根据泵浦源种类和泵浦方式分类根据泵浦源种类和泵浦方式分类注入式激光器注入式激光器 光泵激光器光泵激光器 电子束泵浦电子束泵浦 激光器激光器半导体激光器半导体激光器 灯泵激光器灯泵激光器 激光泵浦激光器激光泵浦激光器 LD泵浦激光器泵浦激光器 固体激固体激 光器光器放电泵浦激光器放电泵浦激光器 电子束泵浦激光器电子束泵浦激光器 微波泵浦激光器微波泵浦激光器 气体激光器气体激光器 根据工作物质分类根据工作物质分类 固体激光固体激光 器器 ：红宝石，红宝石，Nd:YAG，钕玻璃钕玻璃气体激光器气体激光器 ：HeNe，CO2，离子激光器离子激光器液体激光器液体激光器 ：染料激光器染料激光器半导体激光器半导体激光器 ：同质结，异质结，量子阱：同质结，异质结，量子阱第八章：典型激光器第八章：典型激光器 根据谐振腔类型分类：根据谐振腔类型分类：FP腔，平凹腔，聚焦腔，折叠腔，环形腔等。腔，平凹腔，聚焦腔，折叠腔，环形腔等。根据激光器的输出波长分类：根据激光器的输出波长分类：中红外激光器，近红外激光器，可见光激光器，中红外激光器，近红外激光器，可见光激光器，红光激光器，绿光激光器，蓝光激光器，红光激光器，绿光激光器，蓝光激光器，紫外激光器，深紫外激光器，紫外激光器，深紫外激光器，X射线激光器射线激光器根据激光器结构根据激光器结构（半导体激光器）（半导体激光器）分类：分类：同质结激光器，单异质结激光器，双异质结激光器，同质结激光器，单异质结激光器，双异质结激光器，量子阱激光器，量子线激光器，量子点激光器量子阱激光器，量子线激光器，量子点激光器固体激光工作物质：固体激光工作物质：由由基质材料基质材料（晶体或玻璃）和少量（晶体或玻璃）和少量掺杂掺杂离子离子（激活粒子）两部分组成（激活粒子）两部分组成固体激光器分固体激光器分类类晶体激光器：晶体激光器：红宝石，钇铝石榴石（红宝石，钇铝石榴石（YAG）非晶体激光器：非晶体激光器：玻璃、塑料玻璃、塑料目前最有实用价值的固体激光工作物质：目前最有实用价值的固体激光工作物质： 红宝石晶体，钕玻璃，掺钕钇铝石榴石晶体，掺钛蓝宝红宝石晶体，钕玻璃，掺钕钇铝石榴石晶体，掺钛蓝宝石晶体。石晶体。8.1 固体激光器固体激光器常用的激活粒子有：常用的激活粒子有：三价稀土金属离子：钕三价稀土金属离子：钕(Nd)、铒、铒(Er)、钬、钬(HO)离子等离子等.过渡金属离子：铬（过渡金属离子：铬（Cr3+）离子、钛（）离子、钛（Ti3+）离子等。）离子等。特点：特点：输出能量大、峰值功率高、结构紧凑，可实现调输出能量大、峰值功率高、结构紧凑，可实现调Q Q或锁或锁模输出。模输出。8.1.1 红宝石（红宝石（Cr3+：Al2O3)激光器激光器 红红宝宝石石是是在在三三氧氧化化二二铝铝(A12O3)中中掺掺入入少少量量的的氧氧化化铬铬(Cr2O3)生生长长成成的的晶晶体体（重重量量比比为为0.03%0.07%)，铬铬离离子子浓浓度度约约为为1019/cm3，吸吸收收光光谱谱特特性性主主要要取取决决于于铬铬离离子子(Cr3)，各各向异性晶体，具有双折射。向异性晶体，具有双折射。红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的吸收光谱U带：带：360450nm （峰（峰410nm）Y带：带：510600nm （峰（峰550nm） 入射光偏振方向平行或垂直光轴，吸收谱略有差别。入射光偏振方向平行或垂直光轴，吸收谱略有差别。1. 发光机理发光机理 红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构发射谱：发射谱：R1线：线：694.3n（强）（强）R2线：线：692.9n（弱）（弱） 上的粒子数占上的粒子数占47%， 上的粒子数占上的粒子数占53%，而，而且且 与与 之间存在快速弛之间存在快速弛豫，所以豫，所以R1线比线比R2线优先线优先振荡。振荡。R1线一旦振荡，线一旦振荡， 上的粒子及时补充到上的粒子及时补充到 上，上，因此不形成因此不形成R2线振荡输出。线振荡输出。2. 输出特性输出特性（1）三能级系统，阈值泵浦能量高，以）三能级系统，阈值泵浦能量高，以脉冲方式脉冲方式运转运转 （6）调）调Q巨脉冲：峰值功率几十巨脉冲：峰值功率几十MW，脉宽几十，脉宽几十ns。 （2）温度效应明显（温度升高，移向长波，线宽增加）。温）温度效应明显（温度升高，移向长波，线宽增加）。温度增加度增加10度，波长变化度，波长变化0.07nm。 （3）荧光线宽较大，有）荧光线宽较大，有100多个纵模振荡，单色性差。多个纵模振荡，单色性差。（4）激光上能级寿命长（）激光上能级寿命长（3ms），有利于储能，输出能量大。），有利于储能，输出能量大。（5）激光器输出红光，适合应用需要。）激光器输出红光，适合应用需要。1. 掺钕钇铝石榴石激光器（掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG） 将将一一定定比比例例的的A12O3、Y2O3，和和 Nd2O3 在在单单晶晶炉炉中中进进行行熔熔化化结结晶晶而而成成。 Nd2O3的的重重量量比比为为0.725%（掺掺入入约约1%原原子子百百分分比比的的钕钕离离子子），晶晶体体呈呈淡淡紫紫色色，它它的的激激活活粒粒子子是是钕钕离离子子(Nd3)，亚稳态寿命亚稳态寿命230微秒，有多个激发态，有多个激光下能级。微秒，有多个激发态，有多个激光下能级。吸吸收收谱谱：5条条吸吸收收带带，带带宽宽约约30nm。0.53m， 0.58m， 0.75m，0.81m， 0.87m；以；以0.75m， 0.81m为最强。为最强。8.1.2 钕激光器钕激光器（1）发光机理）发光机理基态：基态：（中心波长（中心波长810nm和和750nm，带宽带宽30nm）泵浦泵浦（亚稳态）（亚稳态）无辐射跃迁无辐射跃迁（很快）（很快）1064nm四能级四能级1350nm四能级四能级三能级三能级946nmE2E2 （2） 输出特性输出特性 四能级系统，阈值能量低，可连续运转；四能级系统，阈值能量低，可连续运转； 导热率高，易于散热；导热率高，易于散热； 尺寸长，均匀性好，易加工，价格低；尺寸长，均匀性好，易加工，价格低； 效率高：效率高：0.4%2.5%。 可连续运转、脉冲运转、调可连续运转、脉冲运转、调Q Q（纳秒脉冲）、锁模（皮秒脉（纳秒脉冲）、锁模（皮秒脉冲）。冲）。发发射射谱谱：最最强强 1.064m ， 次次强强 0.946m ，最最弱弱 1.35 m ，强强度度比比为为0.6：0.25：0.14，还还有有其其它它谱谱线线。存存在在谱谱线线竞竞争争，必须进行谱线选择。必须进行谱线选择。基质：基质：硅酸盐或磷酸盐玻璃硅酸盐或磷酸盐玻璃掺杂：掺杂： ，浓度，浓度3%缺点：导热率低，振荡阈值大于缺点：导热率低，振荡阈值大于Nd:YAG，不适于连续或高，不适于连续或高重复频率运转。重复频率运转。2. 钕玻璃钕玻璃吸收谱：吸收谱：类似类似Nd:YAG，但吸收谱更宽。，但吸收谱更宽。发发射射谱谱：0.92 m ，1.062 m ，1.37 m，荧荧光光线线宽宽大大（30nm），），锁模超短脉冲：脉宽锁模超短脉冲：脉宽优优点点：大大尺尺寸寸（直直径径10cm，长长度度1m），玻玻璃璃各各项项同同性性，均均匀匀性性好好，亚亚稳稳态态寿寿命命长长（600900s），储储能能大大。可可用用于于大大能量大功率激光器。能量大功率激光器。基质：基质： 晶体晶体掺杂：掺杂： （原子百分比约为（原子百分比约为0.1）自锁模超短光脉冲：脉宽自锁模超短光脉冲：脉宽8.1.3. 8.1.3. 掺钛蓝宝石掺钛蓝宝石（TiTi：AlAl2 2O O3 3） 吸吸收收带带400-600nm，可可用用蓝蓝绿绿光光泵泵浦浦。发发射射谱谱范范围围660-1180nm，最最大大增增益益在在790nm。可可做做成成可可调调谐谐激激光光器器或或超超短短脉脉冲激光器冲激光器。其它工作物质其它工作物质（1）掺钕钒酸钇晶体）掺钕钒酸钇晶体（Nd：YVO4) 受激辐射截面大（受激辐射截面大（YAG的的5倍）、对倍）、对809nm有很强吸收（适合有很强吸收（适合LD抽运）抽运），有，有1.064m 、1.342m 、0.942m三条主要谱线。三条主要谱线。（2）掺铒钇铝石榴石）掺铒钇铝石榴石（Er：YAG）：有）：有2.94m和和1.6m两条主要谱线两条主要谱线8.1.4 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统 固固体体激激光光工工作作物物质质一一般般都都采采用用光光泵泵浦浦。以以前前的的泵泵浦浦光光源源多多为为工工作作于于弧弧光光放放电电状状态态的的惰惰性性气气体体放放电电灯灯（氙氙灯灯或或氪氪灯灯），现在大多采用现在大多采用LDLD泵浦。泵浦。1. 1. 灯泵浦灯泵浦 泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工般都加工成圆柱棒形状，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。作物质上，必须采用聚光腔。 椭椭圆圆柱柱聚聚光光腔腔是是小小型型固固体体激激光光器器中中最最常常采采用用的的聚聚光光腔腔，它它的的内内表表面面被被抛抛光光成成镜镜面面并并镀镀膜膜，其其横横截截面面是是一一个个椭椭圆圆。也也有双灯一棒、四灯一棒。有双灯一棒、四灯一棒。 灯泵浦灯泵浦脉冲激光器：脉冲激光器：脉冲氙灯脉冲氙灯连续激光器：连续激光器：氪灯，碘钨灯氪灯，碘钨灯椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔惰性气体放电灯的辐射光谱中有连续光谱和线状光谱成分。惰性气体放电灯的辐射光谱中有连续光谱和线状光谱成分。 连续光谱连续光谱：电子和正离子复合发光。：电子和正离子复合发光。 线状光谱线状光谱：被激发的原子回到基态的辐射发光。：被激发的原子回到基态的辐射发光。在连续弧光灯（如氪灯）的光谱中，线状光谱占主要；在脉在连续弧光灯（如氪灯）的光谱中，线状光谱占主要；在脉冲灯的光谱中，连续光谱占主要。二者之比取决于放电电流冲灯的光谱中，连续光谱占主要。二者之比取决于放电电流密度、充气压、充气种类。密度、充气压、充气种类。连续氪灯的辐射光谱连续氪灯的辐射光谱脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱 固体激光器的泵浦系统还要固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光冷却和滤光。常用的冷却方式。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。有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。 灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱，或者冷却水中加灯和棒之间插入滤光器件滤去紫外光谱，或者冷却水中加重铬酸钾。重铬酸钾。 聚光腔内表面镀反射或漫射膜聚光腔内表面镀反射或漫射膜总体效率总体效率 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( (用功率描述用功率描述) )和脉冲激光器和脉冲激光器( (用能量描述用能量描述) )分别表示为：分别表示为： 半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比半导体激光泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有很多优点：有很多优点： 光谱匹配好，能量转换效率高；热效应小，光束空间质量光谱匹配好，能量转换效率高；热效应小，光束空间质量好；寿命长，可靠性高；体积小，结构紧凑。好；寿命长，可靠性高；体积小，结构紧凑。 半半导导体体激激光光器器泵泵浦浦固固体体激激光光器器的的结结构构，有有直直接接端端面面泵泵浦浦、光光纤纤耦耦合合端端面面泵泵浦浦和和侧侧泵泵浦浦方方式式。端端泵泵适适合合中中小小功功率率激激光光器器，侧泵适合大功率激光器。侧泵适合大功率激光器。 2. 2. 半导体激光二极管泵浦（半导体激光二极管泵浦（DPSSL)DPSSL)直接端面泵浦直接端面泵浦光纤耦合端面泵浦光纤耦合端面泵浦侧泵浦方式侧泵浦方式激光工作物质：激光工作物质：气体的原子、分子、离子或准分子。气体的原子、分子、离子或准分子。泵浦方式：泵浦方式：气体放电泵浦气体放电泵浦激光工作方式：激光工作方式：多数以四能级方式工作多数以四能级方式工作（1）谱线范围宽，有上百种气体可产生激光，谱线有上万条。）谱线范围宽，有上百种气体可产生激光，谱线有上万条。波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。波长覆盖从亚毫米波到真空紫外。（2）光束质量高，单色性、方向性、相关性均优于其它激光）光束质量高，单色性、方向性、相关性均优于其它激光器。器。（3）频率稳定，易获得连续的激光和脉冲输出。）频率稳定，易获得连续的激光和脉冲输出。（4）有些气体激光器输出功率很大，如二氧化碳激光器达到）有些气体激光器输出功率很大，如二氧化碳激光器达到数十万瓦。数十万瓦。气体激光器突出优点：气体激光器突出优点：激光器装置：激光器装置：激光管（放电管），电极，光谐振腔激光管（放电管），电极，光谐振腔8.2 气体激光器气体激光器缺点：缺点：体积庞大。体积庞大。EF段段为为正正常常辉辉光光放放电电，电电流流增增加加，管管压压几几乎乎不不变变，氦氦氖氖激激光光器器工工作作于于该该区区；GH段段为为弧弧光光放放电电, 氩氩离离子子激激光光器器工工作作于于该段区。该段区。8.2.1 泵浦方式泵浦方式 一般采用气体泵浦方式，即在高电压作用下，气体分子一般采用气体泵浦方式，即在高电压作用下，气体分子（原子）电离而导电。高速电子对发光粒子直接碰撞激发，（原子）电离而导电。高速电子对发光粒子直接碰撞激发，或与辅助气体原子碰撞激发，然后辅助气体原子与发光粒子或与辅助气体原子碰撞激发，然后辅助气体原子与发光粒子发生发生能量的共振转移能量的共振转移。1.1.腔结构腔结构8.2.2 He-Ne激光器激光器放电管：放电管：有毛细管和储气管组成，放电只在毛细管进行，储有毛细管和储气管组成，放电只在毛细管进行，储气管与毛细管相通，不断更新气体。气管与毛细管相通，不断更新气体。电极：电极：阳极采用钨棒，阴极采用电子发射率高的铝及其合金，阳极采用钨棒，阴极采用电子发射率高的铝及其合金，阴极做出圆筒状，再用钨棒引导管外。阴极做出圆筒状，再用钨棒引导管外。谐振腔谐振腔：一般采用平凹腔，平面镜透过率：一般采用平凹腔，平面镜透过率12%。有内腔式、。有内腔式、外腔式、半内腔式三种。外腔式、半内腔式三种。2.2.发光原理发光原理（1）He与与Ne的能级结构的能级结构 He原原子子核核外外有有2个个电电子子，其其基基态态的的电电子子组组态态是是1S1S，能能级级符符号号 ；当当1个个电电子子被被激激发发到到2S电电子子层层，即即形形成成He的的第第一一激激发发态态，电电子子组组态态1S2S，这这2个个电电子子的的LS耦耦合合，形形成成第第一一激激发发态态的两个亚能级的两个亚能级 左上角符号左上角符号3表示三重结构，右下角表示表示三重结构，右下角表示j量子数。量子数。 Ne原原子子核核外外有有10个个电电子子，其其电电子子组组态态为为 ，原原子子态态符符号号为为 ，基基态态以以上上的的激激发发态态是是2P壳壳层层中中的的1个个电电子子受受激激跃跃迁迁形形成成的的，原原壳壳层层留留下下5个个2P电电子子。几几个个激激发发态态的的电子组态为：电子组态为： 2P壳层中的壳层中的5个个P电子属于同科电子，只构成电子属于同科电子，只构成1个个2P态，相态，相当于当于1个个P电子，所以上述几种电子态可归属称二种情况：电子，所以上述几种电子态可归属称二种情况：1个个P电子与电子与S电子耦合电子耦合1个个S电子与电子与S电子耦合电子耦合根据根据LS耦合原则：耦合原则：耦合成四个能级；耦合成四个能级；耦合成耦合成10个能级。个能级。通常采用帕通常采用帕邢符号表示：邢符号表示：He-NeHe-Ne激光器是典型的激光器是典型的四能级系统，其激光谱四能级系统，其激光谱线主要有三条线主要有三条 : :3S22P4 0. .6328 m2S22P4 1. .15 m3S23P4 3. .39 m 激激活活介介质质按按He:NeHe:Ne=10:1=10:17:17:1填填充充，氖氖为为发发光光气气体体；氦氦为为辅辅助气体助气体，用来改善放电特性，提高氖原子的反转粒子数密度。，用来改善放电特性，提高氖原子的反转粒子数密度。（1 1）电子激发）电子激发高速电子与基态氦原子碰撞，氦原子被激发到二个亚稳态。高速电子与基态氦原子碰撞，氦原子被激发到二个亚稳态。（2 2）共振能量转移）共振能量转移由于氦原子与氖原子的激发态能级很接近，所以共振能量转由于氦原子与氖原子的激发态能级很接近，所以共振能量转移效率很高。移效率很高。（3 3）氖原子的消激发）氖原子的消激发 氖氖原原子子激激光光下下能能级级2P2P4 4和和3P3P4 4返返回回基基态态属属于于禁禁戒戒跃跃迁迁，所所以以只只能能通通过过自自发发辐辐射射先先到到1S1S态态，然然后后扩扩散散到到管管壁壁附附近近，与与管管壁壁碰碰撞撞回回到到基基态态。要要加加速速1S1S态态氖氖原原子子的的排排空空，毛毛细细管管要要细细。小小信信号号增增益系数的最佳值为：益系数的最佳值为：2. 2. HeHe- -NeNe激光器的输出特性激光器的输出特性 (1) (1) 输出功率特性输出功率特性 : : HeHe-Ne-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。激光器的放电电流对输出功率影响很大。输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。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。 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。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。 放放电电毛毛细细管管的的直直径径为为d d，充充气气压压强强为为p p，则则存存在在一一个个使使输输出出功功率率最最大大的的最最佳佳pdpd值。值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d d成反比。成反比。 输出功率与充气总气压的关系输出功率与充气总气压的关系1托托=133.2Pa(2) (2) 谱谱线线竞竞争争: : 0 0.6328.6328 m m，1.151.15 m m，3.393.39 m m哪哪一一条条谱谱线线起起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。有三种方法：振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。有三种方法：色散法色散法：在腔内插入棱镜；：在腔内插入棱镜；吸吸收收法法：在在腔腔内内插插入入对对3.393.39 m m 光光有有强强吸吸收收，而而对对0.63280.6328 m m光光 透明的甲烷。透明的甲烷。外加非均匀磁场：外加非均匀磁场：使谱线加宽，增益系数下降，使谱线加宽，增益系数下降， 3.393.39 m m 光光 的增益下降最多。的增益下降最多。3.3.激光器输出激光器输出放电管长放电管长 输出功率输出功率实用上的输出功率限度：实用上的输出功率限度：100mW100mW左右左右放电管内径：放电管内径：1-1-几厘米几厘米 放电管长：放电管长：1-1-几米几米 基本结构基本结构工工作作物物质质为为二二氧氧化化碳碳，加加入入氮氮气气、氦氦气气作作为为辅辅助助气气体体，以以提提高输出功率和效率。高输出功率和效率。有有二二个个显显著著特特点点：输输出出功功率率和和能能量量相相当当大大，既既能能连连续续工工作作，又又能能脉脉冲冲工工作作，连连续续工工作作输输出出功功率率达达到到几几十十万万瓦瓦，脉脉冲冲工工作作脉脉宽宽大大ns量量级级，峰峰值值功功率率达达TW，能能量量转转换换效效率率达达2025%；输输出出波波长长分分布布在在918 m，已已观观察察到到上上百百条条谱谱线线，其其中中10.6 m最最重要。重要。构构成成CO2激激光光器器谐谐振振腔腔的的两两个个反反射射镜镜放放置置在在可可供供调调节节的的腔腔片片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 8.2.3 激光器激光器1. 发光原理发光原理有有对称振动、形变振动、反对称振动对称振动、形变振动、反对称振动三种形式。三种形式。激发过程激发过程（1 1）上上能能级级的的激激发发：电电子子与与COCO2 2分分子子直直接接碰碰撞撞激激发发；高高速速电电子与子与N N2 2分子碰撞，分子碰撞， N N2 2再与基态的再与基态的COCO2 2分子发生能量的共振转移。分子发生能量的共振转移。（2 2）发发射射激激光光：上上能能级级的的COCO2 2分分子子向向不不同同的的下下能能级级跃跃迁迁，产产生生10.610.6 m m和和9.69.6 m m的的激激光光，存存在在谱谱线线竞竞争争，但但10.610.6 m m的的跃跃迁几率大。迁几率大。（3 3）下下能能级级的的弛弛豫豫：从从激激光光下下能能级级到到基基态态的的辐辐射射跃跃迁迁是是禁禁戒戒的的，只只能能分分两两步步辐辐射射跃跃迁迁到到基基态态，但但辐辐射射跃跃迁迁几几率率很很小小。下下能能级级的的弛弛豫豫主主要要是是靠靠碰碰撞撞跃跃迁迁，分分两两步步来来实实现现。下下能能级级的的COCO2 2分分子子与与基基态态COCO2 2分分子子碰碰撞撞回回到到010010能能级级，然然后后再再与与基基态态HeHe原原子子碰碰撞撞回回到到基基态态。HeHe气气还还有有很很好好的的导导热热性性质质，可可降降低低混混合合气气体体的温度。的温度。2. 2. 输出特性输出特性 (1) 放电特性放电特性 相相应应于于COCO2 2激激光光器器的的输输出出功功率率，其其放放电电电电流流有有一一个个最最佳佳值值。COCO2 2激激光光器器的的最最佳佳放放电电电电流流与与放放电电管管的的直直径径，管管内内总总气气压压，以以及气体混合比有关。及气体混合比有关。 (2) 温度效应温度效应 小信号增益与气体温度、小信号增益与气体温度、电子密度的关系电子密度的关系COCO2 2激激光光器器将将有有6060以以上上的的能能量量转转换换为为气气体体的的热热能能，使使温温度度升升高高。而而气气体体温温度度的的升升高高，将将引引起起激激光光上上能能级级的的消消激激发发和和激激光光下下能能级级的的热热激激发发，这这都都会会使使粒粒子子反反转转数数减减少少。并并且且，气气体体温温度度的的升升高高，将将使使谱谱线线展展宽宽，导导致致增增益益系系数数下下降降。特特别别是是，气气体体温温度度的的升升高高，还还将将引引起起COCO2 2分分子子的的分分解解，降降低低放放电电管管内的内的COCO2 2分子浓度。分子浓度。 放电管内径：放电管内径：3-5mm放电管长：放电管长： 几十厘米几十厘米1. 1. 基本结构基本结构 惰惰性性气气体体的的典典型型代代表表，大大电电流流放放电电激激励励；激激光光谱谱线线非非常常丰丰富富，在在可可见见光光区区和和紫紫外外光光区区，488nm和和514.5nm最最强强；既既可可以以连连续续工工作作，也也可可以以脉脉冲冲工工作作，连连续续工工作作功功率率达达几几十十W；能能量转换效率较低，最高达量转换效率较低，最高达0.6%。8.2.4 氩离子激光器氩离子激光器 ArAr激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等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。几部分组成。放电管：放电管：工作于弧光放电，电流达工作于弧光放电，电流达1000A/cm1000A/cm2 2，采用耐高温、，采用耐高温、导热性能好的石墨片结构，之间是瓷珠。导热性能好的石墨片结构，之间是瓷珠。电极：电极：采用钡钨阴极和钼阳极，电极形状为圆筒结构。采用钡钨阴极和钼阳极，电极形状为圆筒结构。回气管：回气管：为保持管内气体均匀，采用的回气管是在石墨片上为保持管内气体均匀，采用的回气管是在石墨片上开许多小孔。开许多小孔。轴向磁场：轴向磁场：提高输出功率和寿命，加几百到上千高斯的轴向提高输出功率和寿命，加几百到上千高斯的轴向磁场，由套在放电管外面的螺旋管产生。磁场，由套在放电管外面的螺旋管产生。冷却系统冷却系统：有风冷和水冷两种。：有风冷和水冷两种。 2. 2. 发光原理发光原理与产生激光有关的与产生激光有关的ArAr+ +的能级结构的能级结构 Ar的原子序数的原子序数18，基，基态的电子组态为：态的电子组态为：最外层封闭层。最外层封闭层。在放电激发下，发生电在放电激发下，发生电离形成基态离形成基态Ar+（3P5)进进一一步步激激发发，使使1个个3P电电子子处处于于4S，5S，4P，3D，4D等。等。从从3P44P到到3P44S发射激光，由于这两个能级都由若干子能级发射激光，由于这两个能级都由若干子能级组成，所以可发射组成，所以可发射9条蓝绿谱线，其中条蓝绿谱线，其中488nm和和514.5nm最强。最强。上能级的激发：上能级的激发：依靠电子的碰撞实现，有三种形式：依靠电子的碰撞实现，有三种形式：（1 1）一一步步激激发发：电电子子与与基基态态的的氩氩原原子子碰碰撞撞，直直接接把把氩氩原原子子激激发发到氩离子的激发态，需要能量到氩离子的激发态，需要能量36eV36eV。 （2 2）二二步步激激发发：电电子子与与基基态态氩氩原原子子碰碰撞撞，形形成成基基态态的的氩氩离离子子（电离）；基态氩离子再与电子碰撞形成激发态的氩离子。（电离）；基态氩离子再与电子碰撞形成激发态的氩离子。（3 3）串串级级激激发发：氩氩原原子子先先被被激激发发到到比比上上能能级级更更高高的的高高能能级级，然然后通过辐射跃迁到激光上能级，它也可以分布进行。后通过辐射跃迁到激光上能级，它也可以分布进行。下下能能级级的的弛弛豫豫：先先通通过过辐辐射射跃跃迁迁（72nm72nm）到到达达氩氩离离子子基基态态，基基态氩离子态氩离子在管壁处与电子复合在管壁处与电子复合，跃迁到氩原子基态。，跃迁到氩原子基态。2. 2. ArAr激光器的工作持性激光器的工作持性 ArAr激光器可以产生多条激光谱线，其中激光器可以产生多条激光谱线，其中488nm488nm和和514.5nm514.5nm最最强。强。 (1)(1)多谱线工作多谱线工作 (2)(2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于由于ArAr激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的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。变化规律与其它激光器有所不同。ArAr+ +激光器输出功率随放电电流变化激光器输出功率随放电电流变化液体溶液作为工作物质液体溶液作为工作物质有机溶液激光器：染料激光器有机溶液激光器：染料激光器无机溶液激光器无机溶液激光器激励方式：激励方式：光泵激励光泵激励染料激光器基本结构：染料激光器基本结构：染料池，谐振腔，泵浦光源，染料池，谐振腔，泵浦光源，染料溶液的循环及过滤系统染料溶液的循环及过滤系统8.3.1 8.3.1 染料激光器的泵浦方式与基本结构染料激光器的泵浦方式与基本结构 工作方式：工作方式： 连续运转或脉冲方式连续运转或脉冲方式特点：特点： （1 1）可调谐）可调谐（2 2）可产生极窄光脉冲）可产生极窄光脉冲压缩压缩8.3 染料激光器染料激光器8.3.2 8.3.2 染料激光器的工作原理染料激光器的工作原理 染料分子的能级图染料分子的能级图 典型染料（若丹明典型染料（若丹明6G6G）的）的 吸收荧光光谱图吸收荧光光谱图 （1 1）染料分子能级染料分子能级 染染料料分分子子能能级级是是准准连连续续态态能能级级结结构构, ,包包括括电电子子运运动动、原原子子间间相相对对振振动动和和分分子子转转动动。根根据据自自旋旋状状态态分分为为单单态态和和三三重重态态，用用S S和和T T表表示示。S S0 0为为基基态态，其其余余为为激激发发态态。染染料料分分子子吸吸收收能能量量从从S S0 0跃跃迁迁到到S S1 1的的某某一一振振动动- -转转动动能能级级，寿寿命命很很短短（psps量量级级），把把能能量传递给溶剂分子，回到量传递给溶剂分子，回到S S1 1的最低能级，寿命的最低能级，寿命nsns量级。量级。（2 2）染料分子的光辐射过程染料分子的光辐射过程 辐射跃迁主要发生在单态之间辐射跃迁主要发生在单态之间或或三重态之间，单态和三重态三重态之间，单态和三重态之间的辐射跃迁是禁戒的。所以，分子之间的辐射跃迁是禁戒的。所以，分子从从S S1 1最低能级跃迁到最低能级跃迁到S S0 0态的任意能级发光，态的任意能级发光，然后通过无辐射跃迁回到然后通过无辐射跃迁回到S S0 0最低能级。最低能级。属属于四能级结构。于四能级结构。 （3 3）染料分子的三重态染料分子的三重态“陷阱陷阱” ” ：S S1 1到到T T1 1的无辐射跃迁，减的无辐射跃迁，减少少S S1 1上的粒子；上的粒子；T T1 1上粒子吸收荧光跃迁到上粒子吸收荧光跃迁到T T2 2。2. 2. 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦（1 1）闪光灯脉冲泵浦闪光灯脉冲泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。 （2 2）激光脉冲泵浦激光脉冲泵浦 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光器(0(0. .337337 m)m)，红宝石激光器红宝石激光器(0.6943(0.6943 m)m)，钕玻璃激光器钕玻璃激光器(1.06(1.06 m)m)，铜蒸气激光器铜蒸气激光器(0.5106(0.5106 m m、0.57820.5782 m)m)，准分子准分子激光器激光器( (主要在紫外区主要在紫外区) ) 以及这些激光的二次、三次谐波等。以及这些激光的二次、三次谐波等。 3 3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐（1 1）光栅调谐光栅调谐 放在腔中的光栅放在腔中的光栅G G具有扩束和色散作用。具有扩束和色散作用。 （2 2）棱镜调谐棱镜调谐 （3 3）双折射滤光片调谐双折射滤光片调谐 利利用用双双折折射射滤滤光光片片调调谐谐，是是目目前前染染料料激激光光器器广广泛泛采采用用的的调调谐谐方方法法，国国内内外外的的ArAr激激光光、YAGYAG倍倍频频激激光光泵泵浦浦的的染染料料激激光光器器，都使用这种方法调谐。都使用这种方法调谐。典型染料激光器原理示意图典型染料激光器原理示意图准分子：准分子： Excimer 一种在激发态能够暂时结合成不稳定分子，而在基态又一种在激发态能够暂时结合成不稳定分子，而在基态又迅速离解成原子的缔合物，因而也称迅速离解成原子的缔合物，因而也称“受激准分子受激准分子”。脉脉冲冲输输出出能能量量达达百百焦焦耳耳量量级级，脉脉冲冲峰峰值值功功率率达达千千瓦瓦以以上上，脉脉冲冲重重复复率率达达200200次次/ /秒秒，光光束束发发散散角为角为工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体。工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体。输输出出波波长长处处于于紫紫外外波波段段的的高高效效脉脉冲冲激激光光器器，通通常常作作为为分分光光、激激光加工、光刻的光源。光加工、光刻的光源。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长(nm)(nm)不同。不同。8.4.1 准分子激光器准分子激光器8.4 新型激光器新型激光器A: 较高激发态较高激发态B: 激光上能级激光上能级C: 基态基态准分子激光器激光波长准分子激光器激光波长(nm)(nm) 工作原理工作原理 工工作作气气体体中中大大部部分分是是缓缓冲冲气气体体氦氦和和氖氖（占占88%99%），真正构成准分子的惰性气体含量很低。真正构成准分子的惰性气体含量很低。 产产生生激激光光是是基基于于原原子子相相互互吸吸引引形形成成准准分分子子激激发发态态和和排排斥斥（或或弱弱束束缚缚）基基态态之之间间的的势势能能曲曲线线的的特特殊殊分分布布。基基态态很很不不稳稳定定，沿沿着着势势能能曲曲线线C极极快快向向核核间间距距增增大大的的方方向向移移动动，直直至至离离解解为为独独立立的的原原子子，基基态态分分子子也也就就消消失失，寿寿命命为为10-13s量量级级。激激发发态态为为束束缚缚态态，寿寿命命10-8s，比比基基态态稳稳定定。因因此此在在核核间间距距R0处处很很容容易易形成形成B、C之间的粒子数反转。之间的粒子数反转。 激光跃迁是束缚态向自由态跃迁，相当于下能级是空的。激光跃迁是束缚态向自由态跃迁，相当于下能级是空的。2. 泵浦方式泵浦方式（1）电子束泵浦：用电子枪产生能量高、上升时间短的电子）电子束泵浦：用电子枪产生能量高、上升时间短的电子束脉冲，射向准分子区对介质进行激发。优点是单脉冲能量束脉冲，射向准分子区对介质进行激发。优点是单脉冲能量大、上升时间快，可大面积泵浦；缺点是造价高、结构复杂。大、上升时间快，可大面积泵浦；缺点是造价高、结构复杂。（2）快速放电泵浦：采用布鲁姆莱电路。）快速放电泵浦：采用布鲁姆莱电路。3. 3. 准分子激光器特点准分子激光器特点（1 1）荧光谱为一连续带，可做成频率可调谐器件。）荧光谱为一连续带，可做成频率可调谐器件。（2 2）基态寿命很短，可认为基态是空的，对产生巨脉冲特别）基态寿命很短，可认为基态是空的，对产生巨脉冲特别有利。有利。（3 3）激光下能级是基态，基本没有无辐射跃迁，量子效率高。）激光下能级是基态，基本没有无辐射跃迁，量子效率高。（4 4）激光下能级的分子迅速离解，可以高重复率工作。）激光下能级的分子迅速离解，可以高重复率工作。（5 5）激光上能级寿命短，要求大的泵浦速率和快的上升时间。）激光上能级寿命短，要求大的泵浦速率和快的上升时间。 运运动动速速度度接接近近光光速速的的电电子子（称称为为相相对对论论电电子子）通通过过周周期期变变化化的的磁磁场场或或电电场场时时会会产产生生相相干干辐辐射射，称称这这种种辐辐射射为为韧韧致致辐辐射射，辐射的频率取决于电子的速度。辐射的频率取决于电子的速度。 8.4.2 自自 由由 电电 子子 激激 光光 器器基于基于化学反应化学反应来实现粒子数反转，从而使化学反应产生的能来实现粒子数反转，从而使化学反应产生的能量转变为受激辐射的激光器。化学激光器的工作物质可以是量转变为受激辐射的激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，目前大多数用气体。气体或液体，目前大多数用气体。 1激光波长丰富。激光波长丰富。 2能把化学能直接转换成激光。能把化学能直接转换成激光。 3某些化学反应中可获得很大能量，有望得到高功率激光输某些化学反应中可获得很大能量，有望得到高功率激光输出。出。 8.4.3 化化 学学 激激 光光 器器