0
2 q 0
非均匀展宽线型

高斯（Gaussian）线型
2 0 2 ln 2 q exp ln 2 2 12

跃迁展宽机理


气体/液体激光介质 碰撞展宽（压力） 多普勒展宽（温度） 1 GHz量级 固态激光介质 热振动展宽(均匀展宽) 随机不均匀性、局部缺陷（非均匀） 红宝石激光晶体 330 GHz（0.53 nm） Nd:YAG激光晶体 200 GHz（0.67 nm）
粒子数分布原子线型函数

上能级单位频率间隔粒子数

可调谐激光器
输出激光可在一定波长范围内连续改变
可调谐激光器种类

基于介质宽带发射光谱+选频技术
染料激光器、可调谐准分子激光器、固体过渡金属离子 激光器、高压气体激光器、色心激光器等

非线性光学的光参量过程
光参量振荡、光参量放大、倍频、和频、差频等
可调谐激光器种类

介质物态
气体、液体和固体可调谐激光器

可调谐波长范围
紫外、红外和可见可调谐激光器

工作状态
脉冲运转和连续运转可调谐激光器
各种可调谐激光器的调谐范围
固定波长激光器基本结构

工作介质
晶体、半导体、气体等

谐振腔
输出耦合镜+全反镜(Fabry-Perot)

泵浦源
光激励 电激励
脉冲可调谐激光器

工作物质
宽带荧光光谱 液态染料、激光晶体、高压分子气体、准分子气体

掺Ti蓝宝石
波长790 nm 折射率1.76 半高宽66 THz 荧光寿命 3.2×10-6 s 受激辐射截面2.4×10-19 cm2
固定波长与可调谐激光器

固定波长激光器
输出激光仅含有一个或几个固定波长激光 He-Ne 632.8 nm 1.15 μm 3.39 μm Nd:YAG 0.91 μm 1.06 μm 1.35 μm