第5章 典型激光器介绍

图(5-19) 三镜腔式染料激光器
5.3.3 染料激光器的调谐
1. 光栅调谐 图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。
2. 棱镜调谐 图(5-21)是一种折叠式纵向 泵浦染料激光器原理图，腔内 放置的棱镜是一种色散元件。
图(5-20) 光栅-反射镜调谐腔
图(5-21) 棱镜调谐腔
图(5-15) 与产生激光有关的Ar+的能级结构
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的工作持性 (1)多谱线工作 多谱线工作 Ar＋激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流 (2)输出功率与放电电流的关系 输出功率与放电电流的关系 由于Ar＋激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其 它激光器有所不同，图(5-16)示出了其间的关系曲线。
1. P-N结的双简并能带结构 型和N型半导体制作在一起 把P型和 型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 型和 型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 未加电场时， 区和 区的费米能级必然达到同一水平，如图( 区和N区的费米能级必然达到同一水平 未加电场时，P区和 区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。 )
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。
5.1.4 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。
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器 (He-Ne)激光器
1. He-Ne激光器的结构和激发机理
He-Ne激光器是典 型的四能级系统， 其激光谱线主要有 三条 : 3S→2P 0.6328µ 2S→2P 1.15µ 3S→3P 3.39µ
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器 (He-Ne)激光器
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的结构和激发过程 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(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
特点：可连续工作，亦可脉冲工作； 特点：可连续工作，亦可脉冲工作； 输出功率大； 输出功率大； 处于大气窗口。 激光波长 10.6 µm 处于大气窗口。
5.1.1 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
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
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
2. 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 .6328µm，1.15µm，3.39µm) - 激光器三条强的激光谱线(0. µ ， . µ ， . µ 激光器三条强的激光谱线 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。见图(5-10) (2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图(5-11) 是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线
ηt =
Pout Pth ν 21 = 1 − η Lηcη abη1ηcou Pin Pin ν p
ηt =
Eout Eth ν 21 η Lηcη abη1ηcou = 1 − Ein Ein ν p
5.1.4 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与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点 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(5-4) 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。
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
5.1.2 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。泵浦光源应当满足两个基本条件。 2. 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。 3.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。 4. 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。 5.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。
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频 在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带， 在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带 率满足
− + EF − EF > hν > Eg
5.4.2 PN结和粒子数反转 PN结和粒子数反转
5.3.2 染料激光器的泵浦
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(0.337µm)， 红宝石激光器(0.6943µm)，钕玻璃激光器(1.06µm)，铜蒸气激光器(0.5106µm、 0.5782µm)，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(5-16) Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线
5.3 染料激光器
5.3.1 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. 染料分子的三重态“陷阱”
5.2.2 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。
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
5.2.2 二氧化碳激光器
1. CO2激光器的输出特性 (1) 放电特性 相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的 最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。 (2) 温度效应 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40％，这就是说，将 有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高， 将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转 数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特 别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分 子浓度。
半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的； 导带中的电子态和价带 价带中的空穴 电子跃迁发生在半导体材料导带 导带 价带 态之间； 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； 价带中的空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补而复合。在 复合时，电子把多余能量以光子形式释放出来，这相当于自 发辐射或受激辐射。
5.2.3 Ar+离子激光器
1. Ar＋激光器的结构 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
2. Ar＋激光器的激发机理
5.2.3 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
图(5-6) 椭圆柱聚光腔
5.1.3 固体激光器的输出特性
1. 固体激光器的激光脉冲特性 一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或 称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1∼1)µm，各短脉冲之间的间隔 约为(5∼10) µs。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。 2. 转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率 描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
5.2 气体激光器
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器 (He-Ne)激光器
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。
图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式
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。
第5章 典型激光器介绍
5.1 固体激光器
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
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)。
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
2.红宝石激光器 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 红宝石激光器的优点和主要缺点 。
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.在一个具有 个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为 个能级，因 在一个具有N个粒子相互作用的晶体中 每一个能级会分裂成为N个能级 个能级， 在一个具有 个粒子相互作用的晶体中， 此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带 称之为能带， 个能级好象形成一个连续的带， 此这彼此十分接近的 个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。
空穴 图(5-23) 固体的能带
载流子
2. 纯净 本征 半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能 纯净(本征 半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下， 本征)半导体材料 带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成， 带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。 3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能 热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布， 热平衡时 级E被电子占据的几率为 被电子占据的几率为
fn (E) =
1
e
E − EF kT
+1
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。 杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。 )给出了温度极低时的情况。
5.3.3 染料激光器的调谐
3. 双折射滤光片调谐 利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的 Ar＋激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(5－22) 给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。
图(5-22) 典型染料激光器原理示意图
5.4 半导体激光器
在最佳充气条件下，使输出功率最大 的放电电流叫最佳放电电流 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。 若放电毛细管的直径为d，充气压强 为p，则存在一个使输出功率最大的最 佳pd值。 在最佳放电条件下，工作物质的增益 系数和毛细管直径d成反比。
图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线