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第一章激光器件概论p

第一章激光器件概论

1.1激光器件的分类

自从1960年梅曼（Maiman）制成世界第一台红宝石激光器到目前为止，已有不下几千种物质中获得了激光发射。

激光的单脉冲能量和功率，分别达到几十万焦耳和千太瓦（1012瓦），连续输出功率已达到几万瓦以上。

超短脉冲的宽度可压缩至几百阿秒量级。

各种激光器虽然在结构和运转方式上各不相同，但基本上都由三个部分组成：

1、工作物质：

它是实现粒子数反转并产生激光的物质基础和场所；

2、激励系统：

激光系统能源的供应者，并以一定方式促成激光工作物质处于粒子数反转状态；

3、光学谐振器：

它的作用一是提供光学反馈的条件，再则是选择和限制激光器的振荡波型和光束输出特性。

激光器的分类方式很多，按工作物质划分，可分为：

固体、气体、液体、半导体、化学、自由电子、X射线和物质波（原子）激光器等八种。

按运转方式划分，可分为：

连续式运转激光器、单脉冲式运转激光器、重复频率式运转激光器、Q突变式运转激光器、波型（模式）可控式运转激光器等。

波型（模式）可控式运转激光器包括：

单波型（选纵模、选横模）激光器、稳频激光器、锁模激光器、变频激光器等。

按激励方式划分，可分为：

光泵式激光器（泵浦灯激励和激光激励又分端面泵浦、侧面泵浦）、电激励式激光器、化学反应式激光器、热激励式激光器、和核能激励式激光器等。

按激光器输出的中心波长所属波段划分，又可分为：

微波段激光器、远红外段激光器、中红外段激光器、近红外段激光器、可见光段激光器、紫外段激光器（近紫外、真空紫外，又有人分为紫外和深紫外）及X射线段激光器等。

按谐振腔类型划分，又可分为：

稳定腔激光器、临界腔激光器和非稳腔激光器等。

可视尺度的宏观谐振腔激光器（腔长在104~106μm量级，如CO2激光器、He–Ne激光器、Ar+激光器、He–Cd激光器等）；显微尺度的谐振腔激光器（激光器腔长在10~100μm量级，如半导体激光器，其操作必须借助于显微镜进行）；介观尺寸的微腔激光器（micro-laser，激光器腔长在1μm量级，激光器腔长与激光波长可比拟，遵从于介观物理学规律，属于受限小量子系统）。

双镜驻波腔激光器、环形腔激光器和位相共轭谐振腔激光器等。

1.2典型激光器件简介

对于激光器最常用的划分方式还是按工作物质分类。

按工作物质划分激光器可分为以下几大类。

1、固体激光器

工作物质是以高质量的光学晶体或光学玻璃为基质，其内掺入具有发射激光能力的金属离子。

目前已发现能用来产生激光的晶体有几百种，玻璃材料几十种，最常用的有红宝石，钕玻璃，钇铝石榴石,铝酸钇，钒酸钇等。

固体激光器一般采用光泵激励方式，固体激光器的特点是输出的功率较大，结构牢固，体积较小，多用于机械加工，测距，通信，快速全息照相等。

有机物质固体激光器。

2、气体激光器

气体激光器运转时，工作物质的状态分为：

原子气体，分子气体、离子气体和准分子气体。

因此分别称为原子气体激光器（如He-Ne等），分子气体激光器（如CO2等），离子气体激光器（如A+r等）和准分子气体激光器（XeF、XeCl、KrF、ArF、KrCl等）。

图1.2.1为气体激光器示意图。

气体激光器是目前应用最广泛的一类激光器，它的单色性比其它类激光器优良，而且能长时间稳定的工作，常应用于精密计量，定位，准直，全息照相，近距离通讯，水下探测等。

3、半导体激光器

工作物质是半导体材料，如砷化镓，碲锡铅，硫化镉，锑化铟等。

半导体激光器的特点是器件体积小，重量轻，效率高，结构紧凑，运行寿命长，可以用100万小时（即120年）。

一般气体，固体激光器长度可从几厘米到几米甚至上百米，而半导体激光器不足1毫米，只有针孔那么大，重量可以不超过2克。

4、液体激光器

分为有机液体激光器和无机液体激光器。

无机液体激光器，其工作物质一般是由无机液体掺入稀土离子构成。

有机液体激光器工作物质，是由某些分子结构呈笼状的有机化合物溶于有机液体溶剂中而形成。

目前最普遍使用的液体激光器是各种染料激光器。

它的最大优点是输出的激光波长可在较大范围内连续调谐，在各种光谱测量技术中有特殊重要的应用价值。

5、化学激光器

基于化学反应所产生的能量来建立粒子数反转分布，从而产生受激的器件。

6、自由电子激光器

它是利用相对论电子束与电磁场的相互作用产生相干电子束的激光辐射。

7、X射线激光器

X射线波段激光的开拓研究，是激光科学发展中的重大前沿领域之一，中国以类锂离子和具有类似电子结构的类钠离子三体复合泵浦方案为主攻方向，多次在国际首次获得短波长的X射线激光跃迁。

这不仅在激光与等离子体相互作用研究、X射线激光光谱研究方面积累了大量的经验，而且在软X射线激光增益实验研究方面也取得了重要数据。

8、物质波（原子）激光器

原子激光是第一种物质波激射器，是继微波激射器（Maser）,光激射器（Laser）之后的第三类激射器。

由激光脉冲轰击原子而产生激光的器件。

1995年原子气体Bose-Einstein凝聚（BEC——Bose-Einsteincoacervation）实验成功,促使了1997年原子激光器的诞生。

BEC的实现和原子激光器的诞生，是20世纪末物理学的重大性进展，有可能对今后科学技术的发展产生重大影响。

这一成果，不仅是物理学的又一重大进步，也为物理学的基础理论研究如量子论、相对论的发展提供了深入的基础；同时对相关领域，如精密测量、空间科学、地学、表面探测、微电子技术的也将有重大推动作用。

二、激励方式

1、光激励

光激励是利用光照射工作物质、工作物质吸收光能后产生粒子数反转。

光源可以是高效率的高强度的发光灯、太阳能和激光，固体激光器多采用连续或脉冲灯激励，太空中的激光器多采用太阳能作为激励源，为提高泵浦效率，可利用与工作物质对应的激光作为激励源，例如半导体激光激励可是固体激光器小型化。

2、放电激励

在高压下，气体分子会发生电离导电，在放电过程中，气体分子与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量跃迁到高能级形成粒子数的反转。

与光激励相比减少了电光转换环节，激发效率可以提高。

3、热能激励

用高温加热方式使高能级上气体粒子数增多，然后突然降低气体温度，因高低能级的热驰豫时间不同科是粒子数实现反转。

4、化学激励

是利用化学反应过程中释放的能量来激励粒子建立粒子数反转。

5、核能激励

用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变碎片等来激励工作物质。

1.3激光器件运转原理

LaserDeviceOperateTheory

1.3.1光学谐振腔OpticalResonator

激光束在共轴球面腔内经多次往返后，若光束位置仍紧靠光轴，则光学谐振腔稳定；若光束从腔镜面横向逸出反射镜之外，则光腔不稳定。

由曲率半径不等的球面镜组成的激光谐振腔是周期光学元件序列的一个典型例子，可分为稳定的和不稳定的两种。

对稳定序列，光束在传播过程是有界的，传播矩阵的各矩阵元取有限的实数时，近轴光线在腔内往返多次后，不会横向逸出腔外。

对不稳定序列，方程中的三角函数变成双曲线函数，这表明光束通过光学元件序列时将越来越发散，光束将逸出光学谐振腔外，光束是无界的。

（1）光学谐振腔的稳定条件

当光线从M1镜出发，在光学谐振腔内往返传播了一次，又回到M1镜，即从M1→L→M2→L→M1，其光线传播矩阵为

（1-3-1-1）

（1-3-1-2）

当光线传输矩阵的迹满足不等式

（1-3-1-3）

序列是稳定的。

式中，A、D为光线传输矩阵的主对角线的元素。

为了方便而清晰地描述光学谐振腔的稳定性，现引入两个表示谐振腔几何结构参数的因子：

（1-3-1-4）

将式（1-3-1-2）、式（1-3-1-4）代入式（1-3-1-3）得：

（1-3-1-5）

称式（1-3-1-5）为光学谐振腔的稳定条件。

依据光学谐振腔的稳定条件式（1-3-1-5），可将光学谐振腔分为三种：

1）稳定腔：

当球面光学谐振腔的几何参数满足0

由于腔内基模光束具有高斯函数分布特征，故又称高斯光束腔。

2）非稳腔：

当g1g2<0，g1g2>1时，对xn=AnX0+Bnθ0，θn=CnX0+Dnθ0，有指数函数解，随n增大，xn按指数规律增大，这意味着光线在腔内往返传播有限次后将横向逸出，腔具有较大的几何偏折损耗称为非稳腔。

由于腔内光束好像是由非稳腔的一对共轭像点发出，所以又称为点光束腔。

3）临界腔：

当g1g2=0，1的共轴球面腔为临界腔，除共焦腔外，该类谐振腔内的近轴光线有一部分经无限多次往返而不会横向逸出腔外，还有一部分光线则在腔内往返传播有限次后将横向逸出腔外。

临界腔的几何损耗均高于稳定腔低于非稳腔，能量损耗介于稳定腔和非稳腔之间，其几何参数为两类腔分界线，称为临界腔（介稳腔）。

1.3.2工作物质的能级结构与辐射线型

LevelConfigurationandRadiateLineshapeoflasermediums

激光器根据其产生和形成激光过程所涉及到的激光工作物质（激活离子）的能级结构特征可分成：

三能级系统工作物质和四能级系统工作物质。

凡是基态和激光下能级重合或者E1-E0<>kT统称为四能级系统。

红宝石属于三能级系统；Nd3+:

YAG、钕玻璃、氮分子、二氧化碳、氩离子、氦镉、等激光器件属于四能级系统。

激光工作物质的运转过程，即大量粒子的跃迁辐射过程。

激光工作物质的跃迁辐射的光能量按照频率的分布遵循一定的规律，而不同的物质结构所辐射的规律是不同的。

根据相对辐射光强按照频率的分布特征，人们将其分为三类：

均匀加宽的洛伦茨线型、非均匀加宽的高斯线型和综合线型。

表示相对光强按频率分布规律的曲线就称为光源的光谱辐射线型。

用谱线的线型函数g（ν，ν0）描述这条曲线，这条曲线的轮廓形状也称为光谱线形状。

不同的光谱线具有不同形式的g（ν，ν0），称为不同的线型。

线型函数g（ν，ν0）定义为：

若一条光谱线的总辐射功率为P0，而在频率ν→ν+dν范围内的辐射功率为P（ν）dν，则有

（1-3-2-1）

所以

（1-3-2-2）

（1-3-2-3）

这即为线型函数的归一化条件，ν0表示线型函数的中心频率。

线型函数ν=ν0时，有最大值g（ν0，ν0）=gmax，若有频率ν1和ν2，当ν＝ν1，ν2时

（1-3-2-4）

则定义光源辐射的线型的谱线宽度Δν为

（1-3-2-5）

也就是说，在ν=ν0±Δν/2时，g值将下降至最大值的一半，即

（1-3-2-6）

每个发光粒子所辐射的光能，对谱线内任意频率均有贡献；且所有发光粒子在对谱线的贡献过程所处的地位完全相同。

由如此大量粒子对谱线的整体贡献的结果所引起的谱线加宽过程称为均匀加宽。

自然加宽（NaturalBroadening）、碰撞加宽（CollisionalBroadening）及晶格振动加宽（CrystalLatticeVibrationBroadening）均属均匀加宽类型。

在气体工作物质中，谱线的均匀加宽主要源于自然加宽和碰撞加宽。

我们把两者的线型函数式合并起来，称为均匀加宽线型函数gH（ν，ν0）

（1-3-2-7）

（1-3-2-8）

gH（ν，ν0）满足归一化条件。

式中gH（ν，ν0）为同时考虑自然加宽和碰撞加宽时的均匀加宽线型函数，ΔνH为相应的均匀加宽线宽。

对于一般的气体工作物质，因为ΔνL>>ΔνN，所以均匀加宽主要由碰撞加宽决定。

只有当气压极低时，自然加宽的作用才会显示出来。

非均匀加宽（InhomogeneousBroadening）:

每个发光粒子所发的光，仅对谱线内某一特定频率区域有贡献；且各个发光粒子对谱线的贡献作用地位不相同。

而由如此大量的粒子对谱线的不同贡献的整体结果引起的谱线加宽，称作为非均匀加宽。

（1-3-2-9）

gD（ν，ν0）具有高斯函数形式，示于图1-3-1，当ν=ν0时，有最大值

（1-3-2-10）

其线宽度△νD为

（1-3-2-11）

式中M为原子量，m=1.66×10-27M（kg）。

式（1-3-10）也可改写为下述形式：

（1-3-2-12）

gD（ν，ν0）满足归一化条件。

对于气体激光工作物质，主要的加宽类型就是由碰撞引起的均匀加宽和粒子运动产生的多普勒效应引起非均匀加宽，但两者作用均不可忽略时，需同时考虑这两种加宽，从而求得综合加宽线型函数，称为气体激光工作物质的综合加宽线型函数（CombinedBroadeningFunctiontoGasLaserMaterials）。

根据线型函数定义，可求得综合加宽线型函数为

（1-3-2-13）

式中，

为卷积。

在一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽（CombinedBroadeningFunctiontoSolidLaserMaterials）主要是晶格振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽，它们的结构都比较复杂，很难从理论上求得线型函数的具体形式，一般都是通过实验求得它的谱线宽度。

综上所述，激光工作物质的谱线的均匀加宽和非均匀加宽实际上均为综合加宽的一种特例，实际激光工作物质的谱线线型都是多因素的、各种加宽同时存在的综合型加宽线型。

1.3.3相关能级的有效寿命

EffectiveLifetimeoftheLevelsInvolved

微观粒子之间的相互作用、外界对微观粒子的扰动都可能导致粒子状态的改变。

由于大量粒子相互作用的随机性，人们对其规律采用统计的方法。

对于某一类粒子平均保持某个能量状态的时间，称为该类粒子在此能级（能量状态）的寿命。

设一粒子处于J能级，在受到外界影响（含粒子之间的相互作用）时，它向其他N个能级的辐射跃迁几率为

（1-3-3-1）

而向其他N个能级的非辐射跃迁几率为

（1-3-3-2）

则粒子在该能级的有效寿命可表示为

（1-3-3-3）

1.3.4三、四能级激光系统的阈值粒子反转数

ThresholdInversioninThree-andFour-levelLasers（142）

若分别用n0、n1、n2、n3表示激光物质中的相应的E0、E1、E2、E3能级的粒子数密度，则总的粒子数密度n为

（1-3-4-1）

在三能级系统中，E1为基态（groundstate），则总的粒子数密度n可表示为

（1-3-4-2）

通常激光工作物质E3→E2,E3→E1的跃迁非常迅速，n3≈0，所以，三能级系统中

（1-3-4-3）

而粒子数反转条件可表示为

（1-3-4-4）

式中Δn为反转粒子数密度。

将式（1-3-4-3）n1=n-n2带入式（1-3-4-4）得

（1-3-4-5）

激光在阈值时，Δn=0，所以三能级激光系统的阈值条件可表示为

（1-3-4-6）

对于g1=g2的三能级系统（例如，红宝石激光器）激光系统的阈值条件成为

（1-3-4-7）

则激光振荡条件为

（1-3-4-8）

对于四能级激光系统，通常S10非常大，n1≈0，所以有

（1-3-4-9）

则激光振荡条件为

（1-3-4-10）

所以，激光四能级系统的阈值远远小于三能级系统。

1.3.5粒子、光子数变化的速率方程

Rateequationofpouphotonsnumberchange

1.四能级系统速率方程组

RateEquationsGroupofFour-levelLaserSystem

 图1.3.3表示具有四能级系统的激光工作物质的能级简图及主要的跃迁过程，其中参与相互作用的能级被简化为四个，即基态E0，泵浦吸收带E3，激光跃迁上能级E2和下能级E1，为简单起见，假设只有一个泵浦带E3，对于多于一个吸收泵浦带的实际情况，只要从各吸收带到激光上能级E2的弛豫过程是快速的，以下的讨论仍成立。

图中，Wp--单位时间内基态E0上的粒子被泵浦抽运到泵浦带E3上的几率；

          Wij--单位时间内粒子从能级i-->j的受激吸收或辐射跃迁的几率；

        Aij--单位时间内粒子从能级i-->j的自发辐射跃迁的几率；

        Sij--单位时间内粒子从能级i-->j的无辐射跃迁的几率；

          ni--能级Ei上的粒子集居数密度

          n--介质中总的粒子集居数密度

当工作物质受到激励源泵浦后，根据图1-3-3可写出各能级上粒子数密度随时间的变化速率方程为

（1-3-5-1）

四能级系统激光工作物质的能级结构和跃迁具有以下特点：

S32>S30、A30、Wp，A30>S30；A21>>S21；S10很大；E1-E0>>kT，这使得在热平衡时激光下能级E1上的粒子集居数可以忽略。

又根据Einstein三系数的关系和粒子数反转的定义

（1-3-5-2）

各能级上粒子集居数密度随时间的变化的速率方程简化成为

 （1-3-5-3）

现在分析激活腔内的第l个模的光子数密度φl随时间变化的规律，设第l个模的光子的寿命为τRL,激光腔长为L,工作物质长为l，则光子数密度φl随时间变化的速率方程为

（1-3-5-4）

式中忽略了自发辐射的影响。

单模激光腔内光能密度ρ与光子数密度φl之间的关系为

（1-3.-5-5）

2.三能级系统速率方程组

RateEquationsGroupofThree-levelLaserSystem

图1.3.4为三能级系统的激光工作物质粒子能级及主要跃迁过程示意图。

参与相互作用过程的能级数被简化为三个，即泵浦吸收能级E3，激光跃迁上能级E2和下能级E1，其中E1为基态。

同样，假设只有一个泵浦吸收带。

图中所画出的各跃迁过程的物理意义和四能级类似。

三能级系统激光介质的原子能级结构和跃迁过程所具有的特点是S32>>S31，A31、Wp、A21>>S21。

若介质中各能级中的粒子总粒子数密度为n，相应各能级上的粒子集居数密度分别为n1、n2、n3，介质谱线的加宽线型为g（υ，υ0），单模光场的总光子数为Φl，忽略介质内光子数的非激活损耗及其他一些次要的跃迁过程，参照图1-3-4利用四能级中的一些结果，可得三能级系统的速率方程组如下：

（1-3-5-6）

又若定义E1、E2和E3能级的寿命分别为

（1-3-5-7）

式中，τ3粒子在能级E3上的寿命；τ31由E3向E1跃迁所决定的粒子在能级E3上的寿命；τ32由E3向E2无辐射跃迁所决定的粒子在能级E3上的寿命；τ2粒子在能级E2上的寿命。

则可得三能级系统的速率方程组另一种表示形式

（1-3-5-8）

1.3.6激光振荡的条件ConditionofLaserOscillation

1.谐振频率ResonanceFrequency

设λ为光波长，L为腔的几何长度，η为工作物质的折射率，q取一系列整数。

将满足上式的波长以λq来标记，则有

（1-3-6-1）

通常又称为光学谐振腔的驻波条件。

式中，λq=λoq/η为物质中的谐振波长，L′为腔的光学长度。

上式也可以用频率来表示

（1-3-6-2）

第一章激光器件概论上述讨论表明：

腔长L′一定的谐振腔，只有满足式（1-3-6-2）频率的光波才能形成干涉加强，使之形成稳定的谐波振荡。

式（1-3-6-1）、式（1-3-6-2）就是F-P腔中沿轴向传播的平面波的谐振条件。

满足式（1-3-6-1）的波长λ称为腔的谐振波长，而满足式（1-3-6-2）的频率νq称为腔的谐振频率。

式（1-3-6-2）表明，F-P腔中的谐振频率是分立的。

驻波的波节数由q决定。

通常用表征腔内驻波波节数的整数q描述纵向场分布，称为腔的纵模序数。

不同的q值相应于不同的纵模。

在这里所讨论的简化模型中，纵模q单值的决定模的谐振频率。

腔的相邻两个纵模的频率之差Δνq称为纵模间隔。

由式（1-3-6-2）得出：

（1-3-6-3）

可以看出，Δνq与q无关，对一定的光腔为一常数，因而腔的纵模在频率标度上是等距离排列的，如图1.3.5所示，其形状像一把梳子，常常称为“频率梳”。

图中每一个纵模均以具有一定宽度Δνq的谱线表示，称为谱线线宽。

2荧光线宽FluorescenceLinewidth

它是由物质内部结构（电子、原子等粒子运动轨道）所决定的，组成物质的微观粒子（电子、原子、离子或分子）发生辐射跃迁，所发出的辐射波的谱线范围的频率宽度，称为荧光线宽ΔνF。

（1-3-6-4）

式中，ΔνH为均匀加宽所导致的线宽，ΔνI为非均匀加宽所导致的线宽。

3.增益与损耗GainandLoss

增益描述激活物质对光放大的作用，通常用放大系数G来描述。

设在光传播方向上z处的光强为I（z），则增益系数定义为

（1-3-6-5）

所以G（z）表示光通过单位长度激活物质后光强增长率。

显然，dI（z）正比于单位体积激活物质的净受激发射光子数。

由此可见，增益系数G与工作物质反转粒子数密度△n成正比，比例系数就是发射截面σ21（ν，ν0）。

σ21（ν，ν0）又决定于工作物质的自发辐射跃迁几率A21和线型函数g（ν，ν0）。

式中，λ0为介质中给定跃迁的中心波长。

同理可定义，介质的吸收系数与吸收截面间的关系为

（1-3-6-6）

发射截面、吸收截面决定于激光介质跃迁的本身性质，其数值可在激光手册中查到，通常是指峰值，即中心频率所对应的截面值。

同时考虑增益和损耗，则有

（1-3-6-7）

假设有微弱光Is进入一无限长放大器。

起初，光强I（z）将按小信号放大规律

（1-3-6-8）

增长，但随着I（z）的增加，G（I）将由于饱和效应而减小，因而I（z）的增长将逐渐变缓。

当G（I）=α时，I（z）将不再增加而达到一个稳定的极限Im。

根据G（I）=α可求得Im为

即

（1-3-6-9）

可见，Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0无关。

特别是，不管初始I0多么微弱，只要放大器足够长，总能形成确定大小的光强Im，这实际上就是自激振荡的概念。

这就表明，当激光放大器的长度足够大时，它可能成为一个自激振荡器。

实际上，我们并不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定的光放大激光介质的两端放置上节所述的光学谐振腔。

这样，轴向光波模就能在组成谐振腔的反射镜的作用下，在激光介质中往返传播，就等效于增加了放大器长度。

光学谐振腔的这种作用也称为光的反馈，由于在激活腔内总是存在频率在ν0附近的微弱的自发辐射光，它经过多次受激辐射放大，就有可能在轴向光波模上产生光的自激振荡，这就是激光振荡器，简称激光器。

4.激光振荡的条件ConditionofLaserOscillation

一个激光器能够产生自激振荡的条件，即任意小的初始光强I0都能形成确定大小的腔内光强Im的条件，可从式（1-3-6-9）求得

即

（1-3-6-10）

这就是激光器的振荡条件之一。

式中G0为小信号增益系数，α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的总损耗系数。

当G0=α时，称为阈值振荡情况，这时腔内的光强维持在初始光强I0的极其微弱的水平