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第六章激光与激光器6.1激光的形成和基本特征激光，英文写为LASER，是由“辐射的受激发射光放大”英文字头合并而来的。跟上节所述的自发发射产生的普通光相反，激光是受激发射而产生的。那么，普通的自发发射光与激光区别在哪里？可以简单地从最终的结果来说，激光是时间上、空间上相位整齐的正弦波，而普通光则在时间上和空间上是无规则，使一种衰减和振荡重叠在一起的波。激光如同电波和音叉发出的声波一样是整齐的波，而普通光则可以说是如同空中放电和噪声一样的杂乱无章的波（见图5.1）。从图中我们可以看到，以白炽灯为代表的发光光源，其发出的是一种普通光，属于自发发射的非相干光。这种光是大量的粒子从高能态向低能态跃迁，而发射的光波，其波长和相位杂乱无章，向各个方向无规则辐射，持续时间也以指数函数急剧衰减。而激光虽然也是有大量的粒子从高能态向低能态跃迁发射的光波，但其在时间和空间上相位完全一致。这是激光最本质的特性之一。图6.1自发发射光与激光的差别•图6.1显示了自发发射的非相干光与受激发射等的相干光的两种不同的情况。非相干光通常其光谱的宽度较宽、其光束发散角也较大。这是由于各个原子发出的光，其相位断断续续，并向四面八方发射之故。若要使非相干光形成相互干涉时，除非采用一种特殊的透光的狭缝，否则不能发生干涉。在前面我们已经介绍了受激发光，用前述方法产生的激光由于是受激发射光，因而是相位整齐的相干光波。相干光的激光增益带宽由激光共振腔的Q值和长度以及激光工作物质决定，因此受到限制，光谱宽度极为狭窄。•激光的相干光是整齐的正弦波，容易发生干涉。这是因为相干光从时间上说，相位一致，光谱宽度窄，这种现象被称为单色性好。激光的谱宽可以在几十兆赫以下，经过调整可压缩至几千赫以下。与此相对照的发光二极管等非相干光的光谱宽度在104GHz以上，白色灯光可达到数亿兆赫。非相干光发散角在2π~4π弧度（全立体角）的立体角内。激光在空间内也是相位一致，波长短，所以指向性特别好，激光发散角很小，只有毫弧度。所以，即使采用简单的光学系统也可以把激光聚焦成波长量级的光斑，形成极高的光能密度，而普通光绝对不能达到的。•激光与非激光差别，源于产生的方式不同。我们已知了受激发光的原理，激光的产生基础就是受激发光和粒子数反转。引发激光产生的受激发光和粒子数反转如图6.2所示。•受激发光和粒子数反转是激光产生的一个基本条件，另外还须是获得的受激发光得到成倍的加强或放大。为了让粒子的受激发射的几率随入射的电磁波的强度成比例地增加，采用适当的共振腔使其作正反馈，连续引发受激发射，产生自激振荡，这就是激光产生的原理。•实现通过自激振荡使受激发射光的强度成比例地增加,按照电子电路里面，真空管和晶体管都是在放大电路中加上正反馈（取出输出信号的一部分，与输入信号同相位而再次加进输入信号中去）而引起自激振荡的思路，在激光器中也采用完全相同的办法使激光自激振荡。•用高品质因数（Q）的发布里—帕罗共振腔提供正反馈和自激振荡，所谓的“发布里—帕罗共振腔”是由相向（即面对面）排列的两块全反射镜子组成，如图6.3所示。•在负温度状态，进行强烈的抽运，并降低共振腔内Q值,使激光不振荡，到达粒子数反转充分时，急速升高Q值。此Q开关法可获得的巨脉冲.采用锁模技术可产生皮秒（10-12s）光脉冲和亚皮秒光脉冲，这些也都是激光的特征。图6.2造成粒子数反转的方法和粒子受激发光成一片图6.3提供正反馈的激光共振腔•6.2不同工作物质的激光器•激光器是光电子技术领域的最主要的器件之一，自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器的种类日益增多、水平迅速提高。迄今为止，已发现的激光工作物质约有千余种，获得的相应的激光特征谱线达到上万条，可覆盖从毫米波直到X射线的整个光学频段。激光器的分类方法很多，按工作物质可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和自由电子激光器等；按激励方式可分为光激励激光器、电激励激光器、热激励激光器、化学激励激光器和核激励激光器等：按工作方式可分为连续激光器和脉冲激光器；按激光波长可分为红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器,X射线激光器和γ射线激光器等。•本节将按工作物质的分类，分别介绍一些常见的、有代表性的固体激光器、气体激光器、液体激光器包括有机染料激光器和半导体激光器。•6.2.1固体激光器•固体激光器可分成晶体和玻璃激光器两类，以晶体或玻璃为工作物质。•活性离子（过渡金属离子或稀土离子）被掺入晶体或玻璃中，经光泵激励后产生受激辐射作用。活性离子密度一般为1025~26/m3，较普通的气体激光工作物质高三个量级以上，上能级的寿命也比较长，可达10-4~-3S。•此类激光器储能能力强，易于获得大能量输出。典型的固体激光器有红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石激光器和钛宝石激光器等。•固体激光器普遍采用光激励方式把基态的粒子抽运到激发态，以形成粒子数反转。光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。•以非相干的气体放电光为激励光源(如图6.4所示)是广泛采用的一种激励方式.脉冲激光器采用脉冲氙灯激励;连续激光器采用氢灯或碘钨灯激励。•放电灯光的发射光谱由连续谱和线状谱组成，尽管覆盖的波长范围很宽，但只有与激光工作物质吸收波长相匹配的光才可有效激励粒子，形成粒子数反转。其它光被转化为热能，仅能使腔内温度升高.因此，这类激励的效率较低。•为了使气体放电灯发出的非相干光有效地照射到激光工作物质，必须采用合适的聚光装置。•图6.4气体放电灯激励固体激光器示意图•固体激光器还可用半导体激光器作激励源。由于激光二极管的发射波长可以与激光工作物质相匹配，这就大大减少了气体放电光源泵浦工作时热效应的影响，使光能更多的用来增加反转粒子数，从而有助于提高激光泵浦的效率。半导体激光二极管泵浦的固体激光器的总效率远远高于放电灯激励的固体激光器，同时它还具有质量轻、小型化、全固体化和长寿命等诸多优点。•（1）红宝石激光器•红宝石激光器是最早的一种晶体激光器，工作物质是红宝石棒状晶体（激光棒），在基质中加入激活离子Cr3+。•激活离子均匀分布,密度约为1.58×1019/cm3。除了Cr之外，Ni、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等镧系的离子大多可作激活离子，发光光谱从0.598.5~2.6um的广阔范围。•晶体中Cr3+与激光产生过程有关的能级如图6.5所示。当泵浦光照射到红宝石时，激光器产生694.3nm波长的激光输出。红宝石激光器属三能级系统，具较高的泵浦能量阈值，激光性能随温度变化明显。低温（如77K）时，性能优良，可连续或高重复率脉冲运转。室温下，此类激光器只能作低重复率的脉冲运行.温度升高，激光输出波长向长波方向移动，荧光谱线加宽，效率降低,阈值升高。•一可调Q值的激光器输出巨脉冲峰值功率(10~50)MW，脉宽(10~20)ns；锁模红宝石激光器输出超短脉冲的峰值功率109W，脉宽10ps。•红宝石激光器阈值泵浦能量高，其应用受到影响，但由于其输出的是可见光，在激光测距、材料加工、全息照相和医学等方面仍很有应用价值。•（2）钕激光器•以三价钕离子（Nd3+）为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的固体激光器，最常用的是YAG激光器和钕玻璃激光器。•YAG激光器的工作物质是掺钕钇铝石榴石晶体（Nd3+：YAG），基质是Y3A15O12晶体（简称YAG）。一般掺入的Nd3+的密度约为1.38×1020／cm3。•YAG中Nd3+与激光产生过程有关的能级如图6.6所示。YAG激光器属于四能级系统，具量子效率高、受激辐射截面大的优点，其泵浦能量阈值比红宝石激光器低得多，而且钇铝石榴石晶体还具有高的热传导率，易于散热。所以YAG激光器不仅可以实现高重复率脉冲运转，还可以连续运转。YAG连续激光器的最大输出功率已超过千瓦，每秒5000次重复频率激光器输出峰值功率达数千瓦，每秒几十次重复频率激光器输出峰值功率可达数百兆瓦。•另一类的钕玻璃激光器的基质材料是玻璃，掺入了Nd3+激活离子。与晶体相比，组成玻璃的分子排列不规则，因而振荡谱线宽度比晶体激光器要宽。这对于特定的锁模激光器产生皮秒脉冲或亚微微秒脉冲是有利的。•由于玻璃的热传导性比晶体差，冷却速度慢，所以一般不适用于连续振荡和高重复率振荡。但是，从光学的角度来说，玻璃比晶体折射率均匀性好，大型的工作物质容易制得，从而适用于高功率输出。图6.5红宝石中Cr3+的能级图图6.6Nd3+：YAG中Nd3+的能级图图6.7钛宝石能级图•（3）钛宝石激光器•与产生固定波长激光不同，钛宝石激光器是一种可调谐的固体激光器，输出波长在660~1180nm连续可调。•在掺钛蓝宝石中，以少量Ti4+为激活粒子，能级如图6.7所示,有四能级系统的特征。由于跃迁上能级寿命较短，为获得足够的泵浦速率，大多采用激光泵浦，即用另一台激光器作为泵浦源，有氢离子激光器、铜蒸气激光器、倍频的YAG激光器等。当用倍频激光泵浦时，其总体效率达40％，重复率为1~10Hz,脉宽4ns时脉冲能量为100mJ。•此激光器在很宽的荧光范围内，经锁模可具有极窄的脉宽，窄至飞秒（10-15），常用于超高速分光。除调谐范围宽，还具有输出功率大，转换效率高，可采用脉冲或连续运转的优点，可以用半导体激光器激发，制成小型的波长可变激光器。•固体激光器的工作物质能储存较多的能量，比较容易获得大能量、大功率的激光脉冲。固体工作物质体积小，使用方便。但在效率和输出激光的频率稳定性、相干性等方面尚不如气体激光器。•6.2.2气体激光器•气体激光器是以气体或金属蒸气为工作物质,目前种类最多、波长分布区域最宽,应用最广的一类激光器。气态工作物质光学均匀性远好于固体，谱线宽度远小于固体，因而气体激光器光束的方向性、相干性（即单色性）特别好，波长稳定性也很好。但是，气体是低密度的物质，激活粒子密度远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的输出功率。因此需要大的激活区，长度从几十厘米至1m，做成的激光器体积都比较庞大。•气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光泵浦，而采用气体放电泵浦方式。在放电过程中，受电场加速而获得足够能量的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，在一对能级间形成粒子数反转分布。气体激光器还可采用化学泵浦、热泵浦和核泵浦等方式。可据不同气体电子能级分布状态来选用气体激光器。如需获得从红光到近红外的振荡激光，使用He-Ne气体激光器；需要获得从紫外到可见区振荡的，使用Kr+离子激光器，Ar+离子激光器，Xe+离子激光器等。•根据气体工作物质的种类不同，可将气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器和分子气体激光器三种。•原子气体激光器的工作物质是中性原子气体，激光跃迁发生于中性原子的不同激发能级之间，其工作物质有两类：一类是惰性气体原子，如氮（He）、氖（Ne）、氦（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe）等，这类激光器输出的波长多在红外和远红外区，只有少数在可见光区。另一类是金属原子蒸气，如镉(Cd)、铜(Cu)、锰(Mn)和锡(Sn)等，这类激光器的输出波长大都在可见光区。•原子气体激光器中应用最普遍、最典型的是惰性气体类中的He一Ne激光器和金属原子蒸气类中的铜原子激光器。•离子激光器是在阴极放电区中使电子与稀有气体碰撞，形成强制放电电离，造成高能态离子，然后向低能态区实现受激发射。但某些离子激光器尽管能够有连续输出几瓦至几十瓦的激光输出，但由于振荡效率低，适用的范围受到限制，较多用来作特殊显示等用途。•在紫外到可见区有较高实用价值的气体激光器为氮激光器和金属蒸气离子激光器。氮激光器在331~400nm范围内有几条紫外谱线，能以l0ns的窄脉冲宽度产生很高的峰功率。•金属蒸气离子激光器是使固体和液体金属蒸发，成为气态并进行放电的一类离子激光器。由于能够获得高增益，所以激光效率比较高。在Cd,Se,Zn;Pb,Sn等金属蒸气中，需混和He作为缓冲气体后使用。波长441.6nm和325nm的He-Cd激光器，脉冲输出时达几百毫瓦、连续输出时达几十毫瓦。He-Se激光器在446