各种激光器的介绍
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1.闪光灯脉冲泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。
2.激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)， 红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、 0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。 图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
一、氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的结构形式很多，但都是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。
1. He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。 He-Ne激 光器工作物 质为Ne原子， 即激光辐射 发生在Ne原 子的不同能 级之间。He 主要起提高 Ne原子泵浦 速率的辅助 作用。
1.固体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。图5-1是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)。
2.红宝石激光器
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
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＋)，如图5-2所示。它属于三能级系统， 相应于图5-3的简化能级模型 红宝石激光器在室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um
图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式
He-Ne激 光器由于增 益低，一般 采用平凹腔， 平面端为输 出端，透过 率为1%-2%, 凹面镜为全 反镜。
图(5-10 )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。
一、 氦-氖(He-Ne)激光器
典型激光器介绍
第一台激光器：红宝石激光器
分类： 工作波段：红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和 真空紫外激光器、X射线激光器。 运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器 工作物质：固体激光器、气体激光器、燃料激光器和半导 体激光器。
一、固体激光器的基本结构与工作物质
一、固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构
红宝石激光器的优点：容易获得大能量的单模输出，输出为红颜色可见光， 适用于硅探测器 缺点：阈值高和温度效应非常严重，甚至会引起“温度猝死” 。
一、固体激光器的基本结构与工作物质
Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如 图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
三、 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
Ar＋激光器激发过程一般为两步： 1.通过气体放电，将氩原子电离； 2.在通过放电激励将氩离子激发到上能级 此外，在低气压脉冲放电时，还有直 接将氩原子激发到氩离子激发态的一步过 程和级联过程。
图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
二、 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程
CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。
CO2激光器中中冲入适量的 辅助气体N2气和Ne气。
He气的作用： 1.可加速CO2分子在上能级的热 弛豫速率；有利于激光下能级上 粒子数的抽空 2.利用He气导热系数大的特点， 实现有效的传热。
3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) 工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而 成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(5-4)所示
图(5-4) Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5) 所示。它属于四能级系统。 荧光谱线中心波长为1.35um和1.06um；由于 1.06um比1.35um波长的荧光强约4倍，所以激光振 荡中，将只产生1.06um的激光
N2 气的作用： 提高CO2分子的泵浦速率，为激 光器高效运转提供可靠保证。
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
三、 Ar+离子激光器
离子激光器是以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的。 氩离子激光器是最为常见的一种，主要以0.4880um蓝光和0.5145um绿光两 条谱线最强。 1. Ar＋激光器的结构
1. He-Ne激光器的结构和激发机理
Hwenku.baidu.com-Ne激光器工作原理
He-Ne激光器为什么有一 根内径很细的的放电管？
选用He气作为辅助气体的 原因： 1.Ne气不能直接被电子激发 到上能级； 2.He气与Ne气能级相接近， 易发生共振转移。 He-Ne激光器是典型的四 能级系统，其激光谱线主 要有三条 : 3S2P 0.6328 2S2P 1.15 3S3P 3.39
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
二、固体激光器的泵浦系统
1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多 为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。 2. 泵浦光源应当满足两个基本条件：一是有很高的发光效率；二是辐射光的光 谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配
3. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆 柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚 光腔。 4.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表 面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 5. 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤 光。常用的冷却方式有液体冷却、气体 冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普 遍。 6.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤 去泵浦光中的紫外光谱——色心。
图(5-6) 椭圆柱聚光腔
四、 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦方式和 图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
2. 可调谐固体激光器 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。
图(5-15) 与产生激光有关的Ar+的能级结构
一、染料激光器的激发机理
1. 染料分子能级
染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。
图(5-17) 染料分子能级图
图(5-18) 染料的吸收-荧光光谱图
2. 染料分子的光辐射过程 如图(5-18)所示染料的吸收-荧光光谱图
二、 染料激光器的泵浦
二、 半导体激光器的工作原理和阈值条件
1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。
图(5-28) GaAs激光器的结构
四、 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器
高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提 出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
二、 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程 CO2激光器包括腔片、放电管、电极和电源等几部分。 图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放 置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。
图(5-19) 三镜腔式染料激光器
一、半导体的能带和产生受激辐射的条件
以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。是注入式受激光放大。
半导体激光器的激发原理和前面的不同，它的电子跃 迁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。 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。在复合时，电子把大约等于Eg的能 量释放出来，放出一个频率为v=Eg/h的光子，这相当于 自发辐射或受激辐射。显然，如果在半导体中能够实现粒 子数反转，使得受激辐射大于受激吸收，就可以实现光放 大，进一步地，如果谐振腔使光增益大于损耗，就可以产 生激光。
2.激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)， 红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、 0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。 图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
一、氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的结构形式很多，但都是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。
1. He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。 He-Ne激 光器工作物 质为Ne原子， 即激光辐射 发生在Ne原 子的不同能 级之间。He 主要起提高 Ne原子泵浦 速率的辅助 作用。
1.固体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。图5-1是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)。
2.红宝石激光器
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
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＋)，如图5-2所示。它属于三能级系统， 相应于图5-3的简化能级模型 红宝石激光器在室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um
图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式
He-Ne激 光器由于增 益低，一般 采用平凹腔， 平面端为输 出端，透过 率为1%-2%, 凹面镜为全 反镜。
图(5-10 )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。
一、 氦-氖(He-Ne)激光器
典型激光器介绍
第一台激光器：红宝石激光器
分类： 工作波段：红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和 真空紫外激光器、X射线激光器。 运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器 工作物质：固体激光器、气体激光器、燃料激光器和半导 体激光器。
一、固体激光器的基本结构与工作物质
一、固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构
红宝石激光器的优点：容易获得大能量的单模输出，输出为红颜色可见光， 适用于硅探测器 缺点：阈值高和温度效应非常严重，甚至会引起“温度猝死” 。
一、固体激光器的基本结构与工作物质
Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如 图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
三、 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
Ar＋激光器激发过程一般为两步： 1.通过气体放电，将氩原子电离； 2.在通过放电激励将氩离子激发到上能级 此外，在低气压脉冲放电时，还有直 接将氩原子激发到氩离子激发态的一步过 程和级联过程。
图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
二、 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程
CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。
CO2激光器中中冲入适量的 辅助气体N2气和Ne气。
He气的作用： 1.可加速CO2分子在上能级的热 弛豫速率；有利于激光下能级上 粒子数的抽空 2.利用He气导热系数大的特点， 实现有效的传热。
3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) 工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而 成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(5-4)所示
图(5-4) Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5) 所示。它属于四能级系统。 荧光谱线中心波长为1.35um和1.06um；由于 1.06um比1.35um波长的荧光强约4倍，所以激光振 荡中，将只产生1.06um的激光
N2 气的作用： 提高CO2分子的泵浦速率，为激 光器高效运转提供可靠保证。
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
三、 Ar+离子激光器
离子激光器是以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的。 氩离子激光器是最为常见的一种，主要以0.4880um蓝光和0.5145um绿光两 条谱线最强。 1. Ar＋激光器的结构
1. He-Ne激光器的结构和激发机理
Hwenku.baidu.com-Ne激光器工作原理
He-Ne激光器为什么有一 根内径很细的的放电管？
选用He气作为辅助气体的 原因： 1.Ne气不能直接被电子激发 到上能级； 2.He气与Ne气能级相接近， 易发生共振转移。 He-Ne激光器是典型的四 能级系统，其激光谱线主 要有三条 : 3S2P 0.6328 2S2P 1.15 3S3P 3.39
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
二、固体激光器的泵浦系统
1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多 为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。 2. 泵浦光源应当满足两个基本条件：一是有很高的发光效率；二是辐射光的光 谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配
3. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆 柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚 光腔。 4.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表 面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 5. 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤 光。常用的冷却方式有液体冷却、气体 冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普 遍。 6.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤 去泵浦光中的紫外光谱——色心。
图(5-6) 椭圆柱聚光腔
四、 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦方式和 图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
2. 可调谐固体激光器 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。
图(5-15) 与产生激光有关的Ar+的能级结构
一、染料激光器的激发机理
1. 染料分子能级
染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。
图(5-17) 染料分子能级图
图(5-18) 染料的吸收-荧光光谱图
2. 染料分子的光辐射过程 如图(5-18)所示染料的吸收-荧光光谱图
二、 染料激光器的泵浦
二、 半导体激光器的工作原理和阈值条件
1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。
图(5-28) GaAs激光器的结构
四、 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器
高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提 出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
二、 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程 CO2激光器包括腔片、放电管、电极和电源等几部分。 图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放 置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。
图(5-19) 三镜腔式染料激光器
一、半导体的能带和产生受激辐射的条件
以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。是注入式受激光放大。
半导体激光器的激发原理和前面的不同，它的电子跃 迁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。 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。在复合时，电子把大约等于Eg的能 量释放出来，放出一个频率为v=Eg/h的光子，这相当于 自发辐射或受激辐射。显然，如果在半导体中能够实现粒 子数反转，使得受激辐射大于受激吸收，就可以实现光放 大，进一步地，如果谐振腔使光增益大于损耗，就可以产 生激光。