【正文】 第六章 激光與激光器 激光的形成和基本特征 激光，英文寫為 LASER，是由“輻射的受激發(fā)射光放大”英文字頭合并而來(lái)的。跟上節(jié)所述的自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的普通光相反，激光是受激發(fā)射而產(chǎn)生的。那么，普通的自發(fā)發(fā)射光與激光區(qū)別在哪里？可以簡(jiǎn)單地從最終的結(jié)果來(lái)說(shuō)，激光是時(shí)間上、空間上相位整齊的正弦波，而普通光則在時(shí)間上和空間上是無(wú)規(guī)則，使一種衰減和振蕩重疊在一起的波。激光如同電波和音叉發(fā)出的聲波一樣是整齊的波，而普通光則可以說(shuō)是如同空中放電和噪聲一樣的雜亂無(wú)章的波（見(jiàn)圖 ）。從圖中我們可以看到，以白熾燈為代表的發(fā)光光源，其發(fā)出的是一種普通光，屬于自發(fā)發(fā)射的非相干光。這種光是大量的粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，而發(fā)射的光波，其波長(zhǎng)和相位雜亂無(wú)章，向各個(gè)方向無(wú)規(guī)則輻射，持續(xù)時(shí)間也以指數(shù)函數(shù)急劇衰減。而激光雖然也是有大量的粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷發(fā)射的光波，但其在時(shí)間和空間上相位完全一致。這是激光最本質(zhì)的特性之一。 圖 自發(fā)發(fā)射光與激光的差別 ? 圖 的兩種不同的情況。非相干光通常其光譜的寬度較寬、其光束發(fā)散角也較大。這是由于各個(gè)原子發(fā)出的光，其相位斷斷續(xù)續(xù)，并向四面八方發(fā)射之故。若要使非相干光形成相互干涉時(shí)，除非采用一種特殊的透光的狹縫，否則不能發(fā)生干涉。在前面我們已經(jīng)介紹了受激發(fā)光，用前述方法產(chǎn)生的激光由于是受激發(fā)射光，因而是相位整齊的相干光波。相干光的激光增益帶寬由激光共振腔的 Q值和長(zhǎng)度以及激光工作物質(zhì)決定，因此受到限制，光譜寬度極為狹窄。 ? 激光的相干光是整齊的正弦波，容易發(fā)生干涉。這是因?yàn)橄喔晒鈴臅r(shí)間上說(shuō)，相位一致，光譜寬度窄，這種現(xiàn)象被稱為單色性好。激光的譜寬可以在幾十兆赫以下，經(jīng)過(guò)調(diào)整可壓縮至幾千赫以下。與此相對(duì)照的發(fā)光二極管等非相干光的光譜寬度在 104GHz以上，白色燈光可達(dá)到數(shù)億兆赫。非相干光發(fā)散角在 2π ~ 4π弧度（全立體角）的立體角內(nèi)。激光在空間內(nèi)也是相位一致，波長(zhǎng)短，所以指向性特別好，激光發(fā)散角很小，只有毫弧度。所以，即使采用簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)也可以把激光聚焦成波長(zhǎng)量級(jí)的光斑，形成極高的光能密度，而普通光絕對(duì)不能達(dá)到的。 ? 激光與非激光差別，源于產(chǎn)生的方式不同。我們已知了受激發(fā)光的原理，激光的產(chǎn)生基礎(chǔ)就是受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。引發(fā)激光產(chǎn)生的受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)如圖 。 ? 受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的一個(gè)基本條件，另外還須是獲得的受激發(fā)光得到成倍的加強(qiáng)或放大。為了讓粒子的受激發(fā)射的幾率隨入射的電磁波的強(qiáng)度成比例地增加，采用適當(dāng)?shù)墓舱袂皇蛊渥髡答?，連續(xù)引發(fā)受激發(fā)射，產(chǎn)生自激振蕩，這就是激光產(chǎn)生的原理。 ? 實(shí)現(xiàn)通過(guò)自激振蕩使受激發(fā)射光的強(qiáng)度成比例地增加 ,按照電子電路里面，真空管和晶體管都是在放大電路中加上正反饋（取出輸出信號(hào)的一部分，與輸入信號(hào)同相位而再次加進(jìn)輸入信號(hào)中去）而引起自激振蕩的思路，在激光器中也采用完全相同的辦法使激光自激振蕩。 ? 用高品質(zhì)因數(shù)（ Q）的發(fā)布里 — 帕羅共振腔提供正反饋和自激振蕩，所謂的“發(fā)布里 — 帕羅共振腔”是由相向（即面對(duì)面）排列的兩塊全反射鏡子組成，如圖 。 ? 在負(fù)溫度狀態(tài)，進(jìn)行強(qiáng)烈的抽運(yùn)，并降低共振腔內(nèi) Q值 ,使激光不振蕩，到達(dá)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)充分時(shí)，急速升高 Q值。此 Q開(kāi)關(guān)法可獲得的巨脈沖 .采用鎖模技術(shù)可產(chǎn)生皮秒（ 1012s）光脈沖和亞皮秒光脈沖，這些也都是激光的特征。 圖 圖 提供正反饋的激光共振腔 ? 不同工作物質(zhì)的激光器 ? 激光器是光電子技術(shù)領(lǐng)域的最主要的器件之一，自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，激光器的種類日益增多、水平迅速提高。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的激光工作物質(zhì)約有千余種，獲得的相應(yīng)的激光特征譜線達(dá)到上萬(wàn)條，可覆蓋從毫米波直到 X射線的整個(gè)光學(xué)頻段。激光器的分類方法很多，按工作物質(zhì)可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器和自由電子激光器等；按激勵(lì)方式可分為光激勵(lì)激光器、電激勵(lì)激光器、熱激勵(lì)激光器、化學(xué)激勵(lì)激光器和核激勵(lì)激光器等：按工作方式可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器；按激光波長(zhǎng)可分為紅外光激光器、可見(jiàn)光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器 ,X射線激光器和 γ射線激光器等。 ? 本節(jié)將按工作物質(zhì)的分類，分別介紹一些常見(jiàn)的、有代表性的固體激光器、氣體激光器、液體激光器包括有機(jī)染料激光器和半導(dǎo)體激光器。 ? 固體激光器 ? 固體激光器可分成晶體和玻璃激光器兩類，以晶體或玻璃為工作物質(zhì)。 ? 活性離子（過(guò)渡金屬離子或稀土離子）被摻入晶體或玻璃中，經(jīng)光泵激勵(lì)后產(chǎn)生受激輻射作用。活性離子密度一般為 1025~26/m3，較普通的氣體激光工作物質(zhì)高三個(gè)量級(jí)以上，上能級(jí)的壽命也比較長(zhǎng)，可達(dá) 10 4~3 S。 ? 此類激光器儲(chǔ)能能力強(qiáng)，易于獲得大能量輸出。典型的固體激光器有紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器和鈦寶石激光器等。 ? 固體激光器普遍采用光激勵(lì)方式把基態(tài)的粒子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光激勵(lì)又可分為氣體放電燈激勵(lì)和半導(dǎo)體激光器激勵(lì)兩種方式。 ? 以非相干的氣體放電光為激勵(lì)光源 (如圖 )是廣泛采用的一種激勵(lì)方式 .脈沖激光器采用脈沖氙燈激勵(lì) 。連續(xù)激光器采用氫燈或碘鎢燈激勵(lì)。 ? 放電燈光的發(fā)射光譜由連續(xù)譜和線狀譜組成，盡管覆蓋的波長(zhǎng)范圍很寬，但只有與激光工作物質(zhì)吸收波長(zhǎng)相匹配的光才可有效激勵(lì)粒子，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其它光被轉(zhuǎn)化為熱能，僅能使腔內(nèi)溫度升高 .因此，這類激勵(lì)的效率較低。 ? 為了使氣體放電燈發(fā)出的非相干光有效地照射到激光工作物質(zhì)，必須采用合適的聚光裝置。 ? 圖 氣體放電燈激勵(lì)固體激光器示意圖 ? 固體激光器還可用半導(dǎo)體激光器作激勵(lì)源。由于激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)可以與激光工作物質(zhì)相匹配，這就大大減少了氣體放電光源泵浦工作時(shí)熱效應(yīng)的影響，使光能更多的用來(lái)增加反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而有助于提高激光泵浦的效率。半導(dǎo)體激光二極管泵浦的固體激光器的總效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于放電燈激勵(lì)的固體激光器，同時(shí)它還具有質(zhì)量輕、小型化、全固體化和長(zhǎng)壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)。 ? （ 1）紅寶石激光器 ? 紅寶石激光器是最早的一種晶體激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒狀晶體（激光棒），在基質(zhì)中加入激活離子 Cr 3+。 ? 激活離子均勻分布 ,密度約為 1019/cm3。除了 Cr之外， Ni、 Pr、 Nd、Sm、 Eu、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb等鑭系的離子大多可作激活離子，發(fā)光光譜從 ~。 ? 晶體中 Cr 3+與激光產(chǎn)生過(guò)程有關(guān)的能級(jí)如圖 。當(dāng)泵浦光照射到紅寶石時(shí)，激光器產(chǎn)生 694. 3 nm波長(zhǎng)的激光輸出。紅寶石激光器屬三能級(jí)系統(tǒng)，具較高的泵浦能量閾值，激光性能隨溫度變化明顯。低溫（如 77 K）時(shí)，性能優(yōu)良，可連續(xù)或高重復(fù)率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。室溫下，此類激光器只能作低重復(fù)率的脈沖運(yùn)行 .溫度升高，激光輸出波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，熒光譜線加寬，效率降低 ,閾值升高。 ? 一可調(diào) Q值的激光器輸出巨脈沖峰值功率 (10~50)MW，脈寬 (10~20)ns；鎖模紅寶石激光器輸出超短脈沖的峰值功率 109W，脈寬 10ps。 ? 紅寶石激光器閾值泵浦能量高，其應(yīng)用受到影響，但由于其輸出的是可見(jiàn)光，在激光測(cè)距、材料加工、全息照相和醫(yī)學(xué)等方面仍很有應(yīng)用價(jià)值。 ? （ 2）釹激光器 ? 以三價(jià)釹離子（ Nd 3+）為激活粒子的釹激光器是使用最廣泛的固體激光器，最常用的是 YAG激光器和釹玻璃激光器。 ? YAG激光器的工作物質(zhì)是摻釹釔鋁石榴石晶體（ Nd 3+： YAG），基質(zhì)是 Y3A15O12晶體（簡(jiǎn)稱 YAG）。一般摻入的 Nd 3+的密度約為 1020／cm3。 ? YAG中 Nd 3+與激光產(chǎn)生過(guò)程有關(guān)的能級(jí)如圖 。 YAG激光器屬于四能級(jí)系統(tǒng)，具量子效率高、受激輻射截面大的優(yōu)點(diǎn)，其泵浦能量閾值比紅寶石激光器低得多，而且釔鋁石榴石晶體還具有高的熱傳導(dǎo)率，易于散熱。所以 YAG激光器不僅可以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率已超過(guò)千瓦，每秒 5000次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率達(dá)數(shù)千瓦，每秒幾十次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率可達(dá)數(shù)百兆瓦。 ? 另一類的釹玻璃激光器的基質(zhì)材料是玻璃，摻入了 Nd 3+激活離子。與晶體相比，組成玻璃的分子排列不規(guī)則，因而振蕩譜線寬度比晶體激光器要寬。這對(duì)于特定的鎖模激光器產(chǎn)生皮秒脈沖或亞微微秒脈沖是有利的。 ? 由于玻璃的熱傳導(dǎo)性比晶體差，冷卻速度慢，所以一般不適用于連續(xù)振蕩和高重復(fù)率振蕩。但是，從光學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，玻璃比晶體折射率均勻性好，大型的工作物質(zhì)容易制得，從而適用于高功率輸出。 圖 Cr3+的能級(jí)圖 圖 Nd3+： YAG中 Nd3+的能級(jí)圖 圖 鈦寶石能級(jí)圖 ? （ 3）鈦寶石激光器 ? 與產(chǎn)生固定波長(zhǎng)激光不同，鈦寶石激光器是一種可調(diào)諧的固體激光器，輸出波長(zhǎng)在 660~1180 nm連續(xù)可調(diào)。 ? 在摻鈦藍(lán)寶石中，以少量 Ti 4+為激活粒子，能級(jí)如圖 ,有四能級(jí)系統(tǒng)的特征。由于躍遷上能級(jí)壽命較短，為獲得足夠的泵浦速率，大多采用激光泵浦，即用另一臺(tái)激光器作為泵浦源，有氫離子激光器、銅蒸氣激光器、倍頻的 YAG激光器等。當(dāng)用倍頻激光泵浦時(shí)，其總體效率達(dá) 40％，重復(fù)率為 1~10 Hz,脈寬 4 ns時(shí)脈沖能量為 100 mJ。 ? 此激光器在很寬的熒光范圍內(nèi)，經(jīng)鎖?？删哂袠O窄的脈寬，窄至飛秒（ 1015），常用于超高速分光。除調(diào)諧范圍寬，還具有輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，可采用脈沖或連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可以用半導(dǎo)體激光器激發(fā)，制成小型的波長(zhǎng)可變激光器。 ? 固體激光器的工作物質(zhì)能儲(chǔ)存較多的能量，比較容易獲得大能量、大功率的激光脈沖。固體工作物質(zhì)體積小，使用方便。但在效率和輸出激光的頻率穩(wěn)定性、相干性等方面尚不如氣體激光器。 ? 氣體激光器 ? 氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣為工作物質(zhì) ,目前種類最多、波長(zhǎng)分布區(qū)域最寬 ,應(yīng)用最廣的一類激光器。氣態(tài)工作物質(zhì)光學(xué)均勻性遠(yuǎn)好于固體，譜線寬度遠(yuǎn)小于固體，因而氣體激光器光束的方向性、相干性（即單色性）特別好，波長(zhǎng)穩(wěn)定性也很好。但是，氣體是低密度的物質(zhì)，激活粒子密度遠(yuǎn)小于固體，需