1、激光產(chǎn)生和激光器主要內(nèi)容8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)1. 激光器的基本結(jié)構(gòu)2. 激光介質(zhì)中粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn) 3. 增益系數(shù)及閾值條件 4. 輻射線寬 5. 激光的縱模和橫模 6. 幾種典型的激光器 激光產(chǎn)生和激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)8.2.1 激光器的基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射的兩個(gè)必備條件：受激輻射的產(chǎn)生和放大。激光器：能夠?qū)崿F(xiàn)受激輻射產(chǎn)生和放大的器件或裝置。激光振蕩器：具有一個(gè)光學(xué)諧振腔，由受激輻射產(chǎn)生的光在腔內(nèi)多次往返而形成持續(xù)的激光振蕩。激光放大器：自身不具有光學(xué)諧振腔，只能使來(lái)自其他激光器輸出的激光信號(hào)通過(guò)增益介質(zhì)而獲得單次或有限次的行波式放大。說(shuō)明：通常

2、的激光器，一般指激光振蕩器，在某些情況下則是指由激光振蕩器和放大器組成的組合系統(tǒng)。激光產(chǎn)生和激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)增益介質(zhì) 激勵(lì)源 光學(xué)諧振腔說(shuō)明：僅有激勵(lì)源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔還不一定能輸出激光。只有使受激輻射的增益大于其損耗，才能使受激輻射在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射時(shí)，強(qiáng)度不斷增大，最后輸出激光。 圖8.2-1 激光器的基本結(jié)構(gòu)激勵(lì)源光學(xué)諧振腔增益介質(zhì)激光輸出激光振蕩器的主要組成：激光產(chǎn)生和激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)增益介質(zhì)：激光器中產(chǎn)生受激輻射的物質(zhì)（又稱激活介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體等）。增益介質(zhì)的作用：激光器的核心放大入射光。增益介質(zhì)條件：

3、有一對(duì)能夠產(chǎn)生激光的能級(jí)，并且高能級(jí)應(yīng)有足夠長(zhǎng)的壽命，使得被激發(fā)到該能級(jí)上的粒子能滯留較長(zhǎng)時(shí)間，與低能級(jí)之間形成粒子數(shù)布居的反轉(zhuǎn)分布。(1) 增益介質(zhì)激光產(chǎn)生和激光器激勵(lì)源的作用：供給增益介質(zhì)能量，以使其中處于基態(tài)的粒子獲得一定能量后被抽運(yùn)到高能態(tài)，形成兩個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。 8.2.1 激光器的基本結(jié)構(gòu)8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)說(shuō)明：激勵(lì)過(guò)程常被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)過(guò)程。為了不斷地得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”增益介質(zhì)以維持其粒子數(shù)布居的反轉(zhuǎn)分布。 常用激勵(lì)方式：電泵浦、光泵浦、熱泵浦、化學(xué)泵浦等。 電激勵(lì)：用氣體放電的方法獲得具有一定動(dòng)能的電子，再由其進(jìn)一步激發(fā)介質(zhì)原

4、子。 光激勵(lì)：用強(qiáng)光照射增益介質(zhì)（常用光激勵(lì)源：脈沖氙燈、脈沖激光器、半導(dǎo)體激光器等）。(2) 激勵(lì)源激光產(chǎn)生和激光器光學(xué)諧振腔：裝上在增益介質(zhì)兩端的一對(duì)反射率很高的反射鏡，結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。其中一個(gè)為全反射鏡，反射率接近100%；另一個(gè)為部分反射鏡，反射率約80%左右。 8.2.1 激光器的基本結(jié)構(gòu)8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)(3) 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔的作用： 實(shí)現(xiàn)光的正反饋 對(duì)輸出光束的波長(zhǎng)進(jìn)行選擇高度單色性 使輸出光束的定向高度方向性激光產(chǎn)生和激光器8.2.1 激光器的基本結(jié)構(gòu)8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)圖8.2-2 光學(xué)諧振腔對(duì)激光束方向的選擇當(dāng)增

5、益介質(zhì)產(chǎn)生的受激輻射到達(dá)兩端的反射鏡面時(shí)，將被再次反射回增益介質(zhì)，從而繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射。被進(jìn)一步放大的受激輻射在諧振腔中來(lái)回振蕩，同時(shí)不斷地誘發(fā)新的受激輻射，使之雪崩似地獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，并從部分反射鏡一端輸出。 工作原理：激光產(chǎn)生和激光器二能級(jí)系統(tǒng)的不足：8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)8.2.2 激光介質(zhì)中粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)圖8.2-3 激光增益介質(zhì)的兩種工作模式(a) 三能級(jí)圖抽運(yùn)E3E1hn激勵(lì)E2無(wú)輻射躍遷B21B12A21(b) 四能級(jí)圖E0抽運(yùn)E3E1hn激勵(lì)E2無(wú)輻射躍遷B21B12A21由于B12=B21，最終只能達(dá)到兩個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，

6、不能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)能級(jí)之間的粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。激光增益介質(zhì)的兩種實(shí)際工作模式：激光產(chǎn)生和激光器8.2.2 粒子數(shù)部居反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)三能級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)：四能級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)：粒子被從基態(tài)E0抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3，然后通過(guò)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2。當(dāng)E1為非穩(wěn)態(tài)能級(jí)時(shí)，粒子經(jīng)受激輻射從E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)后，會(huì)很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷回到基態(tài)，極易實(shí)現(xiàn)E2和E1之間粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。 粒子被從基態(tài)E1抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3，然后從E3態(tài)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2。隨著E1上的粒子數(shù)不斷減少，E2上的粒子數(shù)N2不斷增多。當(dāng)N2N1時(shí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)。 激光產(chǎn)生和激光器(8.2-1) (8.2-2)

7、 8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)8.2.3 增益系數(shù)及閾值條件 光束在諧振腔內(nèi)往返一次后的強(qiáng)度： (8.2-3) 設(shè)激光器的增益系數(shù)為G，諧振腔腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩個(gè)反射鏡的強(qiáng)度反射率分別為R1、R2 ，光束的初始強(qiáng)度（z=0處）為I0 。增益介質(zhì)中z處的光強(qiáng)度的增量： 增益介質(zhì)中z處的光強(qiáng)度： (8.2-4) 即 (8.2-5) 增益要求： 產(chǎn)生激光的閾值條件（諧振腔必須達(dá)到的最小增益）： (8.2-6) 激光產(chǎn)生和激光器說(shuō)明：由于各種因素的影響，激光器實(shí)際輸出的激光并不是理想單色的，而是具有一定的頻率寬度。通常給出的激光頻率只表示增益介質(zhì)粒子自高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生輻射的中心頻率。8.2

8、 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)8.2.4 輻射線寬 圖8.2-4 激光的線寬n0-Dn/2nDn/2輻射線寬：激光輻射的光譜范圍寬度。頻率增寬類型：自然增寬，碰撞增寬，多普勒增寬。 激光產(chǎn)生和激光器(2) 碰撞增寬 增益介質(zhì)中的粒子在激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命t 決定了自發(fā)輻射過(guò)程持續(xù)的時(shí)間，有限的輻射波列長(zhǎng)度意味著該輻射不再是理想的單色輻射，而是具有一定的頻率展寬。說(shuō)明：能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，t 10-3s，故Dn為kHz數(shù)量級(jí)或更小。 (8.2-7) 增益介質(zhì)中粒子間距離較小時(shí)，粒子間可能發(fā)生碰撞。碰撞可加速激發(fā)態(tài)粒子向低能級(jí)的躍遷，從而縮短能級(jí)的壽命，導(dǎo)致譜線進(jìn)一步加寬。自然線寬大?。赫f(shuō)明：對(duì)于氣

9、體介質(zhì)，壓強(qiáng)較大時(shí)粒子碰撞的幾率增大，因而碰撞增寬的幾率也增大。 (1) 自然增寬8.2.4 輻射線寬8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器對(duì)于氣體介質(zhì)，由于粒子的熱運(yùn)動(dòng)，其輻射將因多普勒效應(yīng)而發(fā)生頻移。其中當(dāng)粒子向著探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，其輻射頻率將比靜止時(shí)增大，反之則減少。說(shuō)明：(3) 多普勒增寬8.2.4 輻射線寬8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)增益介質(zhì)的輻射線寬往往是幾種增寬的綜合。但對(duì)于不同的增益介質(zhì)和工作條件，各種增寬的貢獻(xiàn)不同。如對(duì)于氦-氖激光器的譜線，在室溫和約200Pa壓強(qiáng)下，碰撞增寬遠(yuǎn)大于自然線寬，而多普勒增寬又比碰撞增寬大一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，多普勒增寬起主要作

10、用。 激光產(chǎn)生和激光器光波在光學(xué)諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩的條件：滿足相長(zhǎng)干涉條件，形成駐波。 (1) 縱模 縱模：光場(chǎng)沿諧振腔縱向傳播的不同振動(dòng)模式不同頻率的駐波。 ， j=1, 2, 3, (8.2-8) L: 為腔長(zhǎng)；n：激活介質(zhì)的折射率；j：腔內(nèi)的波腹數(shù)。(8.2-9) (8.2-10) 8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)8.2.5 激光的縱模和橫模 諧振腔滿足駐波條件的頻率成分：縱模間隔： 激光產(chǎn)生和激光器圖8.2-5 激光的縱模n0-Dn/2nDn/2DnL(8.2-11) 說(shuō)明：由駐波條件確定的頻率只是諧振腔允許的諧振頻率，其中只有落在增益介質(zhì)輻射線寬內(nèi)，并同時(shí)滿足閾值條件的那些諧

11、振頻率，才能形成穩(wěn)定的激光。激光器輸出的頻率個(gè)數(shù)（縱模數(shù)）： 8.2.5 激光的縱模和橫模8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器橫模：諧振腔內(nèi)光場(chǎng)沿橫向的穩(wěn)定分布。意義：激光束在腔內(nèi)往返一個(gè)來(lái)回后能夠再現(xiàn)其自身的一種光場(chǎng)分布狀態(tài)，一般用TEMmn表示模式（m，n：光斑沿x和y方向出現(xiàn)的暗區(qū)數(shù)目） 分類：軸對(duì)稱模，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模。 說(shuō)明：為獲得高質(zhì)量光束，實(shí)驗(yàn)中一般希望激光器工作在單模輸出狀態(tài)。 (2) 橫模圖8.2-6 激光的橫模TEM00TEM20TEM03TEM11TEM10TEM018.2.5 激光的縱模和橫模8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器(1) 固體

12、激光器（紅寶石、YAG） 8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)8.2.6 幾種典型的激光器典型的固體激光器：紅寶石激光器（），釹（Nd）玻璃激光器（1064nm），摻釹釔鋁石榴石（YAG:Nd）激光器（1064nm），鈦寶石（Al2O3:Ti）激光器（660-1180nm）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率（能量）大 連續(xù)工作方式：輸出功率可達(dá)100W以上增益介質(zhì)：均勻摻入少量激活離子的晶體或玻璃 脈沖工作方式：峰值功率可達(dá)109W以上激光產(chǎn)生和激光器紅寶石激光器：增益介質(zhì)紅寶石棒（Al2O3:Cr晶體），典型的三能級(jí)粒子體系，輻射波長(zhǎng)為，脈沖高壓氙燈泵浦。 紅寶石激光器的發(fā)明者梅曼

13、第一臺(tái)紅寶石激光器的結(jié)構(gòu)圖8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器(2) 氣體激光器 典型的氣體激光器：氦氖（He-Ne）激光器，氬離子激光器，二氧化碳（CO2）激光器，氦鎘（He-Cd）激光器，銅蒸氣激光器，氮分子激光器，準(zhǔn)分子激光器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作方便，能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作，并且輸出光束的方向性好、單色性好泵浦方式：較多的為氣體放電，也可以化學(xué)泵浦、熱泵浦 增益介質(zhì)：氣體或金屬蒸氣 8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器最早研制成功的，也是最常用的一種中性原子氣體激光器。最強(qiáng)的輸出波長(zhǎng)

14、為、和。 氦氖（He-Ne）激光器貝爾實(shí)驗(yàn)室的A. Javan, W. Bennett和 D. Herriott 在調(diào)試世界上第一臺(tái)輸出微米連續(xù)光束的 He-Ne激光器（1960年）。8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器缺點(diǎn)：內(nèi)腔式激光管較短，輸出功率較小。 圖8.2-7 內(nèi)腔式氦氖激光管結(jié)構(gòu)出光端毛細(xì)管陽(yáng)極陰極部分反射鏡全反射鏡8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：毛細(xì)管與諧振腔的兩個(gè)腔鏡封裝在一起，并且在出廠時(shí)已調(diào)節(jié)至最佳出光狀態(tài)，輸出功率相對(duì)穩(wěn)定，使用時(shí)無(wú)須再進(jìn)行調(diào)節(jié)。 a. 內(nèi)腔式氦-氖激光器激光產(chǎn)生和

15、激光器缺點(diǎn)：使用時(shí)往往需要調(diào)節(jié)反射鏡的方位并擦拭反射鏡和布儒斯特窗，以獲得最佳激光輸出。 半外腔式氦氖激光管結(jié)構(gòu)布儒斯特窗毛細(xì)管陽(yáng)極陰極部分反射鏡全反射鏡布儒斯特窗8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：毛細(xì)管與腔鏡分離，因而可在毛細(xì)管的兩端或一端加上布儒斯特窗，以獲得平面偏振激光輸出，并且激光管可以做得較長(zhǎng)，輸出功率也較大。 b. 外腔式氦-氖激光器激光產(chǎn)生和激光器半外腔式氦氖激光管結(jié)構(gòu)布儒斯特窗毛細(xì)管陽(yáng)極陰極部分反射鏡全反射鏡8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：毛細(xì)管的一端與反射鏡封裝，另一端與反射鏡分離，并加布儒

16、斯特窗。 c. 半外腔式氦-氖激光器激光產(chǎn)生和激光器 氬離子激光器：離子氣體激光器，激活介質(zhì)為Ar+離子，主要輸出波長(zhǎng)和。 二氧化碳（CO2）激光器：分子氣體激光器，激活介質(zhì)為CO2分子，主要輸出波長(zhǎng)mm。 氦鎘（He-Cd）激光器：離子氣體激光器，激活介質(zhì)為Cd離子，He離子為提高激發(fā)效率的輔助氣體，主要輸出波長(zhǎng)和325nm。 銅蒸氣激光器：中性原子蒸氣激光器，激活介質(zhì)為Cu原子，主要輸出波長(zhǎng)為。 氮分子激光器：分子氣體激光器，激活介質(zhì)為N2分子，主要輸出波長(zhǎng)為。 準(zhǔn)分子激光器：分子氣體激光器，激活介質(zhì)為N2分子，主要輸出波長(zhǎng)為193nm、248nm、308nm和351nm。 8.2.6 幾

17、種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)增益介質(zhì)：若丹明、香豆素、碳化氫等有機(jī)染料溶液，或摻釹三氯氧磷等無(wú)機(jī)液體。 特 點(diǎn)：輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)且覆蓋面寬，輸出功率較高且穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。 常用液體激光器：染料激光器，把有機(jī)染料溶于溶劑（乙醇、丙酮、水等）中,利用不同染料可獲得不同波長(zhǎng)（在可見(jiàn)光范圍）的激光輸出。 說(shuō) 明：染料激光器一般需要用其他激光器輸出的激光來(lái)泵浦，常用泵浦源為氬離子激光器。 (3) 液體激光器激光產(chǎn)生和激光器法布里-珀羅腔介電反射鏡半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) 增益介質(zhì)：砷化鎵、鋁鎵砷、

18、硫化鎘、硫化鋅、銻化銦等半導(dǎo)體材料。目前較成熟的是純質(zhì)及摻雜砷化鎵半導(dǎo)體激光器，發(fā)射激光包含可見(jiàn)光到近紅外區(qū)的多種波長(zhǎng)。 (4) 半導(dǎo)體激光器（激光二極管，Laser diode ）構(gòu)造原理：通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。 激勵(lì)方式：光激勵(lì)、電激勵(lì)特點(diǎn)：耦合效率高、壽命長(zhǎng)（可達(dá)十萬(wàn)至百萬(wàn)小時(shí)）、可直接調(diào)制、波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配、體積小、重量輕、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)激光產(chǎn)生和激光器8.2.6 幾種典型的激光器8.2 激光的產(chǎn)生與激光器8 激光基礎(chǔ)增益介質(zhì)：經(jīng)電子加速器加速的高能電子束（能量高達(dá)幾千萬(wàn)電子伏特）。工作原理：以真空中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論電