第三章典型激光器

第一节概述

第二节气体激光器

第三节固体激光器

第四节染料激光器

一、激光器的基本结构

激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构

成。

激光器的基本结构

工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用

源泉之所在。

泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作

物质类型不同,采用的泵浦方式不同。

光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈,同时,谐振腔的参

数影响输出激光束的质量。

二、分类及输出特性

激光器种类繁多,习惯上主要按照以下两种方式划分:一种

是工作物质,另一种是按照激光器工作方式。

1按照激光工作物质

1）气体激光器

气体和金属蒸气作为工作物质。

根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将

气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。

原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子,激光跃

迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、

氖、氩、氪、氙等惰性气体和镉、铜、锰、锌、铅等金属原

子蒸气。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。

分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁

发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有

CO

、CO、N

、O

、N

O、H

O、H

等分子气体。分子激

光器的典型代表是CO

激光器。

准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激

发态暂时结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁

产生于其束缚态和自由态之间。采用的准分子气体主要有XeF*

、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*等。其典型代表为XeF*

准分子激光器。

离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子,激光跃迁

发生在气体离子的不同激发态之间。采用的离子气体主要有惰

性气体离子、分子气体离子和金属蒸气离子三类。其典型代表

为Ar

激光器。

激励方式

气体激光器一般采用气体放电激励,还可以采用电子束激

励、热激励、化学反应激励等方式。

波长范围：

气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外—远红外波段

特点：

激光谱线上万条,具有输出光束质量高(方向性及单色性好)、

连续输出功率大(如CO

激光器)等输出特性,其器件结构

简单,造价低廉。

应用

气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领

域,如计量、材料加工、激光医疗、激光通信、能源等方面。

1961年,第一台气体激光器—He-Ne激光器问世。

2)．固体激光器

固体激光器以固体激光介质作为工作物质。

固体工作物质通常是在基质材料,如晶体或玻璃中掺入少量的

金属离子(称为激活离子),激光跃迁发生在激活离子的不同工作

能级之间。用作激活离子的元素可分为四类:

三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过渡金属离子和锕系

金属离子。

固体激光器的典型代表是红宝石(Cr

3+

:Al

)激光器、掺钕钇

铝石榴石(Nd

3+

:YAG)激光器、钕玻璃激光器和掺钛蓝宝石(Ti

3+

:Al2O3)激光器。

固体激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有闪光灯和半导体

激光二极管两类。

固体激光器的波长覆盖范围主要位于可见光—近红外波段,

激光谱线数千条,具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲激光

器,单脉冲输出能量可达数万焦)、运转方式多样等特点。

器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输。

固体激光器主要应用于工业、国防、科研、医学等领域,如

激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变

等方面。

3)

液体激光器的工作物质分为二类:一类为有机化合物液体

(染料),另一类为无机化合物液体。其中,染料激光器是液体激光

器的典型代表。常用的有机染料有四类:吐吨类染料、香豆素类激

光染料、恶嗪激光染料和花青类染料。

染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和闪光灯泵浦

染料激光器的波长覆盖范围为紫外到近红外波段(300nm～

1.3μm),通过混频等技术还可将波长范围扩展至真空紫外到中红外

波段。激光波长连续可调谐是染料激光器最重要的输出特性。器件

特点是结构简单、价格低廉。染料溶液的稳定性比较差是这类器件

的不足。

染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光谱

学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。

1966年,世界上第一台染料激光器———由红宝石激光器泵

浦的氯铝钛花青染料激光器问世。

4)．半导体激光器

半导体激光器也称为半导体激光二极管,或简称激光二极

管(LaserDiode,缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的

特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性,使半导体

激光器的工作特性有其特殊性。

半导体激光器以半导体材料为工作物质。常用的半导体材

料主要有三类:(1)ⅢA—ⅤA族化合物半导体,如砷化镓

(GaAs)、磷化铟(InP)等。(2)ⅡB—ⅥA族化合物半导

体,如硫化镉(CdS)等。(3)ⅣA—ⅥA族化合物半导体,如

碲锡铅(PbSnTe)等。

根据生成pn结所用材料和结构的不同,半导体激光器有同

质结、异质结(单、双)、量子阱等多种类型。

半导体激光器采用注入电流方式泵浦。

半导体激光器波长覆盖范围一般在近红外波段(920nm～

1.65μm),其中与为光纤传输的两个窗口。

半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、

超小型化、结构简单、使用寿命长(一般可达数十万乃至百

万小时以上)等突出特点。

半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处理、

科研、医疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全息照相、

办公自动化、激光准直及激光医疗等方面。

1962年,世界上第一台半导体激光器———GaAs激光器

问世。

5)．化学激光器

化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激

光辐射的。工作物质可以是气体或液体,但目前主要是气

体,如氟化氢(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。

化学激光器采用化学能激励。为促成工作物质的化学反应,一

般需采用一些引发措施,如光引发、电引发、化学引发等。

化学激光器的波长覆盖范围为紫外到红外波段,直至微米

波段,功率高、能量输出高,无需外界提供泵浦源, 可将化

学能直接转换成激光能量是其突出特点, 特别适合于野外等

无电源处工作。

化学激光器主要应用于国防、科学研究等领域, 如激光武

器、同位素分离等。

1964 年, 第一台光解离碘原子化学激光器问世。

6)

自由电子激光器是一种新型激光器。

自由电子激光器的工作物质是相对论电子束。所谓相对论电子

束是指通过电子加速器加速的高能电子。自由电子激光器

将相对论电子束的动能转变为激光辐射能。

自由电子激光器的泵浦源为空间周期磁场或电磁场。

具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐是自由

电子激光器两个最显著的特点。

自由电子激光器在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的

应用前景

7 X

X 射线激光器输出激光波长位于X 射线波段(1 ～

10nm) 。

X 射线激光器工作物质为高度电离的等离子体, 采

用光泵浦, 但需要特殊的X 射线泵浦源。

8)

工作物质: 以掺入某些激活离子的光纤, 或者利用光纤自身的非

线性光学效应制成的激光器。

分类： 晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激

光器和非线性光学效应光纤激光器。

泵浦方式主要采用半导体激光二极管泵浦。

特点： 光纤激光器是一种新型的激光器件, 具有总增益高、阈

值低、能量转换效率高、很宽的波长调谐范围及器件结构紧凑

等突出特点, 在远距离光纤通信等领域显示出了广阔的应用前

景。

1963 年, 第一台光纤激光器—Nd2 O3 光纤激光器问世

激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式,

连续激光器

脉冲激光器。

按照激光技术的应用分为

调Q 激光器

锁模激光器

稳频激光器

可调谐激光器等,

按照谐振腔腔型的不同分为

非稳腔激光器

平面腔激光器

球面腔激光器等类型。

所谓气体放电, 是指在高电压作用下, 气体分子( 或原子) 发生

电离而导电。

常用气体激光器的气体放电属于弱电离气体放电, 其气体电离

度一般不超过0.1%。

1.

1). 直流连续放电

直流连续放电是指在气体激光器放电管两电极间加上可调的直流

电压。调节放电管两端的电压或电阻，测出相应的放电电流，

即可得到放电管直流连续放电的伏－安特性曲线。

Ｄ 点所对应的管压降称为着火电压，也称起辉电压，

或击穿电压。

AD 段为非自持放电阶段。放电电流虽然随端电压升高而增加,

但其值很小。此时若去掉外界电离源, 放电电流则很快减小直至

放电终止。此阶段的放电电流范围一般在10

-20

-10

-11

A 之间。

D 点以后, 则为自持放电阶段, 原因阴极产生二次

电子发射

DE 段叫作自持暗放电, 放电不稳定

平坦的EF 段。该区域的特点是电流增加, 但管压降几乎

保持不变, 放电管内出现明暗相间的辉光, 称之为正常辉

光放电。辉光放电阶段, 由于二次发射的电子随电场的增

加而迅速增加, 故当放电管端电压略有增加时, 放电电流

就增大很多。辉光放电的电流范围一般在10

-4

～10

-1

之间

FG 段则为反常辉光放电阶段。此阶段管压降随着电流增

加而增加。反常辉光放电阶段, 阴极溅射很强烈, 放电管

一般应避免在此状态下工作。

G 点所对应的电压叫做弧光着火电压。

过G 点后, 放电管管压降再次迅速下降, 放电电流快速增大, 放电管

中发出耀眼的弧光, 称之为弧光放电。

弧光放电的GH 段呈现出负阻特性, 放电不稳定。

HK 段为稳定弧光放电阶段, 放电电流一般大于10

-1

A 。

辉光放电 高电压、小电流( 几毫安至几十毫安) 放电, 是

一种稳定的自持放电。

He-Ne 激光器与CO

激光器都是工作在辉光放电区域。

低电压大电流( 几十安至几千安) 的自持放电。

弧光放电的着火电压一般比辉光放电的着火电压

高, 但对阴极表面积和电子逸出功都很小的放电管

而言, 其弧光着火电压也可低于辉光着火电压。

分类：

热阴极弧光放电、

冷阴极弧光放电

人工阴极弧光放电

Ar+ 激光器工作于弧光放电区域。

2). 高频放电

高频放电也叫做射频气体放电。所谓射频, 通常指频率在几

兆到几百兆范围内的电磁波。

当两电极间施加高频交变电场后, 由于带电粒子在两电极之间

的渡越时间远大于电场的变化周期, 使得电子不能再做长距

离的运动, 而只能在某个固定位置附近振荡, 并在振荡过程

中与气体粒子碰撞, 产生电离和激发, 以维持放电。射频放

电时, 由于电子不断来回运动使电子飞越的路程增大, 从而

使电子与气体粒子碰撞的次数增加, 电离能力极大提高, 也

使得作为电子来源的阴极的重要性大为减弱。因此, 射频放

电可以用内电极, 也可以用外电极, 甚至可以不用电极。

20 世纪70 年代, 射频气体放电技术成功地应用于大功率输出

CO

激光器, 并已展示出其广阔的应用前景。

3).

放电管两电极间施加脉冲电压时, 即产生脉冲放电。按放电

电流密度的大小, 放电管内可产生脉冲辉光放电和脉冲弧光

放电。

按所加电压的交变状态, 可分为直流脉冲放电和交流脉冲放电。

按脉冲持续时间, 又可分为短脉冲放电和长脉冲放电。

准分子激光器采用脉冲放电方式。

大功率高气压气体激光器多采用短脉冲放电方式。

气体放电除上述三种放电方式外, 还有火花放电和电晕放电等

方式。

2 ．气体放电中的粒子碰撞与激发、电离过程

在气体放电中, 带电粒子( 电子和离子) 与中性气体

粒子( 原子或分子) 之间的碰撞决定着放电进行的

情况。其中, 有两种基本的碰撞过程影响着器件粒

子数反转分布的建立和维持。第一种过程是电离,

它对于维持放电是不可或缺的; 第二种过程是激光

上、下能级粒子的激发与消激发。

粒子的碰撞一般可分为两类: 弹性碰撞和非弹性碰撞。

在气体激光器工作物质的激发与电离过程中, 粒子的

碰撞都属于非弹性碰撞。

非弹性碰撞又可分为第一类非弹性碰撞和第二类非弹

性碰撞。

1 ）. 第一类非弹性碰撞

第一类非弹性碰撞指一个粒子的动能转变为另一粒子

内能的碰撞。其最常见的形式之一就是快速电子与

气体粒子发生碰撞激发和电离。

在碰撞过程中, 快速电子失去能量, 速度变慢, 气体粒

子得到能量被激发到高能态或被电离。

电子的能量大于或等于气体粒子的激发态能

量时, 碰撞激发过程则有可

电子能量等于或大于气体粒子的电离能时, 碰撞电

离过程便可以发生。其电离过程可表示为

( ) A* ( ) A e e  快 慢

( ) A ( ) A e e  快 慢

电子和气体粒子的碰撞, 还可以使粒子从一个激发态跃迁到

另一个更高的激发态, 或者使激发态粒子发生电离, 分别叫

做逐级激发和逐级电离。

2). 第二类非弹性碰撞

第二类非弹性碰撞指一个粒子的内能转变为另一粒子内能或

动能的碰撞。其形式主要有共振转移、电荷转移和潘宁效应

等。

①共振转移是指激发态的粒子A * ( 通常指亚稳态) 与基态粒

子B 碰撞, 使B 激发到高能态B* , 而A* 返回基态。其过程

可表示为

A* +B→A+B* +ΔE

其中,ΔE 为A* 和B* 两者激发态之差。ΔE 越小, 共振转

移截面越大。当ΔE 趋于零时, 共振转移截面大于10

14

cm

, 转移最易发生。

共振转移是选择性激发过程中最重要的形式之一。

②电荷转移是指离子与中性气体粒子碰撞引起的激发与电离过程。

其激发过

+B→A+B

±ΔE

其中,A 为A+ 从中性粒子B 处获得一个电子而成为中性粒

子;B 为中性粒子失去一个电子而成为正离子B

;ΔE 为A 和B

两者电离能之差。

电荷转移过程中出现的电离激发, 可表示为

+B→A+B

+ΔE

其中,B* 为离子激发态;ΔE 为离子激发态B* 与粒子A+ 的电离能之

间的位能差。

正离子与中性气体粒子之间的电荷转移过程。负离子与中

性气体粒子碰撞亦可失去电子而成为速度较快的中性粒子, 同时

使原中性气体粒子成为速度较慢的负离子。

指处于激发态的气体粒子A* 与处于基态的粒子B 碰撞,A* 失去

能量返回基态, 而B 被电离, 或电离后又被激发。其过程可表示为

A*+B→A+B*

+e

A* +B→A+B

+e

由上述反应过程可见, 只要A 的激发能大于基态粒子B 的

电离能, 潘宁电离便可以进行, 电离中产生的多余能量可转化为电

子的动能。

气体放电过程中, 除上述介绍的由于粒子碰撞所产生的激

发和电离过程外, 还存在着复合、吸附与转荷等过程.

He-Ne

工作介质：He-Ne 激光器是典型的惰性气体原子激光器,Ne

为工作物质,He 为辅助气体。

特点：

He-Ne 激光器输出连续光, 主要工作波段在可见光到近红外

区域, 其中, 最常用的工作波长为632.8nm( 红光), 其次是和

以及、等。

He-Ne 激光器输出光束质量很高, 表现为单色性好(Δν

和方向性好(Q

由于增益低, 输出功率一般为毫瓦量级～100mW) 。

器件结构简单, 造价低廉。

应用：He-Ne 激光器广泛应用于准直、精密计量、信息处理、

医疗、照排印刷等领域。

1 、He-Ne 激光器的基本结构

He-Ne 激光器的基本结构由激光管和电源两部分组成, 其中, 激

光管主要包括放电管、电极和谐振腔三部分, 放电管是He-Ne

激光器的核心。放电管通常由毛细管和储气室构成。当在电极

上施加高压后, 毛细管中的气体开始放电, 使氖原子产生粒子数

反转。气体放电仅在毛细管中进行,

储气室的作用是维持毛细管

内He 、Ne 气体的比例及总

气压, 以延长器件的寿命。放

电管一般采用GG17 玻璃,

要求输出功率和频率稳定性

好的器件可采用热胀系数小

的石英玻璃。

He-Ne 激光管的电极分为阳极和阴极。阳极一般采用钨棒, 阴极多

采用电子发射率高而溅射率小的铝及其合金这类冷阴极材料。

为增加电子发射面积, 减小阴极溅射, 阴极通常做成圆筒状, 再

用钨棒引至管外。

He-Ne 激光器因为增益低, 谐振腔一般采用平凹腔。平面镜为输

出反射镜, 透过率约1%～2%, 凹面镜为全反射镜。

He-Ne 激光器结构形式多

样, 按照谐振腔与放电管的

放置方式不同, 可分为内腔

式、外腔式和半内腔式

布儒斯特定律

光从折射率为 n1 的介

质射向折射率为 n2 的介质时，

当入射角满足

反射光就变为振动方向垂直于入

射面的完全偏振光。而折射光仍

为部分偏振光。

称为布儒斯特角

此时反射角和折射角之和为

90 度:

i r

tan 2/ 1

i n n 

2 ．He-Ne 激光器的工作

原理

He-Ne 激光器中的激光跃迁产生于Ne

原子的不同激发态之间,He 原子为

辅助气体, 其作用是提高Ne 原子

的泵浦速率。

He 原子核外有两个电子, 其基态电子

组态为1s1s 。He 原子处于基态,

其能级符号表示为 1s0 。当He

原子受激时, 其中, 一个电子由1s

壳层激发到2s 壳层 ( 电子组态为

1s2s), 使He 原子处于激发态。该

激发态中有两个亚稳能级(2

s0 和

s1 ) 与He-Ne 激光跃迁有关。

Ne 原子核外有10 个电子, 其基态电子组态为1s

2s

2p

。Ne 原子基态能

级为

s0 。受激时,2p 壳层中的一个电子跃迁到较高能态而形成激发态。

与激光跃迁有关的Ne 原子电子激发组态为1s

2s

2p

1s

2s

2p

3p, 1s

2s

2p

4s, 1s

2s

2p

5s 。习惯上,Ne 原子的能级用帕邢符号表示。Ne 原

子上述5 个电子激发组态与帕邢符号的关系见表。

根据能量跃迁选择定则, 在Ne 原子的3s 与2p 、3p 能态之间,2s 与2p 能

态之间的很多对子能级之间都能产生跃迁谱线( 现已获得100 多条谱线),

其中, 最强的谱线有3 条, 即、和1.15μm, 分别对应于

3s2→2p4 、3s2→3p4 和2s2 →2p4 之间的跃迁。

一般He-Ne 激光器输出工作波长为632.8nm, 对应于3s2 →2p4 的跃迁。

跃迁至激光下能级2p4 上的Ne 原子通过自发辐射跃迁到1s 能级, 最后通

过扩散返回基态。由上述分析可知,He-Ne 激光器是典型的四能级系统。

激发过程：Ne 原子激光上能级有三种激发过程

1 ）共振能量转移激发

电子直接碰撞激发的60 ～80 倍。

串级跃迁

Ne 原子与电子碰撞被激发到更高的能态, 然后再

跃迁至2s 和3s 能态。在上述三种激发过程中,

此过程贡献最小。

1 *

0 2

1 *

0 2

( ) ( ) (2 ) ( )

( ) ( ) (3 ) ( )

Ne S e Ne S e

Ne S e Ne S e

快 慢

快 慢

驰豫过程：

Ne 原子激光下能级2p 和3p 向基态的跃迁为选择定则所禁

戒, 粒子只能通 过自发辐射跃迁到1s 能级。由于1s 能级

向基态的跃迁也属禁戒, 因此1s 能级 的Ne 原子只有扩散

到放电管管壁, 通过与管壁碰撞释放能量后方能返回基态,

称之为“管壁效应”。激光下能级如不能被较快抽空, 将会

造成粒子的堆积, 形成“瓶颈效应”。这就是He-Ne 激光

器放电毛细管内径要很小的主要原因。

He-Ne 激光器放电毛细管管径d 与小信号增益系数Gm 之间

存在经验公式：

上式表明He-Ne 激光器的放电毛细管要细, 但管径d 小会限制

器件的输出功率。

4 1

3 10 / ( )

G d cm

 

 

最佳条件：

由于存在横向

转移过程：

He Ne 考

虑6328A

的激光：

气体放电

激励时, 电

子密度为

ne 。

(1) 增益与放电电流i 的关系

在总气压P 和分压比P

He

:P

Ne

一定的条件下,ne i, ∝ 即 n e =k′i

由式(3.11) 知, 当i 较小时,k2 i 可忽略, 则n 3 ≈(k1/A′)i, n 3 与i 成线性

变化关系; 当i 较大时,k2 i 随之增大,n3 ≈k1/k2 ,n 3 与i 关系不大而

呈饱和状态; 当i 继续增大时,n 3 饱和。

n2 i ∝ 。

因增益G Δn, ∝ 故增益也对应有最佳放电电流。二

者关系如图所示

(2) 增益与充气总气压P 的关系

由于n3>>n2, 则有Δn=n3-n2 n3 ∝ 。因此, 以下主要分析n3 与

总气压P 的关系。

在He 、Ne 气压比一定的条件下, 总气压P 升高可以使He 与Ne

原子

的粒子数密度n0 、n1 上升,

有利于提高n3, 使Δn 上升。但

若总气压P 太高, 在n0 与n1

上升的同时, 电子与原子碰撞次

数也随之增多, 致使电子动能下

降,S04 降低, 从而导致n3 下

降, 使反转粒子数密度Δn 下降。

因此,He-Ne 激光器存在一个最

佳充气总气压, 在此条件下工

作, 器件增益最大。增益与充气

总气压的关系

(3) 增益与He 、Ne 气压比(PHe∶PNe ) 的关系

在总气压P 一定的条件下,Ne 的分压上升, 可提高基态Ne

原子粒子数密度n 1 , 同时使He 原子基态粒子数密度n 0

下降。由式(3.6) 知,n 1 比n 0 对n 3 的影响大。因此,Ne

的分压上升,

可以提高n 3 。但若其分压过

高, 由于Ne 原子电离电位低, 易

电离而导致电子能量下降, 使S

04 下降, 导致n3 下降。同时,

由于Ne 原子激光上能级的粒子

数主要通过与He 原子亚稳态能

级粒子之间的共振转移而获得,

因此, 作为工作气体的Ne 气所占

比例要适当。P He∶P Ne 也存在

一个最佳值,P He >PNe , 一般P

He∶P Ne ≈7∶1 ～10∶1 。

最佳充气总气压与最佳He 、Ne 气压比称为He-Ne 激光器

的最佳充气条件。

当器件工作于最佳充气条件时, 其放电毛细管内径d 与最佳

充气总气压P

opt

的乘积为一常数, 其取值范围P

opt

d=480 ～

533(Pa mm) 。

由上述分析得出结论: 为获得最大增益,He-Ne 激光器应工

作在最佳放电条件下, 即采用最佳放电电流、最佳充气总气

压和最佳He 、Ne 气压比。

3 He-Ne

、与三条谱线是He-Ne 激光器上百条谱线中最强的三条。