第三講氣體激光器李卓王欣光纖激光器摻鈦藍寶石激光器LD泵浦固體激光器固體激光器的泵浦光源固體激光的輸出特性1、尖峰結構2、輸出功率、能量和效率3、激光光譜4、激光束的方向性2023/7/2322023/7/233氣體激光器

氣體激光器是以氣體作為工作物質的激光器，利用氣體原子、離子或分子的能級躍遷產生激光。通常包括原子、離子和分子氣體激光器三類。2023/7/234原子氣體激光器：產生激光作用的是沒有電離的氣體原子，其典型代表是氦氖激光器。分子激光器：產生激光作用的是沒有電離的氣體分子，分子激光器的典型代表是CO2激光器、氮分子(N2)激光器和準分子激光器。離子激光器：離子激光器的典型代表是氬離子(Ar+)和氦鎘(He—Cd)離子激光器。2023/7/235氣體激光器的特點：在單色性和光束穩定性方面都比固體激光器、半導體激光器和液體(染料)激光器優越，由于氣態物質的光學均勻性一般都比較好。氣體激光器產生的激光譜線極為豐富，達數千種，分布在從真空紫外到遠紅外波段范圍內。多數氣體激光器都有瞬時功率不高的特點。在氣體激光器中采用氣體放電或電子束激勵的方法以實現泵浦2023/7/236激光器的工作氣體中，除能產生激光發射的氣體之外，一般還含有一些輔助氣體，如各種惰性氣體及氮、氧等。它們在激光器中有的作為緩沖氣體，有的作為能量轉移氣體。分子氣體激光器和準分子激光器可以作為可調諧激光器。2023/7/2371.氦—氖激光器

氦—氖(He—Ne)激光器屬于原子激光器類，它是于1961年首先實現激光輸出的氣體激光器，能產生許多可見光與紅外光的激光譜線，多采用連續工作方式（輸出幾毫瓦到幾十毫瓦）。2023/7/238特點：輸出激光的方向性好(發散角1mrad以下)；單色性好(線寬可小于20Hz)；輸出功率和波長可控制的很穩定；結構簡單、壽命長、體積小、重量輕、成本低、使用方便；紅光、黃光、綠光、偏振輸出等。2023/7/239應用：

精密計量、檢測、準直、導向、全息照相、信息處理、以及醫療、光學實驗日本OPTEC測距頭日本手持測距儀奧地利激光測距儀2023/7/23102023/7/23112023/7/2312He—Ne激光器的結構He—Ne激光器的結構形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成。圖1內腔式He—Ne激光器的結構2023/7/2313放電管通常由毛細管和貯氣室構成，是產生激光的地方。放電管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激發產生粒子數反轉。貯氣室與毛細管相連，并不發生氣體放電，其作用是補償因慢漏氣及管內元件放氣或吸附氣體造成He、Ne氣體比例及總氣壓發生的變化，延長器件的壽命。2023/7/2314電極He-Ne激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。為了增加電子發射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。2023/7/2315諧振腔He-Ne激光器由于增益低，諧振腔一般采用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，透過率約1%～2％，凹面鏡為全反射鏡。

He-Ne激光管的結構按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內腔式、外腔式和半內腔式。按陰極及貯氣室位置的不同又可分為同軸式、旁軸式和單細管式。2023/7/2316圖2He—Ne激光器的基本結構形式2023/7/2317He—Ne激光器工作原理He-Ne激光器是利用原子中的電子—電子能級之間的躍遷。它可以在0.6328m,3.39m和1.15m三個中的任何一個波長上實現激光振蕩。

He-Ne激光器是典型的四能級系統，能級結構如圖3所示。2023/7/2318圖3He—Ne原子的部分能級圖2023/7/23190.6328m振蕩是由躍遷形成的。上能級壽命為10-7秒。下能級壽命為1.8×10-8秒，比壽命短得多，因而滿足反轉分布條件。1.15m振蕩是由躍遷形成的。對激光上能級的泵浦是通過與氖的23S1

的近共振能量轉移來實現的。的壽命為10-7秒。它的下能級與0.6328m躍遷過程所使用的相同，所以，也有賴于管壁效應抽空1S能級，從而抽空能級上的氖原子。2023/7/23203．39m振蕩是由躍遷形成的。其上能級與0.6328m振蕩時的相同；下能級的壽命為10-8秒，下能級與基態間的躍遷是禁戒的，通過自發幅射衰變到1S能級上，因而也是靠管壁效應抽空激光下能級。2023/7/2321 0.6328m和3.39m兩種振蕩具有同一個上能級,因此它們之間存在著較強的譜線競爭。

的壽命比的短，允許建立起相應于3.39m振蕩的大的反轉分布；同時由于增益G正于，使得3.39m振蕩的增益大于0.6328m振蕩的增益，所以3.39m首先達到閾值，正常的振蕩發生在3.39m而不是0.6328m。一旦3.39m振蕩發生，上的反轉數被消耗，0.6328m的增益受到抑制，阻礙了上原子數的進一步增加，因此限制了0.6328m振蕩的發生。譜線競爭2023/7/23220.6328m與1.15m振蕩共同使用一個下能級，因而也將發生譜線競爭。這兩條譜線間的競爭較0.6328m和3.39m兩條譜線間的競爭弱一些。2023/7/23232.Ar+離子激光器如果激光躍遷發生在氣體原子或分子的離子能級之間，這種激光器就稱為離子激光器。一般分為氣體離子激光器（它包括惰性氣體離子激光器和分子氣體離子激光器）和金屬蒸氣離子激光器。離子氣體激光器輸出的波長范圍很寬，從紫外2358?一直到近紅外1.355m，已觀察到400多條譜線，大多數落在可見光范圍。離子激光器是目前可見光區最強的相干光源。2023/7/23242023/7/2325

氬離子激光器是一種惰性氣體離子激光器。它輸出的激光波長主要是0.4880m和0.5145m的藍綠光。連續輸出功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見區連續輸出功率最高的激光器。氬離子激光器的閾值電流密度較高，在100A/cm2以上。氬離子激光器的能量轉換效率較低，一般在10-4～10-5范圍。效率低的原因是在氣體放電過程中電離度不高，形成激發態的離子密度小，而且它的工作能級離基態較高，量子效率比較低。

2023/7/2326氬離子激光器的激發機理能級結構：氬(Ar)的原子序數為18，電子組態為1s22s22p63s23p6，最外層3p6失去一個電子形成基態氬離子Ar+(3p5)，3p5上的一個電子被激發到更高的電子層上，形成不同的電子組態，如3p43d、3p44s、3p44p、3p44d、3p45s等。熒光譜線可達幾百條，圖4是與產生激光有關的能級與躍遷圖。2023/7/2327圖4氬離子能級和躍遷圖5氬離子主要激光譜線2023/7/23283p44s3p5輻射0.07m左右的真空紫外光。3p44p3p44s輻射可見光。電子組態3p44p和3p44s都由很多能級組成。3p44p中與主要激光譜線有關的能級有2S1/2、2P1/2、2P3/2、2D3/2、2D5/2、4D3/2、4D5/2。3p44s中與主要激光譜線有關的能級有：2P1/2、2P3/2。它們之間躍遷產生九條譜線。2023/7/23290.4880m和0.5145m兩條最強。實驗測定，3p44p的平均壽命(＝8×10-9s)比3p44s的壽命(10-9s)長約一個數量級，即使上、下能級的激發速率相同，也能建立粒子數反轉。2023/7/2330第一種形式是電子與Ar原子碰撞，使Ar原子電離成Ar+，Ar+再與電子碰撞而被激發到高能態。此激發形式稱為“二步過程”，可表示如下：在激發過程中，單位體積單位時間內產生的激發態的離子數N與電流密度的平方成正比。Ar+的粒子數反轉主要靠電子碰撞激發，其激發過程包括三種形式：激發過程2023/7/2331第二種形式是電子與氬原子碰撞后直接把氬原子電離并激發到激發態，稱這種激發過程為“一步過程”，其反應式為：上面二種激發形式在氬離子激光器中都存在，至于哪種占優勢則取決于工作條件與工作方式。連續工作的器件中，“二步過程”占主導地位。

2023/7/2332第三種形式是通過電子碰撞先把Ar+激發到3p45s和3p44d等高能態上，然后通過輻射躍遷到激光上能級3p44p上。稱這種激發過程為串激躍遷。這一過程是激發3p44p能級組的主要過程之一。這三種激發過程，要求電子的能量都是比較高的，因此要求低氣壓，大電流激勵。由于放電電流密度大，所以氬離子激光器的結構比其他氣體激光器要復雜的多。2023/7/2333氬離子激光器的結構

氬離子激光器的結構包括放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場等部分，如圖6所示。圖6氬離子激光器的基本結構2023/7/2334

放電管

由于工作電流大，放電毛細管的管壁溫度可達1000℃以上，所以要求放電管的材料要耐高溫、散熱性好。此外，還要求放電管材料的氣密性好、吸氣率低，機械強度高。常用的材料有石英、氧化鈹陶瓷、石墨等。陰極和陽極

Ar＋激光器的陰極要求有較高的電子發射率，能耐離子轟擊，耐高溫。一般采用熱陰極，最常用的是鋇鎢陰極。陽極一般也采用耐高溫、導熱、導電性能好的材料。2023/7/2335回氣管

Ar＋激光器還必須有回氣管，因為在大電流密度和低氣壓放電中，存在嚴重的氣體泵浦效應，即放電管內的氣體會被從一端抽運到另一端，造成兩端氣壓不均勻，嚴重時還會造成激光猝滅現象。在放電管外設置一回氣管路，使管內氣體形成閉合回路，依靠氣體的擴散作用，可以減小管內氣壓差。為了使放電不沿回氣管進行，要求回氣管的長徑比要大于放電管的長徑比。

2023/7/2336貯氣瓶為了防止放電管內氣壓的變化而影響使用壽命，放電管上常備有貯氣和充氣裝置。磁場為了提高氬離子激光器的輸出功率及壽命，一般要加上幾十到100毫特斯拉左右的軸向磁場。磁場通常由套在放電管外面的螺線管產生。諧振腔

Ar+激光器的諧振腔反射鏡與He-Ne激光器一樣，也是由玻璃多層介質膜構成。全反端的反射率在99.8％以上，一般小型器件輸出鏡的透過率為3％～4％，大型器件為10％～15％。

2023/7/2337圖7分段石墨結構氬離子激光器1.石墨陽極2.石墨片3.石英環4.水冷套5.放電管6.陰極7.保熱屏8.加熱燈絲9.布氏窗10.磁場11.儲氣瓶12.電磁真空充氣閥13.鎮氣瓶14.波紋管15.氣壓檢測器2023/7/23382023/7/23393.CO2激光器

分子氣體激光器利用分子的振動一轉動能級之間的躍遷。第一類分子激光器是振動一轉動激光器。它利用同一電子態(基態)的不同振動態的轉動能級之間的躍遷，振蕩波長在中紅外或遠紅外波段(5-300m)。第二類分子激光器是電子—振動激光器。

CO2激光器是振動—轉動分子激光器的代表。它的工作氣體是CO2,N2和He的混合物。原子里的電子保留在基態，激光躍遷發生在CO2的不同振動態的兩個轉動能級之間。CO2激光器效率高,輸出能量大,功率高。2023/7/23402023/7/23412023/7/2342能級結構:

CO2激光器中與激光躍遷有關的能級是由CO2分子和N2分子的電子基態的低振動能級構成的。

N2分子是同核雙原子分子，分子振動與兩個原子的相對運動有關。這種振動發生在頻率處，能級由間距等于的一組能級組成。CO2分子是線性三原子分子，分子振動的情況比N2要復雜一些。CO2激光器工作原理2023/7/2343CO2分子有9個自由度,其中振動自由度有4個,但振動方式只有三種(如圖8所示)：對稱振動，彎曲振動和反對稱振動。

圖8CO2分子的三種基本振動方式2023/7/2344能級表示：

CO2的振動狀態可以用三個獨立的振動量子數表示。用分別表示對稱振動彎曲振動和反對稱振動的基頻。CO2分子能級表示用表示。相應于這種振動繞分子軸的角動量稱為振動角動量。其中l表示彎曲振動的振動量子數，它的取值為：例如，0200表示彎曲振動有兩個振動量子，0110能級具有最低的振動能量。CO2的一些低振動能級如圖9所示。2023/7/2345圖9N2分子和CO2分子的電子基態的低振動能級2023/7/2346可能的躍遷：根據波函數對稱性的要求，在電子基態上的振動和轉動波函數應具有相同的對稱性：對稱振動的波函數是對稱的，彎曲振動和反對稱振動的波函數是反對稱的。J為偶數的轉動態的波函數是對稱的，J為奇數的轉動態的波函數是反對稱的。因此，在0001能級上，J為偶數的轉動能級是空的，在1000能級上，J為奇數的轉動能級是空的。對CO2分子講，在每一個振動能級上，不是所有J值的轉動能級都存在。在CO2分子中，Q支是禁戒的，只有P支和R支是非禁戒的。P(20)指的是從上能級J=19到下能級J=20的躍遷；R(20)指的是從上能級J=21到下能級J=20的躍遷。2023/7/2347激發過程

激光躍遷可發生在00011000(≈10．6m)和00010200(≈9．6m)兩個過程中。但輸出激光主要發生在00011000過程中。泵浦主要通過下面兩個過程：電子碰撞激發，這個過程表示為：與這類過程相對應的電子碰撞截面非常大。當電子能量為0.3eV時，峰值截面為510-10cm2。受到電子碰撞后被激發到高振動激發態的CO2分子中的很大一部分將通過振動模與振動模之間的能量交換（V-V遲豫），從激發態沿著能量階梯躍落下來，很容易被長壽命的0001能級收集。2023/7/2348N2分子的共振能量轉移：電子碰撞激發N2的振動能級的總截面很大。這些被激發的很大一部分分子將被=1的能級所收集。N2的=1能級與CO2的0001能級僅相差18cm-1(≈2.510-3eV)，因此，N2與CO2的基態分子發生碰撞時，N2將激發能量轉移給CO2分子，使之激發到0001能級；這個過程可表示為：

N2(=1)+CO2(0001)N2(=0)+CO2(0001)-2.510-3eV

因此，通過N2分子的近共振能量轉移來泵浦0001能級是很有效的過程。

N2是CO2激光器中的能量轉移氣體。當E/N=2．610-16Vcm2時，輸入電功率的大部分被用于激發0001能級。所以說CO2激光器的效率是相當高的。2023/7/2349激光上下能級的壽命和下能級的排空CO2各能級的自然壽命都很長。0001能級的s=210-3秒，1000能級的s=1.1秒。這是因為，00010000是允許的光學躍遷，而10000000是禁戒的。這種情況對產生激光振蕩十分不利。在CO2激光器中有多種氣體成分存在，使不同能級的衰變主要取決于碰撞。

CO2分子的0110能級能否被盡快排空。實際情況是，0110能級使分子到基能級的衰變變慢，它的作用表現為一種瓶頸現象。He的存在將對0110能級的壽命產生很大影響。He與0110能級上的CO2分子碰撞的結果使0110能級的壽命達到=2×10-5秒。

He的存在不僅有助于抽空CO2分子的激光下能級，滿足實現激光連續振蕩的條件。而且有助于讓放電區的剩余熱量傳走。

2023/7/2350轉動能級競爭不同的振動能級之間的熱平衡速率較小，約為103秒-1；而在同一振動態上的不同轉動能級之間的熱平衡速率很大，約為107秒-1)。于是，處在同一振動態的所有轉動能級上的全部粒子都對具有最高增益的那個轉動能級的激光躍遷有貢獻。CO2分子可以看作是一個“啞鈴”形的剛性轉子。轉動量子數為J的轉動能級上的平衡粒子數為：在CO2分子的0001能級中，J=21的轉動能級上的粒子數最多。

2023/7/2351因此，通常是00011000躍遷中的P(22)支起振，在J=2l的轉動能級上的粒子數被迅速消耗，于是，其它轉動能級上的CO2分子將迅速躍遷到這一轉動能級上來。就是說，P(22)支振蕩將吃掉其它轉動能級上的粒子數,這就是轉動競爭效應。CO2激光器輸出光譜

CO2的振轉能級非常密集，使CO2激光器輸出的波長十分豐富。

00011000躍遷的波長范圍是10.06m～11.02m；其中，P支從P4～Ｐ56共有27條譜線，最強的是P18、P20、P22、和P24。R支從R4～R54共有26條譜線，最強的是R18、R20、R22和R24；00010200躍遷，在9.13m到9.95m波長范圍內，有40多條譜線。2023/7/2352CO2激光器的結構CO2激光器的種類多，應用廣泛。從激光器的結構來看，CO2激光器可分為：(1)縱向封離型激光器；(2)縱向流動激光器；(3)橫向流動激光器；(4)橫向激勵高氣壓激光器(TEA)；(5)射頻激勵激光器；（6）波導CO2激光器；（7）氣動激光器。2023/7/2353圖10(a)縱向封離型激光器2023/7/2354圖10（b）縱向流動激光器2023/7/2355圖10(c)橫向流動激光器2023/7/2356圖10(d)橫向激勵高氣壓激光器(TEA)2023/7/2357圖10(e)波導CO2激光器2023/7/2358圖10(f)射頻激勵激光器2023/7/23594.準分子光器

準分子(Excimer)是束縛在電子激發態的分子，是一種處于激發態的復合分子，無穩定的基態。很快自動地離解成原子或其它分子團，從它產生到消失的時間只有幾十毫微秒。準分子分兩類；一類是同核二聚物(Dimer)如、等，另一類是異核型準分子(Exciplex)，如惰性氣體的氧化物和鹵化物、等，以及金屬鹵化物等。Anexcimerlaserisaspecifictypeofmoleculargaslaserthatproduceshighintensitylightintheultraviolet(UV)rangeoftheelectromagneticspectrum.TheUVlightsourceisaLumonicsPM-848kexcimerlaser,whichcanbeconfiguredtooperatewitheitheraKrF(krypton-fluoride)gasmixtureat248nmoranArF(argon-fluoride)gasmixtureat193nm.Theexcimerlaserbeamwillbeusedformicrofabricati