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1、第六章第六章 激光与激光器激光与激光器6.1 激光的形成和基本特征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
2、。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。2021/9/121图6.1 自发发射光与激光的差别 2021/9/122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
3、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2 4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
4、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。2021/9/123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
5、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。2021/9/124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2021/9/1256.2
6、不同工作物质的激光器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
7、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。2021/9/1266.2.1 固体激光器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102526/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10-4-3 S。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
8、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。2021/9/127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
9、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。2021/9/128（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Cr 3+。激活离子均匀分布,密度约为1.581019/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
10、光谱从0.598.52.6um的广阔范围。晶体中Cr 3+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694.3 nm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77 K）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(1050)MW，脉宽(1020)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
11、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。2021/9/129（2）钕激光器以三价钕离子（Nd 3+）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（Nd 3+：YAG），基质是Y3A15O12晶体（简称YAG）。一般掺入的Nd 3+的密度约为1.381020cm3。YAG中Nd 3+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
12、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Nd 3+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。2021/9/1210 图6.5红宝石中
13、Cr3+的能级图图6.6 Nd3+：YAG中Nd3+的能级图 2021/9/1211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6601180 nm连续可调。在掺钛蓝宝石中，以少量Ti 4+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110 Hz,脉宽4 ns时脉冲能量为100 mJ。此激光器在很宽的荧光范围内，经锁模可具有极窄的脉
14、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。2021/9/12126.2.2 气体激光器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
15、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。
16、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。2021/9/1213离子激光器是在阴极放电区
17、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
18、-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446.7nm 1.26um间约有50条振荡谱线。其中蓝和绿的振荡谱线很强，可得到约100mW的连续输出。Cu激光器在510.5nm处可得到数百千瓦的脉冲输出。XeCl和KrF等准分子激光器是效率较高的紫外光源，可以考虑用作光致抗蚀剂的光源，也可以考虑用作核聚变和分光、化学应用的激光器。离子气体激光器是以气态离子在不同激发态之间的激光跃迁工作的一种激光器，其工作物质为惰性气体的离子和金属蒸气离子，由于其离子气体激光器的输出波长大多在紫外和可见光区，因此是目前可见光波段连续输出功率最高的激光器，其阈值电流密度相当高，可达
19、几百安培。2021/9/1214在分子振动、转动能级间振荡的分子激光器的代表是CO2激光器。放电管内充以CO2、N2、He的混合气体，采用辉光放电激发。由于分子振动的振动能级间能量差很小，所以振荡的形成激光都处于红外区。在9.4um带与10.6um带上的能量范围内大约有200条振荡谱线。除了半导体激光二极管外，CO2激光器的激光效率最高，可达1520以上。虽然CO2激光器工作物质是气体，但是由于增益高，所以用作CO2激光共振腔的反射镜其反射率没有必要装备比其它气体激光器更高的反射镜。在激光器共振腔的一端用反射式衍射光栅能够选择波长。用简单的CO2激光装置就可做到连续输出几瓦至100W，大型装置
20、也有连续输达20kW。在其它如CO、HF、DF、CH3F、CH3OH等分子激光器中，差不多凡是具有偶极矩的分子都可能实现激光振荡。CH3OH（乙醇）激光器在波长从几十微米至亚毫米波区中，多数谱线能产生激光振荡。分子气体激光器的工作物质也可分为双原子分子和三原子分子，如一氧化碳(CO)、氮气（N2）、水蒸气(H2O)和二氧化碳(CO2)等。双原子分子激光器的输出波长在紫外和可见光区，而三原子分子激光器的输出波长在中红外和远红外区。分子气体激光器的电子基态的振动和转动能级十分接近基态，因而具有很高的能量转换效率，而且分子振动能级的激发截面一般都比较大，可以获得绝对值较高的粒子数反转值。最具有代表性
21、的双原子气体激光器是氮分子激光器和三原子气体的二氧化碳激光器。2021/9/1215图6.8 He-Ne激光器结构示意图为了解气体激光器的有关结构特点、工作特性下面将分别介绍一些主要的气体离子激光器。（1）He-Ne激光器最早研制成功的气体激光器。其在可见光和红外波段可产生多条谱线，最强的是632.8 nm、1.15um和3.39um三条谱线，以632.8nm的谱线应用最多。He-Ne激光器的基本结构包括放电管、电极和光学谐振腔三部分，如图6.8所示。放电管由毛细管和储气管构成，毛细管是放电工作增益区，储气管的作用是增加工作气体总量。放电管一般用硬质玻璃或石英玻璃制成。He-Ne激光器采用直流
22、放电激励形式,工作电流几到几百毫安.放电长度为1mm的激光器，起辉电压在8000 V左右。放电电极大采用冷阴极形式，阴极材料为铝或铝合金。为了增大电子发射面积和减低溅射，阴极通常制成圆筒状，而阳极一般多采用钨针。光学谐振腔是由一对涂有高反射多层介质膜的反射镜组成，采用平凹腔形式，输出平面镜的透过率为12，凹面全反镜的反射率接近100。2021/9/1216 根据谐振腔与放电管的连接方式，He-Ne激光器可分为内腔式、半内腔式和外腔式三种。图6.8中(a)为内腔式，即反射镜和放电管连在一起；(b)为半内腔式，一块反射镜与放电管相连，另一块反射镜与放电管相分离；（c）为外腔式，反射镜和放电管为互相
23、分离。内腔式的优点是整体性强，输出功率较高，不用调制，使用方便，但不能直接输出线偏振光。半内腔式和外腔式激光器的优点则是适于输出线偏振光，便于进行内调制。He-Ne激光器的工作物质是He和Ne的原子气体，在放电管内充以一定比例和压力的氦、氖混合气体。在电极两端加上24 kV的直流高压，由于气体放电可使Ne原子的能级间形成粒子数反转。混合气体中，虽然He的含量数倍于Ne，但激光跃迁只发生在Ne原子的不同激发态之间，He原子是辅助气体，用做对Ne原子的共振激发，使能量转移，以提高泵浦效率。影响He-Ne激光器输出功率的因素除工作物质尺寸、谐振腔损耗和输出耦合外，还有气体放电电流参数、充气气压,He
24、与Ne这两种气体的比例及毛细管的管径等。He-Ne激光器输出功率较小（几mW到100mW），能量转换功率也较低(0.01%)，但其激光光束的单色性较好，谱线宽度窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度可达几十公里。可以连续、单色平面偏振光输出，且结构简单紧凑，可靠稳定，在准直、定位、全息照相、测量、精密计量、光盘录放等很多方面具有广泛的应用。2021/9/1217（2）氩离子激光器 A r+激光器是离子气体激光器的代表，其发射的激光谱线十分丰富，主要分布在蓝绿区域内，连续运行输出的功率为几瓦到几十瓦，最高可达数百瓦，可以算是可见光波段连续输出功率最高的激光器，所以用途很广。氩离子激光器主
25、要的用途是作染料激光器的泵浦源，以及用于全息照相、信息存储、快速排字、彩色电视、激光医学和光谱分析等方面。氩离子激光器是一种发射多谱线的激光器，并且这些谱线都靠的很近，常会出现几条谱线同时振荡的现象。连续工作的Ar+的激光器可产生9条蓝绿激光谱线，其中以488.0nm 蓝光和514.5 nm绿光谱线最强，占总功率输出的30%40%。若要获得单谱线激光，可在腔内插入棱镜等光学色散元件，进行调制。氩离子二次离化的结果是氩离子激光器也可以输出351.1nm和363.8nm的紫外线，这种情况在电流密度很大时可以观察到。由氩离子激光器的激发机理，决定了它有以下三个主要特征：a.工作气压低（低于1.061
26、02Pa），可以保证管内电子具有高的能量；b.采用弧光放电激励，能够增加管内电离和激发过程，以提高管内电子密度，以保证在激光能级有上足够的粒子；c.放电管径细（约24 mm），以保证激光下能级粒子排空。2021/9/1218图6.9 氩离子激光器结构示意图 氩离子激光器的基本结构如图6.9所示。由于氩原子的电离能量（约15eV）和激光跃迁上能级的激发能量（约20eV）较高，这样所要求的正常运转平均电子动能（温度）很高。为了提高电子动能，氩离子激光器中的充气压强一般在150 Pa以下。低压强意味着氩原子密度较小，为了提高电离和激发速率，必须增加放电管内的电子密度。因此Ar激光器必须采用低气压、大
27、电流弧光放电激发，其放电电流比He-Ne激光器高出约1000倍（管内电流密度可高达1001000 A/cm2）。为提高放电电流密度，放电区域被约束在毛细管中心12 mm范围内。为此沿放电毛细管加一轴向磁场，该磁场的洛伦兹力能够使带电粒子沿着磁场方向运动，在加大了发光区的电流密度的同时也减少了高能粒子对管壁的轰击，有助于延长激光器的寿命。但是由于高密度电流通过气体时，会产生高温等离子体，使放电毛细管承受很大的热负荷（放电管需要耗散相当于90输入功率的热量），高能离子轰击管壁及电极溅射使剥落的颗粒会污染气体和窗口。鉴于这种情况，放电毛细管材料必须能耐高温、导热性好、气密性好和机械强度高，常用的放电
28、管采用石英玻璃管或陶瓷毛细管、金属管、石墨管等制作，并且还需要通水冷却。2021/9/1219（3）二氧化碳激光器 CO2激光器输出功率大（连续输出几瓦几万瓦），能量转换效率高（可高达2025），是使用最广泛、能量利用率最高的分子气体激光器之一。CO2激光器的输出谱带相当丰富，主要波长分布在911um，正好处于目前盛行的光通信的“大气窗口”之中，因而常被用做地面与空间光通信的光源。CO2激光器的形式多样，既可连续运转，又可脉冲运转，因此被广泛应用于激光加工、医疗、大气通信及其它军事领域。CO2激光器以CO2、N2和He的混合气体作为工作物质，激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的振动一转动两个能
29、级之间。N2的作用是提高激光器上能级的激励效率，He则有助于激光下能级的抽空。CO2激光器激光器的谐振腔大多采用平凹腔，高反射镜通常由金属制成，也可在玻璃上镀一层金属膜而形成。其输出端可采用小面积耦合方式或由可透红外光的Ge,GaAs等材料制成输出窗。CO2激光器的种类较多，主要有以下4类。a.封离型CO2激光器，其结构如图6.10所示，由放电管、电极、储气管、回气管、冷却水套以及谐振腔镜等几部分组成，采用纵向放电激励。CO2激光器在充好气后两端被封闭，故使用方便，可以随意移动。在充入的放电气体中加入催化剂O2，可促使CO2分子分解的CO与O重新结合为CO2，并选用不与O2起作用的阴极材料以保
30、证激光器中有足够的O2与CO重新结合CO2。通常也加入少量的H2O或H2用做催化剂。封离型激光器的输出功率约为5060 W/m。2021/9/1220 b.纵向流动CO2激光器结构如图6.11所示。CO2气体从放电管的一端输入，被从另一端抽出，这里的气流、放电电流均与光轴方向一致。气体流动能够及时排除CO2分子与电子碰撞时分解出来的CO气体，并补充新鲜气体。当气体慢速流动时，每单位放电长度上的输出功率与封离型相似。当气体快速流动时，输出功率会显著提高，当放电管中气体的流速达到300600 m/s时，输出功率可达600 W/m以上。在此类激光器中，放电电流密度与气体压强存在一个使输出功率最大的最
31、佳值。在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为50 W/m 1 kW/m之间。c.横向流动CO2激光器。横向流动CO2激光器中的放电方向、气体流动方向和光轴方向是互相垂直的。整个激光器是一个真空密封体，结构紧凑，既能全封闭运行，又能补充少量气体。气体流动截面大，流动路径短，因此较低的流动速度就可达到与纵向快流同样的冷却效果，最佳压强可高达1.3104Pa，这样的高压强有利于提高激光输出功率。在横向流动CO2激光器中一般采用纵向放电，此类激光器单位长度的输出功率可达每米数千瓦，总输出功率可达120 kW。d.波导CO2激光器。这是一种小型激光器，一般由氧化铍（BeO）陶瓷或玻璃做放电管材料，放电管
32、很细，直径仅14mm。由此造成放电管管壁对小角度掠射光的菲涅耳反射率很高，于是放电管中可低损耗地传输准横向电磁波（即波导模）。由于放电管很细，气压可高达(1.5 2.5)104Pa，其输出功率为50 W/m，适于制做输出功率小于30 W的小型封离型激光器。波导CO2激光器既可用纵向放电方式，也可用横向射频激励。图6.12为纵向放电波导CO2激光器示意图。2021/9/1221图6.10封离型CO2激光器 图6.11纵向流动CO2激光器 图6.12波导CO2激光器 2021/9/12226.2.3液体（有机染料）激光器液体（有机染料）激光器液体激光器是以液体为工作物质的激光器，共两类：一是有机染
33、料，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物。染料激光器是液体激光器中最重要、最普遍的激光器。染料激光器是以溶于一定溶剂（例如甲醇、乙醇、干油等）中的有机染料为工作物质,利用液态有机染料分子的荧光跃迁实现受激发射，在从近紫外到可见以及近红外的0.330 1.2um很宽的范围内可以连续进行波长调谐。有代表性的染料若丹明6G，能够从570 620nm内进行波长调谐。染料激光器不仅是输出的激光波长连续可调，而且输出的激光谱线宽度很窄、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比，效率较高、激光均匀性好，制备容易，可以循环操作和便于冷却。激光器所用的染料是一种有机化合物，它是一种复杂的大分子系统，通常
34、由数十个原子所组成。采用某种模型可以近似地得到染料分子的能级图，如图6.13所示。由于这些染料分子的运动包括电子运动、组成染料分子的原子间的相对振动和整个染料分子的转动，所以在染料分子的能级中，对应每个电子能级都有一组振动一转动能级，并且由于染料分子与溶剂分子的频繁碰撞，使得振动一转动能级被展宽。所以每一个电子态都可以看成由一个准连续的能带组成，这种宽带结构使得染料激光在很宽的范围内实现连续调谐。在电子能级中，有单态(S0、S1、S2)和三重态(T1、T2)两类，三重态较相应的单态能级略低。S0是基态，其它能级均为激发态。染料激光器在紫外和可见光波段范围内有较强的吸收带。在泵浦光的照射和作用下
35、，大部分染料分子吸收了光能由基态跃迁到激发态的某个振动一转动能级上，其中S1态有稍长的寿命。因此，其它激发态的分子迅速无辐射跃迁到S1态的最低振动能级上。这些分子跃迁到S0态的较高振动能级上时，就发出荧光，接着又迅速无辐射跃迁回到S0态的最低振动能级上。同时，由于分子间的碰撞，一部分S1态分子很容易无辐射跃迁到比其能量稍低的三重态T1上，这种跃迁称为“系际交叉”，而从T1、T2到S0的跃迁属自旋禁戒跃迁。可以采用合适的染料如若丹明6G或采用窄的光脉冲泵浦方式，使染料分子在T1态积累之前，完成激光振荡。也可以采用快速喷流技术，使在T1态积聚之前，染料高速流过激活区，这是连续波输出染料激光器的主要
36、工作方式。2021/9/1223 染料激光器属于四能级系统，容易实现粒子数反转，激光器的阈值低，发射的激光谱线非常宽。在谐振腔中放入棱镜、衍射光栅等波长选择装置，可以在较大范围内实现精确的调谐和获得较窄的线宽。染料激光器一般都采用光泵浦的方式，可选用闪光灯泵浦或激光泵浦。用闪光灯泵浦结构简单，价格便宜，但因泵浦光脉冲较宽，三重态的影响不能消除，需在染料中添加卒灭剂。激光泵浦又有脉冲光泵浦和连续光泵浦之分。若用脉冲激光泵浦，常用准分子激光器（主要在紫外区）、氮分子激光器(337nm)、红宝石激光器(694.3 nm),YAG激光器（1.06um）及它的倍频光等做泵浦源。泵浦光需要满足一定的输出能
37、量，且脉冲宽度要窄，以消除三重态的淬灭作用。若用连续激光泵浦，应是高功率激光，且在染料中添加淬灭剂，以及染料应当高速流过激活区。染料激光器是比较理想的可调谐激光器。目前，染料激光器产生的超短光脉冲的时间宽度已压缩到几纳秒，若利用锁模技术还可以获得从皮秒(10-12s)到飞秒(10-15s)量级的激光脉冲。染料激光器的每个脉冲的激光能量可达数十焦耳的量级，峰值功率达几百兆瓦，激光能量转换效率高达50。染料激光器已在光测量、光化学、光生物学、光谱学、全息学、同位素分离和激光医学等方面获得了广泛应用。2021/9/12246.4 激光和激光器的主要应用激光和激光器的主要应用激光的应用非常广泛，几乎遍
38、及工业、农业、军事、医疗、科学研究以及我们日常生活的各领域。从激光器的角度根据各种激光器发射光的功率密度，相干性、准直性、单色性的不同，可以对激光和激光器的应用范围进行分类，例如：激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析、激步受控热核反应等这些方面，主要是利用激光的方向性与高功率密度；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多谱勒效应则主要是利用了激光的单色性和相干性。当然，在实际的应用中激光的各方面的特性往往很难截然分开，有的应用（如非线性光学）与激光的许多方面的特性都有关。下面就一些方面的主要应用做些简单的举例介绍。（1）激光测距 我们知道根
39、据光束往返时间可以对确定的目标测定距离，但是普通光束的发散角很大，光强也很有限，当被测目标的距离较远时，返回的光束十分微弱，难以完满地完成精确测距的任务。巨脉冲红宝石激光器可在20ns的时间内发射4 J的能量，脉冲功率达2108W，而发散角经透镜进一步会聚可小至5。科学家们利用这一束定向的强光束已经精确地测定了地球到月球之间的距离，在平均为4105km的距离上测量误差只有3m，这是以往其它方法无法实现的。（2）激光加工 激光束的平行度高，通过透镜可使之聚焦于很小一点，在此焦点可产生非常高的温度，能够使各种难熔的材料熔化或气化，由此产生的急速膨胀的冲击波还可穿透工件。利用这个激光特性可对各种材料
40、实施打孔、切割、焊接等诸多激光加工工艺。激光加工还有如下特点：激光加工实施的是无接触加工，加工端可适当地与加工材料分离，因此，有可能对零件中复杂曲折的细微部分进行精密的加工，也可以在磁场中进行加工。脉冲激光加工消耗的能量较少，而且由于能量是在短时间内供给的，因此能避免对加工点以外的热影响，又由于加工时间短，能够实施对运动中的物质进行加工。激光加工适用于多种材料的微细加工，与机械加工相比，更容易实现自动操控。2021/9/1225（3）激光在医学上的应用 利用激光可以对有机物产生光、热、压力、电磁等多方面作用，使得它在医学研究及医疗上的应用已越来越广泛。例如，用激光治疗视网膜脱落，可从外部用很强
41、的光线照射眼睛，利用眼球内水晶体的聚焦作用，将光能集中在视网膜的微小点上，靠它的热效应使组织凝结，能将脱落的视网膜熔接到眼底上，利用激光对视网膜的作用还可以用来矫治近视眼。用激光手术刀切割人体组织既不流血也不留疤痕。激光还可以被用来破坏肿瘤细胞、测定血液成分、探测体内器官的病变等。由于红血球对蓝光有强烈的吸收，因此，用蓝光波段的氨离子激光器作手术刀时，有光致凝结作用。又由于机体中的水分对红外光有强烈的吸收，所以用二氧化碳激光器作手术刀，也可导致小范围内的凝结作用。此外，可以利用激光对牙齿实施打孔、切割和填补等手术。(4)激光受控热核聚变 氢、氘、氚等轻原子核可以聚合为较重的原子核，在聚合的过程
42、中会释放出巨大的核能，这个过程称为核聚变反应，在军事上和能源工业上具有非常重要的意义。核聚变反应需要在107108以上的高温才能有效的进行。由于氘、氚混合物的质量及激光的能量都可被控制，这种过程被称为受控核聚变。受控核聚变是将激光分成多束，从各个方向均衡地照射在氘、氚混合体作成的小靶丸上，巨大的激光脉冲功率使靶丸在很短的时间内高度压缩，并产生高温完成核聚变反应。人们在已经掌握的激光技术的基础上开始了尝试利用这种受控聚变中产生的能量，作为电力的能源。目前美国、日本及欧洲都建立了相当规模的实验室进行着多方面的热核聚变研究，我们国家的科学家们也已开展了这方面的深入研究。（5）非线性光学效应 现在我们
43、可以认为，激光出现之前的光学的研究基本上是弱光束在介质中的传播、反射、折射、干涉、衍射、线性吸收与线性散射等现象，这些现象满足光波的迭加原理，可以称之为线性光学。激光是一种强光，强光在介质中传播，出现了很多新的现象，如谐波的产生、光参量振荡、光的受激散射、光束自聚焦、多光子吸收、光致透明和光子回波等，研究这些现象的学科称为非线性光学，在这里原来的关于波一般的叠加原理不再成立。光的非线性效应原本是比较弱的，只有在激光光源出现后，非线性光学的理论研究和应用研究才有可能大力开展。非线性光学效应将在光学倍频与混频、受激拉曼散射等很多方面的应用上显现其优势。2021/9/1226第八章第八章 光纤和光的
44、传输光纤和光的传输8.1光纤的基本知识光纤的基本知识8.1.1光的传输和光通信光的传输和光通信光的波动特性决定了光是可以被传播的，与普通的传播不一样能够称之为光的传输，就需要对光传播的方向和强度进行人为的控制。利用受控的光波传递能量和信息，这就是光通信，近代光通信技术的发展是近代人类物质文明高度发展的一个重要标志。通信就普通意义来讲，是各种形式信息的转移或传递。为了达到通信的目的，通常总是先将拟传送的信息设法加载（或调制）到某种载体上，被调制的载体传送到目的地后，再将所需信息从载体上解脱出来，复原成原来的样式。例如传统的调幅无线电广播，是将音频信息（低于l0kHz）加载到数百乃至上千Hz的无线
45、电波上，经空中传送到各个收音机，再解调出各种声音信息。这种用电磁波进行通信的信息容量可以用所能调制的频带宽度来表示，能获得多大的调制带宽，又受制于载体的频率有多高，载体频率越高，能传送的信息容量就越大。2021/9/1227图8.1光纤通信在电磁频谱中所处的位置图8.1为频率（波长）表，频率由左向右不断升高。当人们掌握了数百至数千kHz的电磁波的发射和接收技术时，无线电通信及广播开始为人类服务。当人们掌握了数十至数百MHz的载波技术时，电视成为人民生活的一部分。数千至数万MHz的微波波段，提供了如雷达、卫星通信、微波通信等强有力的手段。为了取得更快、更好的通信方式，科学界总是在不懈地追求更高频
46、率（或更短的载波波长）电磁波的操控技术。2021/9/1228在微波及毫米波之后，进一步开拓了光波波段，首先是红外区。早在1880年电话发明家贝尔就提出“光电话”的想法，并做了先驱性的实验。尝试用话音去调制通过膜孔的太阳光，以阳光做载体将话音传到接收端。尽管此实验仅仅达到200m距离，而且音质很差，但所展示的概念却成为当今光通信的最基础的理念。20世纪早期，就有不少科学家致力于光通信的研究，但进展不大，主要的原因是缺乏理想的光源。另一困难的原因是光在大气中传播受到风霜雨雪、尘雾等各种天气因素或环境的严重干扰，通信质量难以保证，致使许多研究结果始终未能大量推广应用。经过不懈的努力，本世纪60年代
47、初，发明了红宝石激光器，获得了强度远高于普通光的相干光。从前面的章节中我们已经了解了，特别是处于红外区的光频率比最高的微波频率还要高出34个数量级，这无疑是十分诱人的发展区域。由激光器发出的相干光具备极高的方向性，传输很远也不至于散发而减弱。由激光器发出的光还可以进行调制，这一成就促进了大气光通信技术的发展，并陆续出现了一些实用化通信系统。但这类通信系统对于前面提到的各种天气干扰因素仍无法克服，例如，雨水能造成30db/km的衰减，浓雾甚至可造成高达120db/km的衰减，而且只能在无障碍、无阻拦的环境中才能实现通信。因此，大气光通信的实际应用只能被限于建筑物之间或固定监测点与控制中心之间，距
48、离大致数百米，适用对象十分有限。1966年有人提出用介质光波导或光导纤维来取代传统的仅有导电作用的金属电缆，用导波光来传送信息的设想，引起学术界及实业界的极大兴趣，并由此奠定了光纤通信的理论基础，推动了实用化光导纤维制造工艺的研究。从20世纪70年代初光纤通信实用化以来，光纤通信技术得到极大的发展，目前石英光纤在85 um、1.3um和1.55um波长时，衰减特性已接近理论上的极限值。由于光纤的传输损耗低、信息容量大、抗电磁干扰能力强、尺寸小、质量轻、有利于敷设和运输等优点，并配以不断发展的激光技术，使得光纤在通信、传感以及其它领域得到了越来越广泛的应用。2021/9/12298.1.2 光纤
49、的结构与分类光纤的结构与分类 光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的光波导材料。它利用光的透射和全反射原理将光波能量约束在波导材料的界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。光纤通常是一种由高度透明的石英（或其它材料）经较复杂的工艺拉制而成的光波导材料。光纤的结构如图8.2所示，典型的光纤结构为多层同轴圆柱体，一般是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层以及涂敷层和护套等几个部分构成。这其中纤芯和包层是光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套具有隔离杂散光、提高光纤强度和保护光纤等的作用。在一些特殊的应用场合也有不加涂敷层和护套的光纤，称为裸光纤。纤芯的主要成分为二氧化硅(SiO
50、2),具有较高的折射率，有的在其中掺杂极少量的其它材料，如二氧化锗(GeO2),五氧化二磷(P2O5)等，可以达到提高纤芯的折射率的目的。纤芯的直径一般为几到几十微米，一些应用于特殊用途的光纤常常被做得很粗。包层是一紧贴纤芯的材料层，包层的外径一般为100200um。包层的构成材料一般为纯二氧化硅，有时也掺杂微量的三氧化二硼(B2O3)或四氧化二硅(Si2O4)，主要可以用以来降低包层的折射率。由于光纤是利用光的全反射原理来传输光线的，只有光从光密媒质射向光疏媒质时才能发生全反射现象，所以纤芯折射率总要比包层的折射率高。常用的涂敷层的材料一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径约为250um。