【正文】 的許多方面的特性都有關(guān)。染料激光器的每個(gè)脈沖的激光能量可達(dá)數(shù)十焦耳的量級(jí)，峰值功率達(dá)幾百兆瓦，激光能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 50％。泵浦光需要滿足一定的輸出能量，且脈沖寬度要窄，以消除三重態(tài)的淬滅作用。 ? 染料激光器一般都采用光泵浦的方式，可選用閃光燈泵浦或激光泵浦?？梢圆捎煤线m的染料如若丹明 6G或采用窄的光脈沖泵浦方式，使染料分子在 T1態(tài)積累之前，完成激光振蕩。在泵浦光的照射和作用下，大部分染料分子吸收了光能由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的某個(gè)振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)上，其中 S1態(tài)有稍長(zhǎng)的壽命。所以每一個(gè)電子態(tài)都可以看成由一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的能帶組成，這種寬帶結(jié)構(gòu)使得染料激光在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。染料激光器不僅是輸出的激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，而且輸出的激光譜線寬度很窄、價(jià)格低、增益高、輸出功率可與固體和氣體激光器相比，效率較高、激光均勻性好，制備容易，可以循環(huán)操作和便于冷卻。 圖 CO2激光器 圖 CO2激光器 圖 CO2激光器 ? （有機(jī)染料）激光器 ? 液體激光器是以液體為工作物質(zhì)的激光器，共兩類：一是有機(jī)染料，另一類是含有稀土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物。由此造成放電管管壁對(duì)小角度掠射光的菲涅耳反射率很高，于是放電管中可低損耗地傳輸準(zhǔn)橫向電磁波（即波導(dǎo)模）。氣體流動(dòng)截面大，流動(dòng)路徑短，因此較低的流動(dòng)速度就可達(dá)到與縱向快流同樣的冷卻效果，最佳壓強(qiáng)可高達(dá) 104Pa，這樣的高壓強(qiáng)有利于提高激光輸出功率。在最佳放電條件下，激光器的輸出功率約為 50 W/m~ 1 kW/m之間。氣體流動(dòng)能夠及時(shí)排除 CO2分子與電子碰撞時(shí)分解出來(lái)的 CO氣體，并補(bǔ)充新鮮氣體。通常也加入少量的 H2O或 H2用做催化劑。 ? CO2激光器的種類較多，主要有以下 4類。 ? CO2激光器以 CO N2和 He的混合氣體作為工作物質(zhì)，激光躍遷發(fā)生在CO2分子的電子基態(tài)的振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)能級(jí)之間。鑒于這種情況，放電毛細(xì)管材料必須能耐高溫、導(dǎo)熱性好、氣密性好和機(jī)械強(qiáng)度高，常用的放電管采用石英玻璃管或陶瓷毛細(xì)管、金屬管、石墨管等制作，并且還需要通水冷卻。因此 Ar＋激光器必須采用低氣壓、大電流弧光放電激發(fā)，其放電電流比 HeNe激光器高出約 1000倍（管內(nèi)電流密度可高達(dá) 100~1000 A/cm2）。 圖 氬離子激光器結(jié)構(gòu)示意圖 ? 氬離子激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖 。連續(xù)工作的 Ar+的激光器可產(chǎn)生 9條藍(lán)綠激光譜線，其中以 藍(lán)光和 514. 5 nm綠光譜線最強(qiáng)，占總功率輸出的 30%~40%?？梢赃B續(xù)、單色平面偏振光輸出，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可靠穩(wěn)定，在準(zhǔn)直、定位、全息照相、測(cè)量、精密計(jì)量、光盤錄放等很多方面具有廣泛的應(yīng)用。在電極兩端加上 2~4 kV的直流高壓，由于氣體放電可使 Ne原子的能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。圖 (a)為內(nèi)腔式，即反射鏡和放電管連在一起； (b)為半內(nèi)腔式，一塊反射鏡與放電管相連，另一塊反射鏡與放電管相分離；（ c）為外腔式，反射鏡和放電管為互相分離。放電電極大采用冷陰極形式，陰極材料為鋁或鋁合金。 ? HeNe激光器的基本結(jié)構(gòu)包括放電管、電極和光學(xué)諧振腔三部分，如圖 。最具有代表性的雙原子氣體激光器是氮分子激光器和三原子氣體的二氧化碳激光器。 CH3OH（乙醇）激光器在波長(zhǎng)從幾十微米至亞毫米波區(qū)中，多數(shù)譜線能產(chǎn)生激光振蕩。雖然 CO2激光器工作物質(zhì)是氣體，但是由于增益高，所以用作 CO2激光共振腔的反射鏡其反射率沒(méi)有必要裝備比其它氣體激光器更高的反射鏡。放電管內(nèi)充以 CO N He的混合氣體，采用輝光放電激發(fā)。 Cu激光器在 。 Pb, Sn等金屬蒸氣中，需混和 He作為緩沖氣體后使用。氮激光器在 331~ 400nm范圍內(nèi)有幾條紫外譜線，能以l0ns的窄脈沖寬度產(chǎn)生很高的峰功率。 ? 原子氣體激光器中應(yīng)用最普遍、最典型的是惰性氣體類中的 He一 Ne激光器和金屬原子蒸氣類中的銅原子激光器。如需獲得從紅光到近紅外的振蕩激光，使用 HeNe氣體激光器；需要獲得從紫外到可見(jiàn)區(qū)振蕩的，使用 Kr+離子激光器， Ar+離子激光器， Xe+離子激光器等。 ? 氣體工作物質(zhì)吸收譜線寬度小，不宜采用光泵浦，而采用氣體放電泵浦方式。 ? 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。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。 ? 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。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。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）。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。 ? 晶體中 Cr 3+與激光產(chǎn)生過(guò)程有關(guān)的能級(jí)如圖 。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)。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。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。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。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。 ? 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。 ? 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。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。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。 圖 自發(fā)發(fā)射光與激光的差別 ? 圖 的兩種不同的情況。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。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。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 ）。這是激光最本質(zhì)的特性之一。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。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。引發(fā)激光產(chǎn)生的受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)如圖 。 ? 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 。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。 ? 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。 ? 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)。 ? 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)。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。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 ~。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)。 ? （ 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。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。 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)。 ? 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。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。因此需要大的激活區(qū)，長(zhǎng)度從幾十厘米至 1m，做成的激光器體積都比較龐大?？蓳?jù)不同氣體電子能級(jí)分布狀態(tài)來(lái)選用氣體激光器。另一類是金屬原子蒸氣，如鎘 (Cd)、銅 (Cu)、錳 (Mn)和錫 (Sn)等，這類激光器的輸出波長(zhǎng)大都在可見(jiàn)光區(qū)。 ? 在紫外到可見(jiàn)區(qū)有較高實(shí)用價(jià)值的氣體激光器為氮激光器和金屬蒸氣離子激光器。在Cd, Se, Zn。其中藍(lán)和綠的振蕩譜線很強(qiáng)，可得到約 100mW的連續(xù)輸出。 ? 在分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間振蕩的分子激光器的代表是 CO2激光器。 ? 除了半導(dǎo)體激光二極管外， CO2激光器的激光效率最高，可達(dá) 15％～20％以上。 ? 在其它如 CO、 HF、 DF、 CH3F、 CH3OH