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1、第5章典型激光器介绍自第一台固体脉冲红宝石激光器问世后，激光器的研制发展非常迅速。各种工作物质、运转方式的激光器不断出现。激光器有各种分类方法。如果按工作波段分，可分为红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射线激光器。如果按运转方式分，可分为连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。本章将按激光器工作物质分类，主要讨论下列几种类型的激光器：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。然后简单介绍一些具有特殊运行方式且有较好应用前景的激光器。通过这几种激光器的介绍说明前几章的理论，并为以下的应用章节做必要的准备。固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。
2、在激光发展史上，固体激光器是最早实现激光工作的。目前已经实现激光振荡的固体工作物质有百余种，激光谱线有数千条，但是最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG)等三种。 与其它种类的激光器相比较，固体激光器的特点是：输出能量大(可达数万焦耳)，峰值功率高(连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十兆兆瓦)，结构紧凑牢固耐用。因此它在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通信等。随着激光器性能的不断提高，固体激光器的应用范围还在继续扩大。 固体激光器的基本结构与
3、工作物质 固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图(51)是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。固体激光工作物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工作物质的物理和光谱性质，这主要是指吸收带，荧光谱线，热导率等。目前研究过的固体工作物质很多，用它们制作了各种各样的固体激光器，但是最广泛使用的是红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器和钕玻璃激光器三种。后两种产生激光的机制是类似的，而红宝石和YAG激光器 从产生激光的机制来讲，分别属于三能级和四能级系统，有一定的代表性，所以下面只介绍红宝石和YAG激光工作物质。图
4、（51） 固体激光器的基本结构示意图1红宝石(Cr3：A12O3)红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，如图（52）所示。由图可见，红宝石中的铬离子有两个强吸收带：峰值位于0.4lmm处的紫外带(U带)和峰值位于0.55mm处的黄绿带(Y带)。由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关，所以对于光场的振动方向与晶体光轴c垂直和平行的两种分量，吸收曲线略有差别。红宝石中的铬离子与激光产生有关的能级结构如图（53）所示。它属于三能级系统，相应于图（53）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能
5、级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为0.6943mm和0.6929mm。由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(0.6943mm)。图(52) 红宝石中铬离子的吸收光谱 红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。
6、因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。图（53） 红宝石中铬离子的能级结构2掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG) 这种工作物质是将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图（54）所示，在紫外、可见光和红外区内有几个强吸收带。图（54） Nd3：YAG晶体的吸收光谱(300K) YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图（55）所示。它属于四能级系统。其激光上能级E3为4F3/2，激光下能级E2为4I13/2、4I11/2，其荧光谱线波长为1.35mm、1.06
7、mm，4I9/2相应于基态E1。由于1.06mm比1.35mm波长的荧光强约4倍，所以在激光振荡中，将只产生1.06mm的激光。图（55） Nd3：YAG的能级结构Nd3：YAG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd3：YAG的量，远远超过其它固体工作物质。可以说，Nd3：YAG从出现至今，大量使用，长盛不衰。 固体激光器的泵浦系统 由于固体激光工作物质是绝缘晶体，所以一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气
8、体放电灯。泵浦光源应当满足两个基本条件：有很高的发光效率；辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配。氪灯在低电流密度放电时的辐射光谱特性，与YAG的主要泵浦吸收带相近。因此，连续和小能量(10焦耳脉冲YAG激光器多采用氪灯泵浦，其效率较高。脉冲氙灯在高放电电流密度的情况下，辐射为连续谱，且光谱分量向短波长移动，有利于红宝石的吸收。故对于红宝石激光器，以及大中功率钕玻璃、YAG脉冲激光器，多采用高效脉冲氙灯泵浦图（56） 椭圆柱聚光腔由于常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。图（56）所示
9、的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。按几何光学成像原理，从椭圆的一个焦点发出的所有光线，经椭圆反射后，都将聚到另一个焦点上。所以，如果将直管灯和激光棒分别置于椭圆柱聚光腔的两条焦线上，即可得到较好的聚光效果。 固体激光器在工作时，泵浦光谱中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的，其它大部分光谱能量被基质材料吸收转化为热量，导致器件的温度升高，在激光棒内产生不均匀的温度(梯度)分布。这些无功热损耗产生的热效应，对于固体激光器、特别是连续和高重复率固体激光器来说，是一个严重的问题，它将直接影响工作物质的特性，导致激光器性能变差，甚至
10、会产生“温度猝灭”。所以，固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。因泵浦光谱与工作物质吸收带不匹配导致的热效应中，危害性最大的是紫外辐射，它在工作物质中形成色心，使激光器性能劣化。因此，必须在泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。 固体激光器的输出特性考虑到固体激光器的应用特点，只介绍它的脉冲特性和转换效率。1 固体激光器的激光脉冲特性脉冲激光器工作在非连续输出的非稳态，其工作过程不能用2.2节中给出的稳态速率方程描述。一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的
11、持续时间约为(0.11)mm，各短脉冲之间的间隔约为(510) ms。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。第4章中讨论过的调Q技术和锁模技术能够改变这种特性，产生巨脉冲或超短光脉冲，这里不再重复。2转换效率 固体激光器运转时，转换效率低是它的最突出的问题之一。在实际工作中，固体激光器的转换效率常用总体效率衡量。总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为 （51）和 （52）式中和分别为输出和输入功率，和分别为输出和输入能量，和分别为阈值功率和能量，和分别为激活离子吸收的光频率和激光频率；为泵浦灯的电光转换效率，为聚光
12、腔的聚光效率， 为激活离子的吸收效率，为激活离子由激发态E3向激光上能级E2跃迁的量子效率，为输出耦合效率。通常，红宝石激光器的总体效率为(0.51)左右， YAG激光器的总体效率可以做到(12)，在最好的情况下，可接近3。 新型固体激光器 二十世纪八十年代以来，固体激光器的发展比较快，出现了几种带有方向性的新型固体激光器，这就是半导体激光器泵浦的固体激光器、可调谐固体激光器和高功率固体激光器。 1半导体激光器泵浦的固体激光器 半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比，其主要优点是：能量转换效率高。半导体激光器的电光转换效率高达50，远远高于闪光灯。半导体激光器的光谱线窄，并且可以
13、通过改变其激活区成分和结构，或改变其工作温度使中心波长和固体工作物质吸收峰准确地重合。尤其是用半导体激光进行端面泵浦时，泵浦光与固体激光在空间上还可以很好地匹配。目前，半导体激光器泵浦的总体效率已达闪光灯泵浦固体激光器的四倍以上。工作时产生的无功热量少，介质温度稳定，可制成全固化器件，消除振动的影响，激光谱线更窄，频率稳定性更好。寿命长，结构简单，使用方便。 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图（57）(a)所示的端泵浦方式和图（57）(b)所示的侧泵浦方式。从固体工作物质来看，有圆柱形和板条状两种。端泵浦方式因半导体激光模式与固体工作物质中的激光振荡模式匹配良好，所以“泵”与激光器之间的
14、耦合效率高。这种激光器的阈值低、效率高，但输出功率受到单个激光二极管输出功率的限制。而利用半导体激光器阵列侧泵浦固体工作物质，虽然效率降低，但在脉冲或连续运转时，都能获得较高的输出功率。图（57） 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意 (a) 端泵浦方式 (b) 侧泵浦方式 2可调谐固体激光器 固体激光器实现可调谐，是固体激光器的重大进展。可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。色心激光器的阈值低，既可连续工作，又可脉冲工作，很容易实现单模运转，并且光束质量好。特别是调谐范围可覆盖(0.83.9)微米，这是其它可调谐激光器(如染料激光
15、器、半导体激光器)难以达到的。它在分子光谱学、化学动力学、污染检测、光纤通信、半导体物理等领域内，有重要的应用价值。目前，已经有工作于室温的实用化商品。但是，色心激光器在使用过程中，仍感不太稳定。与此相比，掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器，性能更加优越。用于固体可调谐激光器的掺过渡族金属离子的激光晶体主要有金绿宝石(Cr：BeAl2O3)、钆钪镓榴石(Cr：GSGG)、掺钛蓝宝石(Ti：Al2O3)等，其中以钛蓝宝石的进展最突出，是目前性能最好的固体可调谐激光材料。图（58） 板条形固体激光器结构示意图 3高功率固体激光器 高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续
16、、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。高功率固体激光器的研制有许多关键技术，其中最重要的是克服固体工作物质中的热效应。从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，近几年来，已有了重大的发展，其结构如图（58）所示。它的特点是：面泵浦、面冷却的板条状介质可实现均匀泵浦，折射率梯度不明显；锯齿光路可补偿热透镜效应；结构对称和正确的线偏振选择可消除热双折射效应。板条形固体激光器可用于各种固体工作物质，也可以有多种不同的利用板条的光路方案。气体激光器气体激光器是以气
17、体或蒸气作为工作物质的激光器。由于气体激光器是利用气体原子、分子或离子的分离能级进行工作的，所以它的跃迁谱线及相应的激光波长范围较宽，目前已观测到的激光谱线不下万余条，遍及紫外到远红外整个光谱区。与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点是输出光束的质量好(单色性、相干性、光束方向和稳定性等)。因此，在工农业生产、国防和科学研究中都有广泛的应用。 氦氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器是在1960年末制成功的第一种气体激光器。由于它具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。1. He-Ne激光器的结构和激发机理根据激光器放电管和谐
18、振腔反射镜放置方式的不同，He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图（59）所示。对于外腔式和半内腔式结构，在放电管的一端或两端，通过布儒斯特窗片实现真空密封，以减少损耗，并且保证了激光输出是线偏振光。He-Ne激光器的工作物质是Ne原子，即激光辐射发生在Ne原子的不同能级之间。He-Ne激光器放电管中充有一定比例的He气，主要起着提高Ne原子泵浦速率的辅助作用。图（59） He-Ne激光器的基本结构形式图（510）是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图（进一步的了解可查有关书籍），Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。由图可见，He原子的激发能级2
19、1S0、23S1分别与Ne原子的3S和2S能级十分接近，因此，当He-Ne管内的气体放电时，He原子与高速电子碰撞，被激发到23S1和21S0上，进而，这些激发态He原子通过共振能量转移过程，将处在基态上的Ne原子激发到2S和3S能级上。当被激发到3S和2S能级上的Ne原子数足够多时，会在3S、2S能级与3P、2P能级间产生粒子数反转，通过受激辐射过程即可产生He-Ne激光。由该过程跃迁到3P、2P能级上的Ne原子，很容易通过自发辐射跃迁到1S能级上，再通过与管壁碰撞将能量交与管壁，回到基态。图（510） 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图由上述激发过程可见，He-Ne激光器是典型的四能级系
20、统，其激光谱线主要有三条，它们分别与下列跃迁相对应：3S2P 0.6328m2S2P 1.15m3S3P 3.39m现在的商用He-Ne激光器的主要谱线是0.6328mm红光，其它还有黄光(0.594mm)、绿光(0.543mm)和橙光(0.606mm、0.612mm) He-Ne激光器商品出售。2. He-Ne激光器的输出特性针对He-Ne激光器的应用，这里主要介绍它的谱线竞争与输出功率特性。（1）谱线竞争在同一个激光器中，可能有多条激光谱线，而有些谱线可能对应同一个激光上能级，因此在它们之间就存在着对共有能级上粒子数的竞争。其中一条谱线产生振荡以后，用于其它谱线的反转粒子数减少，将使其它谱
21、线的增益和输出功率降低，甚至完全被抑制。这就是谱线的竞争效应。He-Ne激光器的三条最强的激光谱线(0.6328mm，1.15mm，3.39mm)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。由图（510）可见，0.6328mm和3.39mm两条激光谱线具有相同的上能级，因此这两条谱线之间存在着强烈的竞争。由于增益系数与波长的三次方成正比，显然3.39mm谱线的增益系数远大于0.6328mm谱线。在较长的0.6328mm He-Ne激光器中，虽然介质膜反射镜对0.6328mm波长的光具有较高的反射率，仍然会产生较强的3.39mm波长的放大的自发辐射或激光，这将使上能级粒子数减少，从而
22、导致0.6328mm激光功率下降。为了获得较强的0.6328mm的激光输出，需采用色散法、吸收法或外加磁场法等方法抑制3.39mm辐射的产生。2输出功率特性He-Ne激光器的放电电流对输出功率有很大的影响。图（511）是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线，可以看出，对于每种充气总压强都有一个使输出功率最大的放电电流，它与气体混合比及总压强有关。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。由该图可见，在最佳放电电流附近，因放电电流变化引起的输出功率的变化不大。因此，在实际使用时，对最佳放电电流的要求并不十分严格，这很有利于工作状态的调整。图（511） 输出功率与放电电流的关系曲
23、线He-Ne激光器内充有He气和Ne气，它们的混合比例和总气压都对输出功率有很大的影响。产生激光的Ne原子比例过小，会使输出功率减小。He的电离电位较低，比例过大，会因电离过多而使电子离子数目增加，在较低的电场下就能维持一定的放电电流，低电场导致的电子温度下降使激发速率降低，输出功率随之下降。实验证明，He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。这种最佳条件在制造He-Ne激光器时必须考虑。若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。He-Ne激光器的最佳pd值约为（4.85.3）102 Pamm。产生这一现象的原因是：一方面压强的下降
24、使电子与原子的碰撞减少，从而导致电子温度(平均动能)上升，激发速率升高；毛细管管径的减小，则使电子和离子的管壁复合加剧，为了维持放电电流不变，必须加大电场，由此造成的电子温度升高有利于激发。另一方面，pd值过低又会因He、Ne原子数量过少而使输出功率减少。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。通过受激辐射跃迁到激光下能级的Ne原子借助自发辐射转移到亚稳态1S能级，然后通过与管壁碰撞释放能量的途径返回基态。如果管径d增大，原子与管壁碰撞的机会减少，滞留在1S能级的Ne原子可能吸收自发辐射光子重新返回激光下能级，从而导致反转粒子数的减少。毛细管直径的选择应综合考虑对输出功率和模
25、式的要求以及增益、衍射损耗对输出功率的影响。 二氧化碳激光器二氧化碳(CO2)激光器是以CO2气体分子作为工作物质的气体激光器。其激光波长为10.6mm和9.6mm。自1964年第一支CO2激光器研制成功以来，流动型、横向激励型、高气压型、波导型、气动型等各种CO2激光器相继出现，发展迅速。CO2激光器受到人们重视的主要原因是它具有很多明显的优点。例如，它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。它的能量转换效率高达(2025)，连续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒。特别是CO2激光波长正好处于大气窗口，并且对人眼的危害比可见光和1.06mm红外光要小得多
26、。因此，它被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外科手术等方面，还可用于激光引发热核反应、激光分离同位素以及激光武器等。1CO2激光器的结构和激发过程普通的封离式CO2激光器包括腔片架、放电管、电极和电源等几部分。图（512）是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。全反射镜为凹面镜，输出反射镜一般为平面镜，采用能透过10.6mm激光的红外材料制成。通常用的红外材料有两类：一类是碱金属的卤化物盐，例如，KCl、NaCl、KBr等晶体；另一类是半导体材料，如锗、硅、砷化镓等。图（512） 封离式CO2激
27、光器结构示意图1.平面反射镜 2. 阴极 3.水冷管 4.储气管 5.阳极CO2激光器的放电管多采用硬质玻璃制成，小型CO2激光器的放电管孔径一般是48mm，输出功率大的孔径通常在10mm以上。水冷套管放在储气管内部，使得支撑谐振腔外管的内径很大，既可储存大量气体，又具有很好的机械稳定性。CO2激光器中设置的回气管可以将放电管的阴极和阳极空间连通，保证气体分布均匀，压强平衡。CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图（513）所示。由图可见，相应于10.6mm波长的能级跃迁是(0001) (1000)，相应于9.6mm 波长的能级跃迁是(0001) (0200)。CO2激光器的工作气体
28、除CO2气体外，还有适量的辅助气体N2和He等。充入He气的作用有二：一可加速CO2分子在(0001)能级的热驰豫速率，有利于激光下能级上的粒子数抽空；二可利用He气导热系数大的特点，实现有效地传热。充入N2气的作用是提高CO2分子的泵浦速率，为CO2激光器高效运转提供可靠的保证。图（513） 与产生激光有关的CO2分子能级图当CO2激光器进行气体放电时，一部分高速电子直接碰撞CO2分子，使其由基态跃迁到激发态(000l)上，另一部分高速电子与N2分子碰撞，使其由基态（V0）激发到高能态(V1)上(N2分子的相应能级已表示在图（513）中)。由于N2分子的激发态(V1)与CO2分子的(0001
29、)能级非常接近，很容易通过共振能量转移过程将基态CO2分子激励到(0001)能级上。于是，通过上述两种过程，有效地实现了CO2分子在(0001)能级上的粒子数积累，一旦实现(0001)与(1000)、(0200)之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生10.6mm和9.6mm两种波长的激光。由CO2分子能级跃迁图可见，10.6mm和9.6mm两条谱线有共同的激光上能级(0001)，因此在它们之间将产生强烈的谱线竞争。由于相应于10.6mm波长的跃迁几率比9.6mm大，所以通常CO2激光器的输出激光波长为10.6mm。2CO2激光器的输出特性普通CO2激光器在工作时，影响输出功率的主要因素是它的
30、放电特性和温度效应。(1)放电特性相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。实验指出，随着管径增加，最佳放电电流也增加。例如，管径为(2030)mm时，最佳放电电流为(3050)mA；管径为(5090)mm时，最佳放电电流为(120150)mA。实验还表明，在维持正常放电的情况下，对于长度和气压固定的激光器，有一个最佳管压降。例如，1m长的放电管，充气压为10乇时，最佳放电管压降为(1020)kV。(2)温度效应前面已经指出，CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有60以上的能量转
31、换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。这些因素都会使激光器的输出下降，甚至产生“温度猝灭”。因此，冷却问题是CO2激光器正常运转的重要技术问题。5.2.3 Ar离子激光器离子激光器是以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的气体激光器。氩离子(Ar)激光器是最常见的离子激光器。Ar激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中，以0.4880mm蓝光和0.5145mm绿光两条谱
32、线最强。Ar激光器既可以连续工作，又可以脉冲状态运转。连续功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器。它已广泛应用于全息照相、信息处理、光谱分析及医疗和工业加工等许多领域。1. Ar激光器的结构Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。图（514） 分段石墨结构Ar激光器示意图1石墨阳极 2石墨片 3石英环 4水冷套 5放电毛细管 6阴极 7保热屏 8加热灯丝9布氏窗 10磁场 11贮气瓶 12电磁真空充气阀 13镇气瓶 14波纹管 15气压检测器Ar激光器最关键的部件是放电毛细管。由于Ar激光器的工作电流密度高达数百安培厘米2，
33、放电管壁温度往往在1000以上，所以放电毛细管必须采用耐高温、导热性能好、气体消除速率低的材料制作，如石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管等。其中，氧化铍陶瓷是性能优良的较理想材料，但它有剧毒，影响了应用。目前广泛采用的是高纯致密石墨。由于石墨是良导体，所以为了维持放电，石墨放电管必须采用分段结构，如图（514）所示。整个结构置于有水冷套的石英管内，两端分别为提供电子发射的阴极和收集电子的石墨阳极。为了能提供大的发射电流，通常采用间热式钡钨阴极。为了使Ar激光器稳定工作，Ar激光器中应设置有回气管。这是因为在大电流密度、低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，即放电管内的气体会被从一端抽运到另一端，
34、造成两端气压不均匀，严重时还会造成激光猝灭现象。在放电管外设置回气管后，依靠气体的扩散作用，即可减小管内气压差。为了提高Ar激光器的输出功率和寿命，一般都要加一个强度为几百到一千高斯的轴向磁场，该磁场是由套在放电管外面的螺旋管产生的。实验证明，轴向磁场的加入，可以提高输出功率12倍2. Ar激光器的激发机理Ar激光器的激活粒子是Ar，因为Ar是由氩原子电离产生的，所以Ar激光器的激发过程一般是两步过程：首先通过气体放电，将氩原子电离，然后，再通过放电激励将Ar激发到激光上能级。此外，在低气压脉冲放电时，还有直接将氩原子激发到Ar激发态的一步过程和级联过程。Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图
35、（515）所示，激光上能级为3P44P，激光下能级为3P44S。两步激发过程为：气体放电后，放电管中的高速电子与中性氩原子碰撞，从氩原子中打出一个电子，使之电离，形成处在基态3P5上的氩离子；该基态Ar再与高速电子碰撞，被激发到高能态，当激光上下能级间产生粒子数反转时，即可能产生Ar激光。由于(3P44P)和(3P44S)能级上有许多不同的电子态，所以Ar激光输出有丰富的谱线，常见的谱线波长有0.4545mm、0.4579mm、0.4658mm、0.4727mm、0.4765mm、0.4880mm、0.4965mm、0.5145mm、0.5287mm。其中，最强的谱线波长是0.4880mm和0
36、.5145mm。 图（515） Ar的能级和跃迁3. Ar激光器的工作持性（1）多谱线工作 Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流，表51列出了在放电管长为77cm，内径为4mm，气压为0.26乇，磁场强度为680高斯情况下的实验数据。可以看出，在各种不同的谱线中，0.4880mm和0.5145mm两条谱线的阈值电流最低。因此，一般情况下，在一个连续Ar激光器中这两条谱线最先起振，或者在同时振荡的若干条谱线中，0.4880mm和0.5145mm的激光功率最强。表51 Ar激光器主要谱线的阈值电流波长(mm)0.48800.51450.47650.49650.50170.4
37、727阈值电流(A)4.57891214应当指出，在实际工作中，常常需要Ar激光器工作于某一条谱线上，为此，在该Ar激光器中必须有一个选频装置。（2）输出功率与放电电流的关系由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图（516）示出了其间的关系曲线。由该曲线可见，当放电电流较小时，输出功率与放电电流约成四次方关系。随着放电电流的增大，输出功率逐渐变为与放电电流成平方关系。这是因为，随着电流密度的增大，使气体的温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长的速率变慢。图（516） 输出功率随放电电流变化的关系曲线5.3 染料激光器1966年，人们第一次利用巨
38、脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞化菁(CAP)和花菁类染料，获得了受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的发展。染料激光器受到人们重视的原因是：输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒(1015秒)量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜；染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。因此，它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用。 染料激光器的激发机理1染料分子能级染料激光器的工作物质是有机染料溶液。每个染料分子都由许多原子组成，
39、其能级结构十分复杂。由于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，并且由于分子碰撞和静电扰动，振动转动能级被展宽。因此，染料分子能级图是如图（517）所示的准连续态能级结构。在电子能级中，有单态和三重态两类，三重态较相应的单态能级略低。染料分子能级中，每一个单态(S0、S1、S2)都对应有一个三重态(T1、T2)。S0是基态，其它能级均为激发态。图（517） 染料分子能级图 图（518） 染料的吸收荧光光谱图2染料分子的光辐射过程如图（518）所示，在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态S0激
40、发到激发态S1、S2上，其中S1态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子很快跃迁到S1态的最低振动能级上，这些分子跃迁到S0态上较高的振动能级时，即发出荧光，同时很快地弛豫到最低的振动能级上。如果分子在S1和S0之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。由上述激光辐射过程可见：染料分子是一种四能级系统，由于S0的较高振动能级在室温时粒子数几乎为零，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的阈值很低；由于染料分子从S1的较高振动能级跃迁到最低振动能级时，要放出部分能量，所以发射的荧光波长较吸收的泵浦光波长，向长波长方向移动（如图（518）所示）；由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也
41、是准连续宽带结构，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，又可获得几十毫微微秒宽度的超短脉冲。3染料分子的三重态“陷阱”染料分子与其它工作物质相比，有一个重要的特殊问题三重态“陷阱”效应。如前所述，染料分子的荧光辐射相应于S1S0的跃迁。由于三重态T1较单态S1略低，所以处在S1中的分子很容易无辐射跃迁到T1上。并且因为T1与S0之间不允许产生辐射跃迁，T1的寿命较长，约为104103秒，所以T1态对于激发分子来说，相当是一个“陷阱”。一方面，T1占有了S1上的部分分子，减少了S1对S0的反转粒子数，另一方面，集累在T1中的大量分子又会吸收光能，由T1跃迁到T2，更严重的是T1一T2吸收带与S1一
42、S0的荧光带有某些重迭，因此，这种吸收将降低S1一S0的实际荧光效率，甚至导致荧光猝灭。由此可见，三重态的“陷阱”作用，对于染料激光器的工作来说，极为不利，必须设法消除。通常采用的方法是在染料中加入三重态猝灭剂，缩短T1的寿命；或者是使染料分子在T1上积聚之前，就已完成激光振荡，以使三重态的“陷阱”来不及起作用。后面这种方式要求激光器采用短脉冲泵浦光源。 染料激光器的泵浦根据上述染料分子光辐射的特殊性，染料激光器应采用光泵浦。按照运转方式区分，有脉冲泵浦和连续泵浦；按照泵浦光源区分，有闪光灯泵浦和激光泵浦。这里只介绍脉冲泵浦。脉冲泵浦以泵浦光的足够高的功率和足够快的上升时间，克服三重态的影响，
43、实现激光器工作。这类器件的特点是输出激光的峰值功率高，器件的转换效率高以及结构简单、操作方便。脉冲泵浦泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。直管式闪光灯泵浦染料激光器的结构形式类似于固体激光器。闪光灯泵浦方式的结构简单，价格便宜，但因泵浦光脉冲较宽(一般为104106秒)，三重态的影响不能完全消除，还须在染料中添加猝灭剂。脉冲泵浦能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337mm)，红宝石激光器(0.6943mm)，钕玻璃激光器(1.06mm)，铜蒸气激光器(0.5106mm、0.5782mm)，准分子激光器(主要在紫外区)，以及这些激光的二次、三次谐波等。选用泵浦
44、激光的原则是：泵浦光谱应与染料吸收光谱匹配；泵浦光功率、能量应满足要求；泵浦光脉冲宽度应短，足以消除三重态的猝灭作用。图（519）是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。泵浦激光穿过激光器反射镜照射到染料上，该染料实际是由循环泵形成的染料喷膜，所产生的受激辐射光在折叠腔内振荡，形成激光输出。图（519） 三镜腔染料激光器 染料激光器的调谐染料激光器与其它激光器相比较的突出特点是激光波长可调谐。为了实现精确的调谐和获得较窄的线宽，需要有一个带有波长选择装置的谐振腔。经常采用的波长选择装置有光栅、棱镜、F-P标准具、双折射滤光片、分布反馈装置、电控调谐元件等。下面介绍几种典型的调谐系统。1光
45、栅调谐图（5-20）是一种光栅一反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G1具有扩束和色散作用。G1的不同波长的一级衍射光相对反射镜R2来说，有不同的入射角。于是，当旋转R2使某一波长的入射角为零时，该波长光便能低损耗地返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转R2便起到了调谐作用。图（520） 光栅反射镜调谐腔2棱镜调谐图（5-21）是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。利用棱镜的色散特性，将泵浦光耦合到腔内，并与染料流形成同轴泵浦形式。由于棱镜的色散作用，一束来自M3、M2的不同波长的光，将有不同的折射方向，当旋转平面反射镜M1使其与某一波长的光垂直时，该波长光便能返回谐振腔，形成
46、振荡。因此，旋转M1便实现了调谐作用。为了获得更窄的带宽或精调谐，也可在长支路的平行光束中插入一个或多个FP标准具。图（521）棱镜调谐腔3双折射滤光片调谐利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的Ar激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图（522）给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。这是一种单纵模环行腔染料激光器，工作物质是以喷流方式循环工作的染料喷膜，泵浦光源是Ar激光器；谐振腔是8字形环行腔，可实现单向行波振荡，消除了空间烧孔效应，提高了振荡效率。双折射滤光片是调谐元件，标准具用以压缩线宽。这个激光器的典型参数是：环行腔L1.5米，用若丹明6G作激活介质，染料喷膜厚20mm，输出镜M1的透过率T6，用4瓦Ar激光泵浦时，可获得500mW的单频输出，谱宽仅为2MHz。图（522）典型染料激光器原理图液体染料工作物质的能带很宽，这就使它成为锁模激光器所要求的良好的激活介质。七十年代，人们利用同步泵浦锁模染料激光器获得了ps量级的光脉冲，后来又利用碰撞锁模染料激光器及腔外脉冲压缩技术，将光脉冲宽度压缩到6fs。半导体激光器半导体激光器是以半导