8 激光基础

§8.2 激光的产生与激光器

主要内容

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

1. 激光器的基本结构2. 激光介质中粒子数布居反转的实现 3. 增益系数及阈值条件 4. 辐射线宽 5. 激光的纵模和横模 6. 几种典型的激光器

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.1 激光器的基本结构实现激光发射的两个必备条件：受激辐射的产生和放大。

激光器：能够实现受激辐射产生和放大的器件或装置。

激光振荡器：具有一个光学谐振腔，由受激辐射产生的光在腔内多次往返而形成持续的激光振荡。

激光放大器：自身不具有光学谐振腔，只能使来自其他激光器输出的激光信号通过增益介质而获得单次或有限次的行波式放大。

说明：通常的激光器，一般指激光振荡器，在某些情况下则是指由激光振荡器和放大器组成的组合系统。

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

增益介质 激励源 光学谐振腔

说明：仅有激励源、增益介质和光学谐振腔还不一定能输出激光。只有使受激辐射的增益大于其损耗，才能使受激辐射在谐振腔内来回反射时，强度不断增大，最后输出激光。

图 8.2-1 激光器的基本结构

激励源

光学谐振腔

增益介质激光输出

激光振荡器的主要组成：

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

增益介质：激光器中产生受激辐射的物质（又称激活介质，可以是气体、液体、固体或半导体等）。

增益介质的作用：激光器的核心——放大入射光。

增益介质条件：有一对能够产生激光的能级，并且高能级应有足够长的寿命，使得被激发到该能级上的粒子能滞留较长时间，与低能级之间形成粒子数布居的反转分布。

(1) 增益介质

激励源的作用：供给增益介质能量，以使其中处于基态的粒子获得一定能量后被抽运到高能态，形成两个能级上的粒子数布居反转。

8.2.1 激光器的基本结构8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

说明：激励过程常被形象化地称为泵浦或抽运过程。为了不断地得到激光输出，必须不断地“泵浦”增益介质以维持其粒子数布居的反转分布。

常用激励方式：电泵浦、光泵浦、热泵浦、化学泵浦等。

电激励：用气体放电的方法获得具有一定动能的电子，再由其进一步激发介质原子。

光激励：用强光照射增益介质（常用光激励源：脉冲氙灯、脉冲激光器、半导体激光器等）。

(2) 激励源

光学谐振腔：装上在增益介质两端的一对反射率很高的反射镜，结构相当于一个法布里 - 珀罗标准具。其中一个为全反射镜，反射率接近 100% ；另一个为部分反射镜，反射率约 80% 左右。

8.2.1 激光器的基本结构8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

(3) 光学谐振腔

光学谐振腔的作用：

① 实现光的正反馈② 对输出光束的波长进行选择——高度单色性③ 使输出光束的定向——高度方向性

8.2.1 激光器的基本结构8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

图 8.2-2 光学谐振腔对激光束方向的选择

当增益介质产生的受激辐射到达两端的反射镜面时，将被再次反射回增益介质，从而继续诱发新的受激辐射。被进一步放大的受激辐射在谐振腔中来回振荡，同时不断地诱发新的受激辐射，使之雪崩似地获得放大，产生强烈的激光，并从部分反射镜一端输出。

工作原理：

二能级系统的不足：

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.2 激光介质中粒子数布居反转的实现

图 8.2-3 激光增益介质的两种工作模式

(a) 三能级图

抽运

E3

E1

h

激励

E2

无辐射跃迁

B21B12A21

(b) 四能级图

E0

抽运

E3

E1

h

激励

E2

无辐射跃迁

B21B12A21

由于 B12=B21 ，最终只能达到两个能级的粒子数相等而使系统趋于稳定，不能实现两个能级之间的粒子数布居反转。激光增益介质的两种实际工作模式：

8.2.2 粒子数部居反转的实现8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

三能级系统的特点：

四能级系统的特点：

粒子被从基态 E0 抽运到激发态 E3 ，然后通过无辐射跃迁到亚稳态 E2 。

当 E1 为非稳态能级时，粒子经受激辐射从 E2 能级跃迁到 E1 能级后，会很

快通过无辐射跃迁回到基态，极易实现 E2 和 E1 之间粒子数布居反转。

粒子被从基态 E1 抽运到激发态 E3 ，然后从 E3 态无辐射跃迁到亚稳态

E2 。随着 E1 上的粒子数不断减少， E2 上的粒子数 N2 不断增多。当 N2>N

1 时，实现粒子数布居反转。

(8.2-1)

(8.2-2)

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.3 增益系数及阈值条件

光束在谐振腔内往返一次后的强度： (8.2-3)

设激光器的增益系数为 G ，谐振腔腔长为 L ，两个反射镜的强度反射率分别为 R1 、 R2 ，光束的初始强度（ z=0处）为 I0 。

增益介质中 z处的光强度的增量：

增益介质中 z处的光强度：

(8.2-4)

即 (8.2-5)

增益要求：

产生激光的阈值条件（谐振腔必须达到的最小增益）：

(8.2-6)

说明：由于各种因素的影响，激光器实际输出的激光并不是理想单色的，而是具有一定的频率宽度。通常给出的激光频率只表示增益介质粒子自高能级向低能级跃迁时产生辐射的中心频率。

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.4 辐射线宽

图 8.2-4 激光的线宽

0/2 /2

辐射线宽：激光辐射的光谱范围宽度。

频率增宽类型：自然增宽，碰撞增宽，多普勒增宽。

(2) 碰撞增宽

增益介质中的粒子在激发态能级的寿命决定了自发辐射过程持续的时间，有限的辐射波列长度意味着该辐射不再是理想的单色辐射，而是具有一定的频率展宽。

说明：能级 E2 为亚稳态时， >10-3s ，故为 kHz 数量级或更小。

(8.2-7)

增益介质中粒子间距离较小时，粒子间可能发生碰撞。碰撞可加速激发态粒子向低能级的跃迁，从而缩短能级的寿命，导致谱线进一步加宽。

自然线宽大小：

说明：对于气体介质，压强较大时粒子碰撞的几率增大，因而碰撞增宽的几率也增大。

(1) 自然增宽

8.2.4 辐射线宽8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

对于气体介质，由于粒子的热运动，其辐射将因多普勒效应而发生频移。其中当粒子向着探测器运动时，其辐射频率将比静止时增大，反之则减少。

说明：

(3) 多普勒增宽

8.2.4 辐射线宽8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

增益介质的辐射线宽往往是几种增宽的综合。但对于不同的增益介质和工作条件，各种增宽的贡献不同。如对于氦 -氖激光器的 623.8nm谱线，在室温和约 200Pa压强下，碰撞增宽远大于自然线宽，而多普勒增宽又比碰撞增宽大一个数量级。因此，多普勒增宽起主要作用。

光波在光学谐振腔内形成稳定振荡的条件：满足相长干涉条件，形成驻波。

(1) 纵模 纵模：光场沿谐振腔纵向传播的不同振动模式——不同频率的驻波。

， j=1, 2, 3, ··· (8.2-8)

L: 为腔长； n：激活介质的折射率； j：腔内的波腹数。

(8.2-9)

(8.2-10)

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.5 激光的纵模和横模

谐振腔满足驻波条件的频率成分：

纵模间隔：

图 8.2-5 激光的纵模

0/2 /2

L

(8.2-11)

说明：由驻波条件确定的频率只是谐振腔允许的谐振频率，其中只有落在增益介质辐射线宽内，并同时满足阈值条件的那些谐振频率，才能形成稳定的激光。

激光器输出的频率个数（纵模数）：

8.2.5 激光的纵模和横模8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

横模：谐振腔内光场沿横向的稳定分布。意义：激光束在腔内往返一个来回后能够再现其自身的一种光场分布状态，

一般用 TEMmn表示模式（ m ， n ：光斑沿 x 和 y 方向出现的暗区数目）

分类：轴对称模，旋转对称模。

说明：为获得高质量光束，实验中一般希望激光器工作在单模输出状态。

(2) 横模

图 8.2-6 激光的横模

TEM00 TEM20 TEM03TEM11TEM10 TEM01

8.2.5 激光的纵模和横模8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

(1) 固体激光器（红宝石、 YAG ）

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.6 几种典型的激光器

典型的固体激光器：红宝石激光器（ 694.3nm ），钕（ Nd ）玻璃激光器（ 1064nm ），掺钕钇铝石榴石（ YAG:Nd ）激光器（ 1064nm ），钛宝石（ Al2O3:Ti ）激光器（ 66

0-1180nm ）

结构特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率（能量）大

连续工作方式：输出功率可达 100W 以上

增益介质：均匀掺入少量激活离子的晶体或玻璃

脉冲工作方式：峰值功率可达 109W 以上

红宝石激光器：增益介质——红宝石棒（ Al2O3:Cr晶体），典型的三能级粒子体系，辐射波长为 694.3nm ，脉冲高压氙灯泵浦。

红宝石激光器的发明者——梅曼 第一台红宝石激光器的结构图

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

(2) 气体激光器

典型的气体激光器：氦氖（ He-Ne ）激光器，氩离子激光器，二氧化碳（ CO2 ）激光器，氦镉（ He-Cd ）激光器，铜蒸气激光器，氮分子激光器，准分子激光器

结构特点：结构简单，造价低，操作方便，能长时间较稳定地连续工作，并且输出光束的方向性好、单色性好

泵浦方式：较多的为气体放电，也可以化学泵浦、热泵浦

增益介质：气体或金属蒸气

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

最早研制成功的，也是最常用的一种中性原子气体激光器。最强的输出波长为 632.8nm 、 1.15nm 和 3.39nm 。

① 氦氖（ He-Ne ）激光器

贝尔实验室的 A. Javan, W. Bennett 和 D. Herriott 在调试世界上第一台输出 1.15微米连续光束的 He-Ne 激光器（ 1960年）。

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

缺点：内腔式激光管较短，输出功率较小。

图 8.2-7 内腔式氦氖激光管结构

出光端

毛细管

阳极

阴极部分反射镜

全反射镜

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

结构特点：毛细管与谐振腔的两个腔镜封装在一起，并且在出厂时已调节至最佳出光状态，输出功率相对稳定，使用时无须再进行调节。

a. 内腔式氦 -氖激光器

缺点：使用时往往需要调节反射镜的方位并擦拭反射镜和布儒斯特窗，以获得最佳激光输出。

半外腔式氦氖激光管结构

布儒斯特窗毛细管

阳极

阴极部分反射镜

全反射镜 布儒斯特窗

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

结构特点：毛细管与腔镜分离，因而可在毛细管的两端或一端加上布儒斯特窗，以获得平面偏振激光输出，并且激光管可以做得较长，输出功率也较大。

b. 外腔式氦 -氖激光器

半外腔式氦氖激光管结构

布儒斯特窗

毛细管

阳极

阴极部分反射镜全反射镜

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

结构特点：毛细管的一端与反射镜封装，另一端与反射镜分离，并加布儒斯特窗。

c. 半外腔式氦 -氖激光器

② 氩离子激光器：离子气体激光器，激活介质为 Ar+离子，主要输出波长 488.1nm 和 514.5nm 。

③ 二氧化碳（ CO2 ）激光器：分子气体激光器，激活介质为 CO2 分子，主要输出波长 10.6m 。

④ 氦镉（ He-Cd ）激光器：离子气体激光器，激活介质为 Cd离子， H

e离子为提高激发效率的辅助气体，主要输出波长 441.6nm 和 325

nm 。 ⑤ 铜蒸气激光器：中性原子蒸气激光器，激活介质为 Cu 原子，主要输

出波长为 510.5nm 。 ⑥ 氮分子激光器：分子气体激光器，激活介质为 N2 分子，主要输出波长

为 337.1nm 。 ⑦ 准分子激光器：分子气体激光器，激活介质为 N2 分子，主要输出波长

为 193nm 、 248nm 、 308nm 和 351nm 。

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

增益介质：若丹明、香豆素、碳化氢等有机染料溶液，或掺钕三氯氧磷等无机液体。

特 点：输出波长连续可调且覆盖面宽，输出功率较高且稳定，结构简单、价格便宜。

常用液体激光器：染料激光器，把有机染料溶于溶剂（乙醇、丙酮、水等）中 , 利用不同染料可获得不同波长（在可见光范围）的激光输出。

说 明：染料激光器一般需要用其他激光器输出的激光来泵浦，常用泵浦源为氩离子激光器。

(3) 液体激光器

法布里 - 珀罗腔

介电反射镜

半导体激光器结构

增益介质：砷化镓、铝镓砷、硫化镉、硫化锌、锑化铟等半导体材料。目前较成熟的是纯质及掺杂砷化镓半导体激光器，发射激光包含可见光到近红外区的多种波长。

(4) 半导体激光器（激光二极管， Laser diode ）

构造原理：通常由 P层、 N层和形成双异质结的有源层构成。

激励方式：光激励、电激励

特点：耦合效率高、寿命长（可达十万至百万小时）、可直接调制、波长和尺寸与光纤尺寸适配、体积小、重量轻、价格低廉、结构简单而坚固。

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

增益介质：经电子加速器加速的高能电子束（能量高达几千万电子伏特）。

工作原理：以真空中运动的相对论电子束在“泵浦场”的激励下经受激辐射放大产生激光。

特点： 可获得非常高的能量转换效率和激光功率（目前的实验室峰值功率达

109W ，平均功率可达 106W ）；

脉冲宽度可调；

波长连续可调且分布范围宽（从毫米波段到软 X 射线）；

光束质量好（发散角接近衍射极限，亮度比一般激光要高得多）。

应用：除用于军事上的定向能武器外，还可广泛用于激光聚变、生物医学、材料科学、光化学、激光光谱学等研究领域。

(5) 自由电子激光器

8.2.6 几种典型的激光器8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

电子加速器

摆动磁场阵列

全反射镜

输出镜

电子束

W

自由电子激光器结构原理

本节重点

8.2 激光的产生与激光器8 激光基础

1. 激光器的基本结构

2. 激光介质中粒子数布居反转的实现

3. 激光器增益系数及阈值条件

4. 辐射线宽的定义

5. 激光纵模和横模的意义

6. He-Ne 激光器的结构特点