激光原理教案第5章

《激光原理技术及应用》讲义（第5章典型激光器）

王菲

长春理工大学

2007年5月

第五章 典型激光器（2学时）

§1. 气体激光器

一、 氦氖激光器

He-Ne 激光器：连续光，

波长：红632.8nm ，1.15um,3.39um,橙（612nm,604nm ）,黄594nm,绿543nm

1. 结构

组成:放电管、电极和光学谐振腔。

增益低，多采用平凹腔，平面镜为输出镜，T=1-2%。

放电管由毛细管和贮气管构成，是产生激光的

地方。毛细管的尺寸和质量是决定激光器输出性能

的关键因素，放电只限于毛细管，贮气管里不发生放电，贮气管的作用是增加了放电管的工作气体总量。电极采用冷阴极材料。

按放电管和谐振腔的放置方式分为内腔式、外腔式、半内腔式。

2.工作原理

工作物质是He 原子和Ne 原子混合气体。激光跃迁产生于Ne 原子的不同激发态间，He 原子是辅助气体，用作对Ne 原子的共振激发能量转移。 共振激发能量转移：亚稳态原子A *与基态

原子B 相碰撞，使B 变为受激原子B ’，而A *

变为基态原子A 的过程。

He 的亚稳能级23S 1、21S 0分别和Ne 的亚稳

能级2S 2、3S 2重合。混合气直流放电时，高能

电子把He 原子由基态激发到各种激发态，在衰

变过程中大部分被23S 1

、2

1S 0收集，通过共振能

量转移，使Ne 原子被激发到2S 2、3S 2中。

二、CO 2激光器

CO 2激光器的工作气体是CO 2、N 2和He 的混合气

体。波长9-11um 间，处于大气传输窗口（吸收小，

2-2.5um;3-5um;8-14um ）。利用同一电子态的不同振动

态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。

CO 2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO 2分

子和N 2分子的电子基态的低振动能级构成的。CO 2振

动模型如图。

工作原理：

激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程，泵浦过程：

1）电子碰撞激发

e *+CO 2(0000) →CO 2(0001)+e

受到电子碰撞的CO 2分子被激发到高振动激发态通过振动模间能量交换，被能级0001收集。

2）N 2分子共振能量转移

电子碰撞激发N 2的振动能级的总截面很大。N 2和CO 2的基态分子发生碰撞时，N 2将激发能量转移给分子，使之激发到0001能级。N

2作用类似He-Ne 中的He 。激光下能级衰变慢，不利于抽空，He 与该能级CO 2分子碰撞使其衰变加快，利于下能级抽空，He 热导率高，利于把放电区剩余热量带走，避免热效应造成的下能级粒子数积累。

§2.半导体激光器

一、半导体激光器的工作原理

PN结在外加电压V=E g/e时，平衡态破坏，多数载流子分别流入对方而变为少数非平衡载流子，（e从N区的导带注入到P区与其中空穴复合，空穴从P区的价带注入到N区）非平衡载流子间的复合以光辐射形式放出即自发发射，自发发射光对腔模起到“种子”的作用，价带电子吸收自发发射光子后跃迁到导带即受激吸收，若导带中电子在自发发射光子作用下与价带空穴复合发射出光子即受激辐射。

半导体产生受激光发射作用的条件：导带能级上被电子占据的几率大于与辐射有关的价带能级（激光跃迁不是发生在十分确定的两个能级间，而是发生在能量分布较宽的许多能级间）上被电子占据的几率。

粒子数反转条件：导带与价带中的费米能级之差大于禁带宽度。

二、基本结构

§3.固体激光器

一、工作物质

对材料的要求：窄荧光线宽、强吸收带、高量子效率。

固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分构成。基质材料决定了工作物质的物理性能；激活离子是激光工作物质的发光中心，决定了工作物质的光谱特性和激光的上能级寿命，而不同的基质、工作物质的不同温度也将使激光输出波长略有变化。

1.基质材料

基质材料应当具有良好的光学性能（透光性、均匀性）、机械性能（硬度、抗裂强度）和热特性（高热导率），与掺杂离子的晶格匹配，应能为激活离子提供合适的配位场，同时还要考虑它与掺入离子的大小和原子价匹配。固体激光工作物质的基质材料主要有玻璃和晶体。

2.激活离子

要求：适合激光跃迁的能级结构、独特的电荷状态和自由离子结构

激活离子的电子组态中，未被填满壳层的电子处于不同的运动轨道和自旋运动状态，形成一系列的能级，激光的光谱特性均由激活离子这些未满壳层的电子发生能级跃迁产生。主要有稀土离子、过渡金属离子和锕系离子。

二、泵浦技术

1.泵浦源：弧光灯和激光二极管

2.泵浦方式

侧面（横向）泵浦和端面泵浦