5.第五章典型激光器介绍讲解

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。

5.1固体激光器

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。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。

5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质

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(5—1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（5—1） 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（5—2）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0.4lm处的紫外带(U带和峰值位于0.55m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（5—3）所示。它属于三能级系统，相应于图（5—3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，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0.6943m

和0.6929m。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(0.6943m。

图(5—2 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”。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（5—3） 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（5—4）所示，在紫外、可见

光和红外区内有几个强吸收带。

图（5—4） 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（5—5）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1.35m、

1.06m，4I9/2相应于基态E1。由于1.06m比1.35m波长的荧光强约4倍，所以在激光振

荡中，将只产生1.06m的激光。

图（5—5） 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。

5.1.2 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体放电灯。

泵浦光源应当满足两个基本条件：①有很高的发光效率；②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（5—6） 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（5—6）所示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。

5.1.3 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，各个短脉冲的持续时间约为(0.11m，各短脉冲之间的间隔约为(510 s。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

（5－1）

和

（5－2）

式中

和能量，

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为激活离子由激

效率，为聚光腔的聚光效率， 为激活离子的吸收效率，

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％。 5.1.4 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：①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。②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。③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（5—7）(a所示的端泵浦方式和图（5—7）(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（5—7） 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（5—8） 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、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（5—8）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。

5.2气体激光器

气体激光器是以气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。

5.2.1 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（5—9）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（5—9） He-Ne激光器的基本结构形式

图（5—10）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21S0、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（5—10） 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 0.6328 2S2P 1.15 3S3P 3.39

现在的商用He-Ne激光器的主要谱线是0.6328m红光，其它还有黄光(0.594m、绿光(0.543m和橙光(0.606m、0.612m 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(0.6328m，1.15m，3.39m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（5—10）可见，0.6328m和3.39m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3.39m谱线的增益系数远大于0.6328m谱线。在较长的0.6328m He-Ne激光器中，虽然介质膜反射镜对0.6328m波长的光具有较高的反射率，仍然会产生较强的3.39m波长的放大的自发辐射或激光，这将使上能级粒子数减少，从而导致0.6328m激光功率下降。为了获得较强的0.6328m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3.39m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（5—11）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（5—11） 输出功率与放电电流的关系曲线

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 Pa·mm。产生这一现象的原因是：一方面压强的下降

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式的要求以及增益、衍射损耗对输出功率的影响。

5.2.2 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10.6m和9.6m。

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1.06m红外光要小得多。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。

1．CO2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（5—12）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10.6m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（5—12） 封离式CO2激光器结构示意图

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（5－13）所示。由图可见，相应于10.6m波长的能级跃迁是(0001 (1000，相应于9.6m 波长的能级跃迁是(0001 (0200。CO2激光器的工作气体除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（5－13） 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（V＝0）激发到高能态(V＝1上(N2分子的相应能级已表示在图（5—13）中。由于N2分子的激发态(V＝1与CO2分子的(0001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10.6m和9.6m两种波长的激光。

由CO2分子能级跃迁图可见，10.6m和9.6m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10.6m波长的跃迁几率比9.6m大，所以通常CO2激光器的输出激光波长为10.6m。

2．CO2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(2030mm时，最佳放电电流为(3050mA；管径为(5090mm时，最佳放电电流为(120150mA。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(1020kV。

(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0.4880m蓝光和0.5145m绿光两条谱线最强。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（5－14） 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，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（5—14）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，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（5—15）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0.4545m、0.4579m、0.4658m、0.4727m、0.4765m、0.4880m、0.4965m、0.5145m、0.5287m。其中，最强

的谱线波长是0.4880m和0.5145m。

图（5—15） 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5－1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，0.4880m和0.5145m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，0.4880m和0.5145m的激光功率最强。

表5－1 Ar＋激光器主要谱线的阈值电流

波长(m 0.4880 0.5145 0.4765 0.4965 0.5017 0.4727

阈值电流(A

4.5 7 8 9 12 14

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（5—16）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（5—16） 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：①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；②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(10－15秒量级；③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；④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。

5.3.1 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，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（5－17）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（5－17） 染料分子能级图 图（5－18） 染料的吸收─荧光光谱图

2．染料分子的光辐射过程

如图（5—18）所示，在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态S0激发到激发态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：①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；②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（5—18）所示）；③由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准连续宽带结构，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10－410－3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。

5.3.2 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，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。

1.闪光灯脉冲泵浦

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10－410－6秒，三重态的影响不能完全消除，还须在染料中添加猝灭剂。

2.激光脉冲泵浦

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(0.337m，红宝石激光器(0.6943m，钕玻璃激光器(1.06m，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m，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。选用泵浦激光的原则是：①泵浦光谱应与染料吸收光谱匹配；②泵浦光功率、能量应满足要求；③泵浦光脉冲宽度应短，足以消除三重态的猝灭作用。图（5—19）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（5—19） 三镜腔染料激光器

5.3.3 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（5－20） 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F－P标准具。

图（5—21）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（5－22）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L＝1.5米，用若丹明6G作激活介质，染料喷膜厚20m，输出镜M1的透过率T＝

6％，用4瓦Ar＋激光泵浦时，可获得500mW的单频输出，谱宽仅为2MHz。

图（5－22）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。 5.4半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。自1962年问世，特别是二十世纪80年代以来，发展极为迅速。它是目前光通信领域内使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面都获得了重要

应用。

半导体激光器是注入式的受激光放大器。虽然它形成激光的必要条件与其它激光器相同，也须满足粒子数反转、谐振等条件，但它的激发机理和前面讨论的几种激光器截然不同。它的电子跃迁是发生在半导体材料导带中的电子态和价带中的空穴态之间，而不象原子、分子、离子激光器那样发生在两个确定的能级之间。半导体材料中也有受激吸收、受激辐射和自发辐射过程。在电流或光的激励下，半导体价带中的电子可以获得能量，跃迁到导带上，在价带中形成了一个空穴，这相当于受激吸收过程。此外，价带中的空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补复合。在复合时，电子把大约等于Eg的能量释放出来，放出一个频率为

的光

子，这相应于自发辐射或受激辐射。显然，如果在半导体中能够实现粒子数反转，使得受激辐射大于受激吸收，就可以实现光放大。进一步，如果谐振腔使光增益大于光损耗，就可以产生激光。为了理解半导体激光器的工作原理，首先需要了解一些半导体物理的有关概念。

5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件

在1.2节中已经讲过，原子的能级对应着原子的不同运动状态。实际上固体中原子之间相距不远，由于原子间的相互作用，能级会分裂。在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，其相互间能量差小到10-22eV数量级。因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图（5-23）。

纯净(本征半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图（5-24）。二者之间是禁带，那时半导体是一个不导电的绝缘体。随着温度的升高，部分电子由于热运动激发到导带中，成为自由电子。同时价带中少了一个电子，产生一个空穴，相当于一个与电子电量相同的正电荷。在外电场的作用下，导带中的电子和价带中的空穴都可以运动而导电，二者都称为载流子。

图（5-23） 固体的能带 图（5-24） 本征半导体的能带结构

热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为

（5－3）

其中为玻尔兹曼常数，为绝对温度，叫做费米能级。费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级。由（5－3）式可以算出，价带中的电子总是比导带中多。在温度趋于绝对零度时，导带被电子占据的几率为零。

在四价的半导体晶体材料中，掺以五价元素取代四价元素在晶体中的位置，这种掺杂的半导体叫做N型半导体。若在四价的半导体晶体材料中掺以三价元素，这种掺杂的半导体叫做P型半导体。N型半导体中，多出来的电子不能参与组成共价键，很容易成为自由电子，这使得在导带的下方靠近导带的地方形成新的能级，称为施主能级。P型半导体中，由于三价元素少一个电子，其中一个共价键出现空穴，电子占据价带的几率增大，这使得在价带的上方靠近价带的地方增加出来新的能级，称为受主能级。

杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图

（5-25）给出了温度极低时的情况。受主能级使费米能级向下移动（图（5-25）(b），施主能级使费米能级向上移动（图（5-25）(d）。重掺杂时费米能级甚至移动到价带（图（5-25）(c）或导带（图（5-25）(e）之中。这里已经假设温度极低，因此重掺杂P型半导体中低于费米能级的能态都被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴。这种情况叫做P型简并半导体。反之，重掺杂N型半导体中低于费米能级的能态都被电子填满，尽管温度极低，导带中也有自由电子。这种情况

叫做N型简并半导体。在非平衡条件下还会出现所

谓“双简并半导体”，这时在半导体中存在两个费米能级，如图（5-25）(f所示（详见下面的讨论）。

图（5-25）费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系

当光照射到图5-25所示的各种半导体时，在a—e的五种情况下，半导体中只有一个费米能级，在它之上没有电子，在它之下已充满电子，因此不会发生电子向没有被电子占据的空态跃迁，而只会将外来光子吸收。在图5-25f所示的情况下有所不

同，两个费米能级使得导带中有自由电子，价带中有空穴。如果外来光子的能量与上能带中电子和下能带中空穴之间的能量差相同，则会诱导导带中电子向价带中空穴跃迁而发出一个同样的光子。当外来光子的能量大于两费米能级

和

之间的

能量差，或者小于导带最下端的能级与价带最上端的能级之间的能量差时，不会诱导受激辐射。所以，在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足

（5－4）

5.4.2 P-N结和粒子数反转

1. P-N结的双简并能带结构

图(5-25a—e的五种情况表明用同一种材料，无论是P型还是N型半导体都只有一个费米能级，不能产生光放大的条件。那么，把P型和N型半导体制作在一起，也就是在P型和N型连结处形成一个P-N结，是否可能在结区产生两个费米能级呢？

未加电场时，由于电子和空穴的扩散运动，在P-N连结处将产生自建场，并引起漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到平衡时，根据热力学原理，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图（5-26）。这时在P区和N区分别出现P型简并和N型简并区，P区的价带顶充满了空穴，而N区的导带底则充满了电子，在结区造成了能带的弯曲。同时，由于自建场的作用，形成接触电位差VD、高度为eVD的势垒。

在

P—N结上加以正向电压V时，外电场部分抵消自建场的作用，使P-N结的势垒下降，N区的费米能级相对于P区升高eV。外加电压使得有正向电流产生，这种现象称为“载流子注入”。在这种非平衡状态下，结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级和，称为准费米能级，如图（5-27）。在结区的一个很薄的作用区，同时有大量的导带电子和价带空穴，形成双简并能带结构。

图（5-26）P—N能带 图（5-27） 正向电压V时形成的双简并能带结构

2. 粒子数反转

外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子。这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁几率与电子在作用区的平均寿命成反比。产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。

考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N区的准费米能级来计算

（5－5）

价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算

价带顶电子占据几率则为

（5－6）

式中

、分别为N区和P区的准费米能级，和

、分别为导带底和价带顶的

能级，分别为导带底和价带顶电子占据的几率。

在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是

这就是说，在结区导带底即上能级的电子占据的几率，大于价带顶即下能级的电子占据的几率，将（5－5）和（5－6）代入该条件并化简得到

（5－7）

因此结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是N区和P区的准费米能级之差大于禁带的宽度。这必须在高掺杂时才能够做到，同时这也是半导体激光器和一般半导体器件的区别所在。在P—N结上加适当大的正向电压生反转，若能量

，使

时，结区粒子数发

满足（5－4）式的光子通过结区，就可以实现光的受激辐射。

上述计算只是一个粗略分析，严格的数理模型请参阅有关半导体激光器的专著。

5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件

1．半导体激光器的基本结构和工作原理

图（5—28）示出了GaAs激光器的结构。它的核心部分是p—n结。p—n结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，该二表面极为光滑，可以直接用作为平行反射镜面，构成谐振腔。上下电极施加正向电压，使结区产生双简并的能带结构及激光工作电流。激光可以从一侧解理面输出，也可由两侧输出。

图（5—28） GaAs激光器的结构

2. 半导体激光器工作的阈值条件

激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件，即谐振腔的双程光放大倍数大于1，或增益系数满足第二章中给出的(2-36式

(2-36

在这里，是半导体激光器谐振腔的内部损耗，为晶体两解理面之间的长度，

和为

解理面的反射率。增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质，满足（1-90）式。结合(1-42和(1-27式，可以得到

(5-8

式中子数反转值。

为结区电子的寿命，其倒数等于在

、

能级之间的爱因斯坦自发辐射系数，

为粒

3. 半导体激光器的阈值电流

半导体激光器作用区的粒子数反转值难于确定，但是可以将它与工作电流联系起来。在低温下，假设在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡，则有

(5-9

式中

和

分别为晶体的宽度和作用区的厚度。代入(5-8式得

(5-10

式中

为通过作用区的电流密度。结合(2-36式并将

近似为1/，可以得到阈值电

流密度的近似表达式为

(5-11

例如，GaAs激光器，

，

，代入上式得到

，，，

。此值与低温时的实测值很接近，但是与室温

下的阈值电流密度(35×104A/cm2 相差很远。因此上述讨论只是近似分析，主要是提供一个分析方法。

5.4.4 同质结和异质结半导体激光器

1. 同质结砷化镓(GaAs激光器的特性 （1）伏安特性

GaAs 激光器的伏安特性与二极管相同，也具有单向导电性，如图（5－29）所示。激光器系正向使用，其电阻主要取决于晶体体电阻和接触电阻，其阻值虽然不大，但因工作电流密度大，不能忽视它的影响。

（2）阈值电流密度

影响阈值的因素有：①晶体的掺杂浓度越大，阈值越小；②谐振腔的损耗越小，阈值越小；③在一定范围内，腔长越长，阈值越低；④温度对阈值电流的影响很大，半导体激光器宜在低温或室温下工作。同质结半导体激光器的阈值电流密度很高．达(3×1045×104A/cm2。这样高的电流密度，将使器件发热。故同质结半导体激光器在室温下只能低重复率(几KHz一几十KHz下脉冲工作。

图（5—29） GaAs激光器的伏安特性 图（5—30） 激光束的空间分布

（3）方向性

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角很大，可达2030。在结的水平面内，发散角约为几度。图（5—30）给出了半导体激光束的空间分布示意图。

（4）光谱特性

图（5-31）是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般

为几百埃，图(b是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。半导体激光的谱宽尽管比荧光窄得多，但比气体和固体激光器要宽得多。随着新器件的出现，谱宽已有所改善，如分布反馈式激光器的线宽，只有1埃左右。

图（5—31） GaAs激光器的发射光谱 (a 低于阈值 (b 高于阈值

（5）转换效率

注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率效率量度。

① 外微分量子效率

外微分量子效率定义为

（5－12）

式中，P是输出功率，Pth是阈值发射光功率，

为发射光子能量，i是正向电流，ith

是正向阈值电流，e为电子电量。由于P比Pth大得多，所以上式可改写为

（5－13）

式中V是正向偏压。由该式可见，中阈值以上的线性范围内的斜率。 ② 功率效率

实际上对应于输出功率与正向电流的关系曲线

功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比，即

（5－14）

式中，V是p-n结上的电压降，RS是激光器串联电阻(包括材料电阻和接触电阻。由于激光器的工作电流较大，电阻功耗很大，所以在室温下的功率效率只有百分之几。 2．异质结半导体激光器

由不同材料的p型半导体和n型半导体构成的p-n结叫异质结。为了克服同质结半导体激光器的缺点，提高功率和效率，降低阈值电流，研制出了异质结半导体激光器。

(1单异质结半导体激光器

单异质结器件结构如图（5-32）(b所示，单异质结是由p-GaAs与p-GaAlAs形成的。电子由n区注入p-GaAs，由于异质结高势垒的限制，激活区厚度d2，同时，因p-GaAlAs折射率小，“光波导效应”显著，将光波传输限制在激活区内。这两个因素使得单异质结激光器的阈值电流密度降低了12个数量级，约8000A/cm2。

(2双异质结半导体激光器

双异质结半导体激光器指的是在激活区两侧，有两个异质结，如图（5－32）(c所示。

图（5－32） 同质结、异质结示意图

双异质结激光器激活区内注入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d0.5。同时，由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应”非常显著，使光波传输损耗大大减小。所以，双异质结激光器的阈值电流密度更低，可降到102103A/cm2。室温下可获得几毫瓦至几十毫瓦的连续功率输出。

5.5其它激光器

以上介绍了固体、气体、半导体及染料激光器，它们都是一些发展得较早和较为成熟的激光器。除此而外，还有准分子激光器、自由电子激光器、化学激光器、光纤激光器等一些新发展起来的且有较好应用前景的激光器件。本节只对这些激光器作扼要介绍。

5.5.1准分子激光器

常态下为原子，在激发态下能够暂时结合成的不稳定分子，叫做受激准分子，简称为准分子。准分子激光器的工作物质是准分子气体。

自1970年第一台准分子激光器问世以来，人们研制成功了多种准分子激光器，并在同位素分离、光化学、泵浦染料激光器等方面做出了贡献。在激光武器研制方面，它也是很有发展前途的激光器之一。准分子激光器治疗近视眼还取得了很好的经济和社会效益。迄今，准分子激光器越来越多，激励方式也不断改进，功率和效率不断提高。脉冲输出能量已达百焦耳量级，脉冲峰值功率达千瓦以上，重复率达200次/秒，光束发散角0.15mrad。 准分子激光器的特点为：

(1 能级结构有明显的特点。如图（5—33）所示，A表示较高激发态，B表示激光上能级，C表示基态。基态能级为激光下能级。由于基态为排斥态或弱束缚态，很不稳定，它沿着自己的位能曲线C极快地向核间距R增大的方向移动，直至最终离解成独立的原子，基态分子也就消失。基态分子的寿命极短，为10－13s量级。激发态为束缚态，其能级寿命为10－8s量级，比基态稳定，因此在核间距R0处很容易形成B、C间的粒子数反转分布。

图（5—33） 准分子的能级结构

准分子从激发态向基态跃迁可以说是从束缚态向自由态(弱束缚态或排斥态跃迁。这种跃迁，由于下能级近似是空的，因此不存在低能级被充满而终止反转的问题。也就是说准分子跃迁不是“自终止”型跃迁。只要有—定数量的准分子存在，反转就存在，故容易积累相当数量的粒子数，并有可能获得较大的粒子反转数和较大增益。 (2由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。

(3由于激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。

(4由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。 (5由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。

由于激光上能级寿命很短，为了实现粒子数反转，要求泵浦脉冲上升时间短。因此，对于工作于短波段紫外激光器的准分子系统要实现有效的泵浦，不仅要求有大的泵浦功率，而且要求有快的上升时间。为了满足对泵浦源的要求，人们采取了很多泵浦方式，常用的有下面两种： (1 电子束泵浦。

用电子枪产生高能量、快上升时间的电子束脉冲，将电子束射向准分子区，对激活介质进行激发。用电子束泵浦又可分为三种形式：①横向泵浦，其电子束进行方向与激光光轴方向垂直。这种方式结构简单、体积小，其缺点是电子束能量利用率低。②纵向泵浦，其电子束方向与激光光轴平行。纵向泵浦能量利用率得到改善，但需要增加用来对电子束导向的庞大的聚束磁场。③同轴电子束泵浦，组成电子枪的阴极和阳极做成两个不同直径的圆筒，阴极外筒均匀地向内筒阳极发射电子并穿过阳极簿箔(用铝箔或钡箔做成向中心轴会聚。阳极筒内充满激活介质，光轴与阳极筒、阴极筒同轴。这种方式能有效地利用电子束能量。电子束泵浦的优点是产生的泵浦脉冲上升时间快，单脉冲能量大，可大面积泵浦。缺点是要求庞大的电子束源，结构复杂，造价高，制造难度大。特别是作为阳极的箔片，它吸收电子束能量而发热常被击穿，造成真空室漏气，因此不利高重复率工作。 (2 快速放电泵浦

快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein电路。它具有体积小、结构简单、可高重频工作等优点，得到广泛应用。为了提高放电的稳定性，可采用电子束控制放电泵浦系统。激发激活粒子主要靠快速放电，电子束只控制放电，使放电均匀、可靠。这种电路对电子束的功率要求低，可减小体积。但与其他快速放电方法相比，这类泵浦方法的缺点是结构复杂，成本高。为了获得更大体积的均匀放电，还可采用预电离技术。

5.5.2自由电子激光器

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自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。从本质上看，自由电子激光器是一种把相对论电子束的动能转变成相干辐射能的装置。

自由电子激光器具有下述特点：①输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可从厘米波一直调谐到真空紫外，甚至X光的波段，在目前电子加速器可利用的能量范围内，已实现的调谐范围是100nm1mm；②由于自由电子激光器的工作物质是电子束本身，而不是固体、液体或气体等物质，因而它不会出现自聚焦、自击穿等非线性光学损伤现象，只要电子能量足够大，就可以获得极高的光功率输出；③具有极高的能量转换效率，理论上可高达50％。

自由电子受激辐射的原理早在1951年莫茨(Motz就提出过，他指出运动速度接近光速的电子(称为相对论电子通过周期变化的磁场或电场时会产生相干辐射，辐射的频率取决于电子

的速度。但是直到1974年才首次在毫米波段实现受激辐射，1976年在红外波段(10m实现受激辐射之后，大大推动了对自由电子受激辐射的进一步研究。可以预料，这种高功率、宽调谐激光器将在激光分离同位素、激光核聚变、光化学、激光光谱和激光武器等方面有着重大的应用前景。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。

目前世界上有十余个大型实验室在研究自由电子激光器，其中美国斯坦福大学研究小组的成绩较佳，它们利用直线加速器产生了能量为43MeV的电子束，较稳定地获得了波长为3.3m、峰值功率达1.8×105W、平均功率为7W的激光输出，转换效率约0.2％；洛斯阿拉莫斯的研究小组建成了一台可以在911m范围内可调谐的自由电子激光器，平均功率达3kW，脉冲宽度100s，转换效率为0.4％。如何提高自由电子激光器的能量转换效率，是自由电子激光器研究的主要课题。

5.5.3化学激光器

化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。由于化学激光器在激励方式等方面的独特性，通常把它们归类为一个单独的激光器分支。

化学激光器具有如下三方面的特点：

（1）将化学能直接转换成激光。化学激光器与通常的固体、气体、液体或半导体激光器不同，原则上不需要外加的电源或光源作为激发源，而是利用工作物质本身化学反应中释放出来的能量作为激发能。现有的大部分化学激光器工作时，虽然也要用闪光灯或放电方式供给一部分能量，但这仅是为了引发化学反应。因此，在某些特殊的应用场合，例如在高山、野外缺乏电源的地方，化学激光器就展示出独特的优势。

（2）输出的激光波长丰富。化学激光器的工作物质可能是原来参加化学反应的成分，也可能是反应过程中新形成的原子、分子、离子或不稳定的多原子自由基等。通过化学反应能发射激光的工作物质也是多种多样的，因此，化学激光器输出的激光波长相当丰富，从紫外到红外，

一直进入微米波段。

（3）高功率、高能量激光输出。由于在化学反应中蕴藏着巨大的能量，因此化学激光器是最有希望获得巨大功率输出的一种激光器。例如氟化氢化学激光器，每公斤氢和氟作用就能产生1.3×107焦耳的能量。

化学激光器在许多领域中具有广阔的应用前景，特别是在要求大功率的场合，如同位素分离、激光武器等方面。利用氟化氘(DF激光器击落靶机已见报导。由于应用的需要，化学激光器本身在种类上、结构上、性能上也在不断的发展和完善之中。

另外还有光纤激光器，主要用于光通讯领域，将在第九章中介绍。

思考练习题5

1．试列出本章所讨论的几种激光器的下述性能：激活粒子、工作中心波长、工作能级系统、常用泵浦方式和常用运转方式。

2．激光器的激励方式有哪些？固体、气体、染料、半导体激光器为什么采取各自不同的激励方式？

3．比较YAG、红宝石两种工作物质的特性。说明为什么YAG可以连续工作，而在室温下，红宝石激光器只能工作于脉冲状态？

4．固体激光器的转换效率为什么低？与此相比，激光二极管泵浦固体激光器有什么特点?其结构将发生怎样的变化？

5．与气体、染料激光器相比较，固体激光器的输出能量、功率为什么很大？ 6．在He-Ne、CO2激光器中，充以He、Ne气的作用是什么？ 7．气体激光器的光束质量为什么好？

8．什么是谱线竞争？He-Ne、CO2、Ar＋激光器中的主要竞争谱线有哪些？怎样保证单谱线工作？

9．与其它激光器相比，染料激光器的激光工作过程有什么特点？三重态对染料激光器的激光工作有什么影响？

10．染料激光器的调谐作用机理是什么?激光器是怎样实现调谐的？

11．半导体激光器的结构与p-n结二极管有什么异同?它的激光过程与其它激光器有什么特点？

12．半导体激光器实现光放大及粒子数反转的条件是什么？

13．为什么目前多采用双异质结半导体激光器？它与同质结激光器相比，有什么特点？ 14．激光二极管和发光二极管的工作特性有什么异同？

15．与气体激光器相比较，半导体激光器的激光输出空间分布为什么较差？在使用时应采取什么措施？

16．准分子激光器、化学激光器及自由电子激光器有哪些特点？

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