无谐振腔激光器输出特性研究

无谐振腔激光器输出特性研究摘要：一般激光器都有一个由反射镜（或光栅）组成的谐振腔，激光工作物质位于二反射镜之间。但近年来对产生相干光的机理进行深入研究，我们发现存在着另一类型的激光器—无谐振腔激光器，其输出光实质上是放大的自发辐射。本文将对无谐振腔激光器形成的背景和工作原理进行概述,并以氮分子激光器为例分析和研究其输出特性和适用范围。关键词：氮分子激光器放大的自发辐射（ASE）输出特性AbstractThereisagenerallaserbymirror(orgrating)ofresonantcavity,thelasermaterialsworkinbetweentwomirrors.Butinrecentyearstofurtherresearchthephysicalmechanismofproducingcoherentlight,wefindthatthereisanothertypeoflaser—thelaserwithoutaresonantcavity,whichoutputisessentiallyamplifiedspontaneousradiation.Thispaperwillintroducethebackgroundandworkprincipleofnoresonatorlaser,andanalysisandresearchitsoutputcharacteristicsandapplicabilitywithnitrogenmoleculeslaserforexample.Keywords:NitrogenlaserAmplifiedspontaneousradiationOutputcharacteristics一、引言激光器作为一种光频振荡器，一般由三个主要部分构成：即泵浦源、工作物质和光学谐振腔。我们把这种由肖洛和汤斯在五十年前提出的激光器称为“经典激光器”。近年来，随着高增益激光器的发展，X射线和γ射线激光器的研究以及存在于宇宙空间中激光辐射的认知，人们对无谐振腔激光器的兴趣愈发浓厚。因此，我们有必要对无腔激光器的形成机理做进一步的研究。典型的无腔激光器有氮分子激光器、氢分子激光器和大多数的紫外激光器。二、无谐振腔激光器的工作原理无腔激光器是一种高增益激光器,它在短波段具有重要意义，无腔激光器的模可以用自由空间辐射场的模来讨论。对于边长为L的矩形腔，场的本征振荡方程为：边界条件使K取分立值：无腔激光器的激光谱线是在自发辐射背景的基础上生长起来的。在介质增益范围内,各个频率都有可能形成激光。对均匀展宽线型，激光谱线出现在增益曲线中心处Γ，对非均匀展宽线型,在所有超过损耗的增益曲线内都能振荡为在一定频带内的连续谱带。对一定长度的增益区对应一个阈值粒子反转数。三、氮分子激光器氮分子激光器于1963年发明，它是一种以氮气为主要工作材料的激光发射装置，是属于三能级系统的脉冲激光器（间歇性工作）。氮分子激光器的发射带在UV（紫外）波段，主要是337.1nm、357.7nm、315.9nm。氮分子激光器的组成主要包括：电源、传输线、储能电容器、激光腔、充电电感、火花间隙开关。结构如下图所示。工作在大气环境下的氮分子激光器，其工作介质为空气中含量约占78%的氮气，通过火花间隙的过压触发氮原子跃迁，其脉冲可短至纳秒(ns=10-12s)量级，氮分子激光器工作需要很陡脉冲，所以作为激光电容就需要有非常快的放电速度，才能使粒子数反转—这是一种气体放电激励方式。四、无谐振激光器的输出特性无谐振激光器的输出光实质上是放大的自发辐射。当工作物质处于反转激发状态且激励足够强时，使g（为工作物质内部损耗系数），则工作物质对自发辐射有放大作用，但由于不满足阈值条件，因而不能形成自激振荡，输出光是放大的自发辐射。放大的自发辐射是介于激光与荧光之间的一种过渡状态，他的状态分布是不均匀的。下面对放大的自发辐射的特性进行简单的讨论。1、放大的自发辐射的强度：2、放大的自发辐射的方向性:3、放大的自发辐射的线宽:五、氮分子激光器的应用氮分子激光器是一种重要的近紫外相干光源。它的输出峰值功率高（Peakpower__45kW），脉冲持续时间短（3.5ns），而且结构简单，制造容易，因此受到人们的广泛重视。它可以作为有机染料激光器的泵浦光源，可以获得从近红外到近紫外的连续可调激光输出，是激光喇曼光谱仪的一种理想光源。此外，氮分子激光器在激光分离同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面也得到广泛应用。由于其短波长更易聚焦得到小光斑，因此被用于加工亚微米量级的元件了，例如光掩模、复杂的集成电路、薄膜电阻的生产。综上所述，我们不难看出无谐振腔激光器未来的发展空间还很大，这对于我们而言既是机遇又是挑战。我们应在学习的过程中不断地发现问题、提出问题并解决问题。比如，现有的氮分子激光器都是脉冲输出的，其输出稳定性较差，平均功率低。若能实现氮分子激光器的连续输出，就有可能大大提高平均输出功率。同时，氮分子激光器一般都工作在低气压下，如何能够有效地提高激光器输出的平均功率和单脉冲，扩展工作气压范围，提高最佳工作气压值。这一系列的问题都需要我们在未来的学习中不断思考，不断总结，将理论与实践相结合，锐意创新，探索解决问题的新途径、新方法。参考文献[1]周炳琨，高以智等.激光原理（第6版）[M].国防工业出版社，2004ZHOUBK.Principleoflaser[M].[2]杨齐民，钟丽云，吕晓旭.激光原理与激光器件[M].云南大学出版社，[3]陆同兴,赵杜章,卢乘踢.关于无腔激光器的运转机理[J].安徽师范大学学报,2006,(2).[4]李立新，魏山城，张瑞瑞，武纪伟.无抽空谐振腔的大气压脉冲N2激光器[J].河南师范大学学报(自然科学版),2010,(5)[5]陈五高，李庆园.连续输出氮分子激光器阈值温度的研究[J].科学札记，1984,(8).[6]王涓等.磁约束放电激励对氮分子激光器输出特性的影响[J].激光技术，2000（6）.