【正文】 系統(tǒng)的特征。但是，從光學的角度來說，玻璃比晶體折射率均勻性好，大型的工作物質容易制得，從而適用于高功率輸出。這對于特定的鎖模激光器產生皮秒脈沖或亞微微秒脈沖是有利的。 ? 另一類的釹玻璃激光器的基質材料是玻璃，摻入了 Nd 3+激活離子。所以 YAG激光器不僅可以實現(xiàn)高重復率脈沖運轉，還可以連續(xù)運轉。 ? YAG中 Nd 3+與激光產生過程有關的能級如圖 。 ? YAG激光器的工作物質是摻釹釔鋁石榴石晶體（ Nd 3+： YAG），基質是 Y3A15O12晶體（簡稱 YAG）。 ? 紅寶石激光器閾值泵浦能量高，其應用受到影響，但由于其輸出的是可見光，在激光測距、材料加工、全息照相和醫(yī)學等方面仍很有應用價值。室溫下，此類激光器只能作低重復率的脈沖運行 .溫度升高，激光輸出波長向長波方向移動，熒光譜線加寬，效率降低 ,閾值升高。紅寶石激光器屬三能級系統(tǒng)，具較高的泵浦能量閾值，激光性能隨溫度變化明顯。 ? 晶體中 Cr 3+與激光產生過程有關的能級如圖 。 ? 激活離子均勻分布 ,密度約為 1019/cm3。半導體激光二極管泵浦的固體激光器的總效率遠遠高于放電燈激勵的固體激光器，同時它還具有質量輕、小型化、全固體化和長壽命等諸多優(yōu)點。 ? 圖 氣體放電燈激勵固體激光器示意圖 ? 固體激光器還可用半導體激光器作激勵源。其它光被轉化為熱能，僅能使腔內溫度升高 .因此，這類激勵的效率較低。連續(xù)激光器采用氫燈或碘鎢燈激勵。光激勵又可分為氣體放電燈激勵和半導體激光器激勵兩種方式。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?；钚噪x子密度一般為 1025~26/m3，較普通的氣體激光工作物質高三個量級以上，上能級的壽命也比較長，可達 10 4~3 S。 ? 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。激光器的分類方法很多，按工作物質可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器和自由電子激光器等；按激勵方式可分為光激勵激光器、電激勵激光器、熱激勵激光器、化學激勵激光器和核激勵激光器等：按工作方式可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器；按激光波長可分為紅外光激光器、可見光激光器、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。 圖 圖 提供正反饋的激光共振腔 ? 不同工作物質的激光器 ? 激光器是光電子技術領域的最主要的器件之一，自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光器的種類日益增多、水平迅速提高。 ? 在負溫度狀態(tài)，進行強烈的抽運，并降低共振腔內 Q值 ,使激光不振蕩，到達粒子數(shù)反轉充分時，急速升高 Q值。 ? 實現(xiàn)通過自激振蕩使受激發(fā)射光的強度成比例地增加 ,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（取出輸出信號的一部分，與輸入信號同相位而再次加進輸入信號中去）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。 ? 受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉是激光產生的一個基本條件，另外還須是獲得的受激發(fā)光得到成倍的加強或放大。我們已知了受激發(fā)光的原理，激光的產生基礎就是受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉。所以，即使采用簡單的光學系統(tǒng)也可以把激光聚焦成波長量級的光斑，形成極高的光能密度，而普通光絕對不能達到的。非相干光發(fā)散角在 2π ~ 4π弧度（全立體角）的立體角內。激光的譜寬可以在幾十兆赫以下，經過調整可壓縮至幾千赫以下。 ? 激光的相干光是整齊的正弦波，容易發(fā)生干涉。在前面我們已經介紹了受激發(fā)光，用前述方法產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。這是由于各個原子發(fā)出的光，其相位斷斷續(xù)續(xù)，并向四面八方發(fā)射之故。 圖 自發(fā)發(fā)射光與激光的差別 ? 圖 的兩種不同的情況。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，但其在時間和空間上相位完全一致。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。那么，普通的自發(fā)發(fā)射光與激光區(qū)別在哪里？可以簡單地從最終的結果來說，激光是時間上、空間上相位整齊的正弦波，而普通光則在時間上和空間上是無規(guī)則，使一種衰減和振蕩重疊在一起的波。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”英文字頭合并而來的。跟上節(jié)所述的自發(fā)發(fā)射產生的普通光相反，激光是受激發(fā)射而產生的。激光如同電波和音叉發(fā)出的聲波一樣是整齊的波，而普通光則可以說是如同空中放電和噪聲一樣的雜亂無章的波（見圖 ）。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，其波長和相位雜亂無章，向各個方向無規(guī)則輻射，持續(xù)時間也以指數(shù)函數(shù)急劇衰減。這是激光最本質的特性之一。非相干光通常其光譜的寬度較寬、其光束發(fā)散角也較大。若要使非相干光形成相互干涉時，除非采用一種特殊的透光的狹縫，否則不能發(fā)生干涉。相干光的激光增益帶寬由激光共振腔的 Q值和長度以及激光工作物質決定，因此受到限制，光譜寬度極為狹窄。這是因為相干光從時間上說，相位一致，光譜寬度窄，這種現(xiàn)象被稱為單色性好。與此相對照的發(fā)光二極管等非相干光的光譜寬度在 104GHz以上，白色燈光可達到數(shù)億兆赫。激光在空間內也是相位一致，波長短，所以指向性特別好，激光發(fā)散角很小，只有毫弧度。 ? 激光與非激光差別，源于產生的方式不同。引發(fā)激光產生的受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉如圖 。為了讓粒子的受激發(fā)射的幾率隨入射的電磁波的強度成比例地增加，采用適當?shù)墓舱袂皇蛊渥髡答?，連續(xù)引發(fā)受激發(fā)射，產生自激振蕩，這就是激光產生的原理。 ? 用高品質因數(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（即面對面）排列的兩塊全反射鏡子組成，如圖 。此 Q開關法可獲得的巨脈沖 .采用鎖模技術可產生皮秒（ 1012s）光脈沖和亞皮秒光脈沖，這些也都是激光的特征。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的激光工作物質約有千余種，獲得的相應的激光特征譜線達到上萬條，可覆蓋從毫米波直到 X射線的整個光學頻段。 ? 本節(jié)將按工作物質的分類，分別介紹一些常見的、有代表性的固體激光器、氣體激光器、液體激光器包括有機染料激光器和半導體激光器。 ? 活性離子（過渡金屬離子或稀土離子）被摻入晶體或玻璃中，經光泵激勵后產生受激輻射作用。 ? 此類激光器儲能能力強，易于獲得大能量輸出。 ? 固體激光器普遍采用光激勵方式把基態(tài)的粒子抽運到激發(fā)態(tài)，以形成粒子數(shù)反轉。 ? 以非相干的氣體放電光為激勵光源 (如圖 )是廣泛采用的一種激勵方式 .脈沖激光器采用脈沖氙燈激勵 。 ? 放電燈光的發(fā)射光譜由連續(xù)譜和線狀譜組成，盡管覆蓋的波長范圍很寬，但只有與激光工作物質吸收波長相匹配的光才可有效激勵粒子，形成粒子數(shù)反轉。 ? 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，必須采用合適的聚光裝置。由于激光二極管的發(fā)射波長可以與激光工作物質相匹配，這就大大減少了氣體放電光源泵浦工作時熱效應的影響，使光能更多的用來增加反轉粒子數(shù)，從而有助于提高激光泵浦的效率。 ? （ 1）紅寶石激光器 ? 紅寶石激光器是最早的一種晶體激光器，工作物質是紅寶石棒狀晶體（激光棒），在基質中加入激活離子 Cr 3+。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 ~。當泵浦光照射到紅寶石時，激光器產生 694. 3 nm波長的激光輸出。低溫（如 77 K）時，性能優(yōu)良，可連續(xù)或高重復率脈沖運轉。 ? 一可調 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。 ? （ 2）釹激光器 ? 以三價釹離子（ 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。一般摻入的 Nd 3+的密度約為 1020／cm3。 YAG激光器屬于四能級系統(tǒng)，具量子效率高、受激輻射截面大的優(yōu)點，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率，易于散熱。YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率已超過千瓦，每秒 5000次重復頻率激光器輸出峰值功率達數(shù)千瓦，每秒幾十次重復頻率激光器輸出峰值功率可達數(shù)百兆瓦。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。 ? 由于玻璃的熱傳導性比晶體差，冷卻速度慢，所以一般不適用于連續(xù)振蕩和高重復率振蕩。 圖 Cr3+的能級圖 圖 Nd3+： YAG中 Nd3+的能級圖 圖 鈦寶石能級圖 ? （ 3）鈦寶石激光器 ? 與產生固定波長激光不同，鈦寶石激光器是一種可調諧的固體激光器，輸出波長在 660~1180 nm連續(xù)可調。由于躍遷上能級壽命較短，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。 ? 此激光器在很寬的熒光范圍內，經鎖?？删哂袠O窄的脈寬，窄至飛秒（ 1015），常用于超高速分光。 ? 固體激光器的工作物質能儲存較多的能量，比較容易獲得大能量、大功率的激光脈沖。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。氣態(tài)工作物質光學均勻性遠好于固體，譜線寬度遠小于固體，因而氣體激光器光束的方向性、相干性（即單色性）特別好，波長穩(wěn)定性也很好。因此需要大的激活區(qū)，長度從幾十厘米至 1m，做成的激光器體積都比較龐大。在放電過程中，受電場加速而獲得足夠能量的電子與粒子碰撞時，將粒子激發(fā)到高能態(tài)，在一對能級間形成粒子數(shù)反轉分布?？蓳煌瑲怏w電子能級分布狀態(tài)來選用氣體激光器。 ? 根據氣體工作物質的種類不同，可將氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器和分子氣體激光器三種。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大都在可見光區(qū)。 ? 離子激光器是在陰極放電區(qū)中使電子與稀有氣體碰撞，形成