164 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(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。165 图（ 51） 固体激光器的基本结构示意图1红宝石 (Cr3：A1 2O3) 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. 4l m 处的紫外带 (U 带)和峰值位于0. 55 m 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（5 3）的简化能级模型，其激发态 E3为4F 1和4F 2能级， 激光上、 下能级 E2和 E1分别为2E 和4A 2。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. 6943 m 和 0.6929 m。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. 6943 m)。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，166 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（ 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4F 3/2，激光下能级E2为4I 13/2、4I 11/2，其荧光谱线波长为1. 35 m、1. 06 m，4I 9/2相应于基态E1。由于 1. 06 m 比 1. 35 m 波长的荧光强约4 倍，所以在激光振荡中，将只产生 1. 06 m 的激光。167 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。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：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168 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. 1 1) m，各短脉冲之间的间隔约为(5 10) 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t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couabcLpinthinout tPPPP1211（51）169 和couabcLpinthinout tEEEE 1211（52）式中outP和inP分别为输出和输入功率，outE和inE分别为输出和输入能量，thP和thE分别为阈值功率和能量，p和21分别为激活离子吸收的光频率和激光频率；L为泵浦灯的电光转换效率，c为聚光腔的聚光效率，ab为激活离子的吸收效率，1为激活离子由激发态 E3向激光上能级E2跃迁的量子效率，cou为输出耦合效率。通常，红宝石激光器的总体效率为 (0. 5 1)左右，YAG激光器的总体效率可以做到(1 2)，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： 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。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。170 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. 8 3. 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（ 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、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171 （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，