激光專題講座1-2

1、激光原理與技術(shù)1960年梅曼根據(jù)肖洛的受激輻射光量子放大理論研制出一臺紅寶石激光器，同年末研制出He-Ne氣體激光器，1962年又公布了砷化鎵半導體激光器運轉(zhuǎn)的報導。我國于1961年研制成功紅寶石激光器，1966年試制出Nd:YAG激光器。到70年代末，各種激光器都已發(fā)展到相當成熟，并得到應(yīng)用。激光與普通光源不同之處在于它具有高的單色亮度，好的單色性和相干性及定向性。激光的出現(xiàn)推動了一些新學科的發(fā)展，比如薄膜光學、非線性光學、全息術(shù)等。50多年來，激光在工業(yè)加工、醫(yī)療診斷、印刷照排、計量檢測等方面獲得廣泛用途。軍事上，激光測距、激光制導、激光通信在戰(zhàn)場上亦付諸使用，激光戰(zhàn)術(shù)雷達已有成功報導，激

2、光戰(zhàn)術(shù)武器在不久的將來也將研制成功。第一專題 激光的基本原理激光的產(chǎn)生涉及光與物質(zhì)的相互作用，為了深入了解激光的產(chǎn)生機理，必須首先了解光輻射理論。處理光輻射問題，可以從光的波動理論說明也可以從光的量子理論解決光輻射的波動理論，在光學原理教程或物理光學中有詳細的講解，其理論體系是從麥克斯韋方程組引入磁矢勢和電標勢，從而推導出關(guān)于磁矢勢和電標勢的達朗伯方程。解方程發(fā)現(xiàn)如果運動的點電荷產(chǎn)生加速度便可產(chǎn)生輻射場。對于束縛電荷來說，可以認為負電子相對于正電荷產(chǎn)生振動，以平衡態(tài)為基準的電子振動必然產(chǎn)生加速度，同時可產(chǎn)生光輻射，這就是洛侖茲的輻射理論。輻射的量子理論是把電磁場的一個模式看成一個光量子，原子與

3、光的相互作用看成是原子和一群光量子的相互作用，量子理論要用到量子力學和量子電動力學知識。在本講義中介紹的激光理論，考慮光的本性時，認為具有波粒二象性，為了討論方便，有時利用波動概念，引入頻率和波長來描述，有時利用粒子概念，引入粒子能量和動量。§1.1 光的模式和光的量子狀態(tài)光具有波粒二象性，從光的波動觀點，其運動規(guī)律由麥克斯韋方程組來決定。當解方程時可得到很多特解，這些解的線性組合也滿足麥克斯韋方程組。每一個特解，代表存在于此空間的一種電磁場分布，或者說是電磁場的一種本征振動狀態(tài)，我們把每一種場的本征狀態(tài)稱為光的一種模式(mode)。光模式是具體的，一種光的模式就是麥克斯韋方程組的一

4、個特解，代表著具有一定的偏振，一定的傳播方向，特定的頻率和固有持續(xù)時間的光波。光波模式是可以區(qū)分的，我們可以求出給定空間體積內(nèi)可能存在的光模式數(shù)目，光模式數(shù)(mode number)可以從傳播方向，頻率和偏振態(tài)來計算。也可以從光子的觀點出發(fā)，用能量、動量和偏振態(tài)來區(qū)分。我們只從光的波動角度來分析。從傳播方向來區(qū)分，由光的衍射來決定，對于平面波，若區(qū)分開兩光束，在傳播方向上必須至少相差一個平面衍射角，由物理光學中衍射理論可知，若衍射孔的大小為單位面積，則空間衍射角為的量級，為光波波長。因此在空間立體角內(nèi)，在單位體積中，在傳播方向上可以分辨出個模式。下面再從頻率方向來區(qū)分，對于頻率不一定是整數(shù)，在

5、頻率到范圍內(nèi)，可以分辨的模式數(shù)由來決定，為一個波列存在的時間，或稱為相干時間。此式在量子力學中是由測不準關(guān)系決定的，在相干理論中，就表現(xiàn)為相干時間與頻率的關(guān)系。設(shè)波列長度為，光速為，則，所以。兩個光波的頻率之差大于才能在測量中分辨出來，因此在到頻率間隔內(nèi)，可能有的模式為，若光波的波列為單位長度，則上式變?yōu)?，最后再考慮偏振態(tài)，我們知道，光有兩種偏振態(tài)。對應(yīng)兩種偏振模式。把上面的討論歸納起來，得到單位體積中在到頻率間隔內(nèi)，因傳播方向、頻率及偏振的不同，可能存在的光模式數(shù)為 (1.1.1)在體積V中，具有的光模式數(shù)為 (1.1.2)§1.2 光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射按照玻爾的原子模

6、型，原子是由原子核和周圍環(huán)繞的電子構(gòu)成的，電子運動軌道是分立的，軌道半徑僅能取下列分立值： (1.2.1)式中n稱主量子數(shù)，只能取整數(shù)；h是普朗克常數(shù)；是介電常數(shù)；m是電荷質(zhì)量；e是電子電荷。電子在軌道上運動具有動能，同時在原子體系形成的靜電場中具有勢能，電子的動能和勢能總和構(gòu)成電子的總能量狀態(tài)。因為電子的能量狀態(tài)反應(yīng)在原子體系中，電子軌道的分立性必然使原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，把原子的某一能量狀態(tài)稱為量子態(tài)，能量最低的量子態(tài)稱為基態(tài)，能量高于基態(tài)的量子態(tài)稱為激發(fā)態(tài)，每一個量子態(tài)都有固定的能量，稱為能級。把所有量子態(tài)按能量大小畫成比例圖，稱為能級圖，任何原子的能級圖都是由許多能級構(gòu)成的。原子在

7、不同量子態(tài)間變化稱為躍遷，躍遷實際上是電子從一個運動軌道變換到另一運動軌道的結(jié)果，從而使原子的能量狀態(tài)發(fā)生突變。如果原子能態(tài)的變化是從低能級躍遷到高能級，就表現(xiàn)為吸收，反之，原子的能態(tài)變化是從高的能量狀態(tài)變成低的能量狀態(tài)，就表示從高能級躍遷到低能級，此時，將放出一個能量為的光子，且光子的能量等于這兩個能級間的能量差，即 (1.2.2)為高能級能量，為低能級能量。在日常生活中，經(jīng)常看到大量發(fā)光體，不外乎是通過加熱、通電、碰撞或光照等，使物質(zhì)的原子由基態(tài)或低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)。因為原子在高能態(tài)是不穩(wěn)定的，它要自發(fā)的降到低能態(tài)或基態(tài)，從而放出光子，產(chǎn)生光輻射。由于原子的能級結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，所以大多數(shù)

8、物質(zhì)產(chǎn)生的光輻射是復(fù)雜的光譜，即包括各種頻率的光子。如果有辦法使躍遷在兩個固定的能級間發(fā)生，便可得到單一頻率的光，激光就是由具有這種特性的物質(zhì)產(chǎn)生的。對于激光工作物質(zhì)，存在一個特殊的能級。在這個能級狀態(tài)下原子具有相對較長的穩(wěn)定時間，稱這樣的能級為亞穩(wěn)態(tài)能級，也叫亞穩(wěn)態(tài)。激光工作物質(zhì)按能級圖大致分為兩類，一類是三能級，另一類是四能級，能級圖如圖1-1所示。圖1-1 激光工作物質(zhì)能級圖能級圖中的激發(fā)態(tài)是表示許多高能態(tài)的集合，當激光工作物質(zhì)被電激發(fā)或光照，其原子便由基態(tài)躍遷到原子激發(fā)態(tài)，然后以無輻射躍遷形式降到亞穩(wěn)態(tài)，并在此態(tài)上停留，隨著激發(fā)的增強和時間的累積，亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)可能大于基態(tài)(三能級)或

9、末態(tài)(四能級)的原子數(shù)，稱此種狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生光放大的基本條件，在設(shè)置光學諧振腔的情況下，便能形成光振蕩與放大，產(chǎn)生激光輸出。在三能級系統(tǒng)中，為了達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)至少要大于總原子數(shù)的一半，而在四能級系統(tǒng)中，末態(tài)原子數(shù)極少，亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)只要大于末態(tài)的原子數(shù)，就實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)了，所以在較弱的激發(fā)條件下也能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，容易產(chǎn)生激光振蕩。下面我們將深入討論光的吸收與輻射是按什么樣的過程進行的：1.光的受激吸收當一束光通過激光工作物質(zhì)，并不是所有的光都被吸收，只有光子能量等于兩能級間的能量差時，才可能被該原子吸收，設(shè)上能級能量為，下能級能量為，則應(yīng)滿足，稱此關(guān)系為共

10、振條件，就是說在滿足共振的條件下，處于任一能級的原子在光的作用下，存在著躍遷到較高能級并吸收光能的可能性，其中是作用到原子上的光的頻率，這種共振條件下的吸收叫做光的受激吸收，以單位體積為基準，設(shè)在時間處于能級上的原子數(shù)(即原子密度)為，處于高能級上的原子密度為，若在時間到，由于從外界吸收了頻率附近的輻射能密度而使得有個原子從躍遷到，則應(yīng)該和入射光能密度，下能級的粒子數(shù)與時間成正比，即 (1.2.3)式中是一個比例系數(shù)，叫做原子從低能級躍遷到高能級的受激吸收愛因斯坦系數(shù)。將(1.2.3)改寫成 (1.2.4)所以等于從到時間內(nèi)，在單位體積內(nèi)，從低能級躍遷到高能級的原子數(shù)和原來在時刻處于低能級上的

11、原子數(shù)之比，可見具有幾率的概念，并稱其為原子受激吸收光的幾率。2.自發(fā)輻射當原子被激發(fā)到上能態(tài)時，它在高能態(tài)上是不穩(wěn)定的，總是力圖使自己處于最低的能態(tài)上,(這里僅考慮兩個能級)。在沒有任何外界作用情況下，它也有可能從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)上，而把相應(yīng)的能量釋放出來，這種輻射過程稱為自發(fā)輻射過程，其輻射釋放能量的方式有兩種，一種是以熱運動的能量放出來(可以看成是持續(xù)放出n個遠紅外波)，稱為無輻射躍遷，另一種是以光的形式輻射出來，稱為自發(fā)輻射躍遷，輻射出的光子能量。在單位體積中，從高能級躍遷到低能級的光子數(shù)應(yīng)該與高能級的原子數(shù)(通稱為粒子)成正比，也與時間成正比，所以應(yīng)有，可寫成 (1.2.5)式中是

12、一個比例系數(shù)，稱作原子從高能級到低能級的自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)，寫成的形式，可以看出等于從到時間內(nèi)，在單位體積中從高能級自發(fā)躍遷到低能級上的原子數(shù)與原來時間處于高能級上的原子數(shù)密度之比。因此，表征單位時間的躍遷傾向，稱為原子的自發(fā)輻射幾率，實驗測得大約為108/秒數(shù)量級。在自發(fā)輻射時，躍遷到低能級的原子數(shù)恰是高能級在同一時間內(nèi)減少的原子數(shù)，因此在時間內(nèi)能級減少的原子數(shù)為 (1.2.6)解上式，得,是起始時處于能級的原子數(shù)。可見高能級原子數(shù)密度是隨時間呈指數(shù)衰減的，上述過程不一定是原子體系，在分子、離子體系中也能發(fā)生，所以在激光術(shù)語中，把能發(fā)射激光的個體稱為粒子。在后面的論述中均用粒子的概念。定義

13、高能級的粒子數(shù)減少到初始時刻的1/e時，對應(yīng)的時間為激發(fā)態(tài)壽命，即滿足，所以應(yīng)有，用代替t，則 (1.2.7)稱為激發(fā)態(tài)壽命，他表示每個原子在激發(fā)態(tài)停留的平均時間，一般在10-8秒量級，可見，激發(fā)態(tài)平均壽命與自發(fā)輻射幾率成反比，由于激發(fā)態(tài)平均壽命很短，輻射光子流的時間是有限的，從光的波動角度看就是波列有限長。知道自發(fā)輻射幾率后，可計算出原子自發(fā)輻射的光強度I，因為在單位時間內(nèi)有個原子從高能級輻射到低能級，每個光子能量為，所以總的輻射光強為 (1.2.8)3.受激輻射處在能級上的任意原子，在光的作用下，存在著躍遷到較低能級的可能性。這種躍遷的產(chǎn)生也需要共振條件，即，其中是作用到原子上的光頻率。這

14、種輻射不是自發(fā)的，不受激發(fā)態(tài)壽命的限制，是一種感應(yīng)誘導作用，稱這種由外界光子感應(yīng)產(chǎn)生的輻射為受激輻射，受激輻射產(chǎn)生的光具有與入射光同頻率、同位相、偏振狀態(tài)相同，傳播方向一致的特點。受激輻射相當于把入射光子增加了，也就是光被放大了。容易理解，單位時間受激輻射的光子數(shù)應(yīng)該與外界入射光能密度成正比，與高能級上的粒子數(shù)成正比，即 (1.2.9)式中為比例系數(shù)，稱為和能級間的受激輻射愛因斯坦系數(shù)。普通發(fā)光光源因激發(fā)能密度很小，因而受激輻射可以忽略上面討論了光與原子相互作用的三種過程，在一個具體的原子系統(tǒng)中，三種過程總是同時存在的，因此原子系統(tǒng)總的效果是對光表現(xiàn)為吸收還是放大，取決于客觀上三種過程哪種過程

15、占優(yōu)勢，當受激吸收勝過受激輻射時總的效果表現(xiàn)為原子系統(tǒng)對光的吸收，當受激輻射勝過受激吸收時，總的效果表現(xiàn)為原子系統(tǒng)對光的放大由于自發(fā)輻射幾率與入射光能密度無關(guān)，因此當入射光能密度很大時，自發(fā)輻射相對其它兩個過程是較弱的，可以忽略其作用。 下面我們分析產(chǎn)生光放大的條件：光的受激吸收與光的受激輻射是一對矛盾著的兩個方面，受激吸收使入射光減弱，受激輻射使入射光增強，并且愛因斯坦吸收系數(shù)與受激輻射系數(shù)相等，而過程恰恰相反。上面討論是忽略了自發(fā)輻射過程，因為當激發(fā)強度很大時，自發(fā)輻射的作用是很小的。自發(fā)輻射僅在激發(fā)開始時起作用，隨著激發(fā)過程，自發(fā)輻射與受激輻射相比處于次要地位。如前所述，設(shè)和能級上的粒子

16、數(shù)分別為和，單位時間內(nèi)受激吸收的光子數(shù)應(yīng)為： 由受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)為： 則單位時間入射光子數(shù)的變化為： (1.2.10)當，說明吸收大于輻射，條件為。當，表明輻射大于吸收，條件是。對于一般物質(zhì)，在熱平衡狀態(tài)，低能級的粒子數(shù)總是大于高能級的粒子數(shù)，因此日常所見光總是被物質(zhì)吸收。若想產(chǎn)生光放大，必須破壞熱平衡條件的粒子數(shù)分布，使，如果實現(xiàn)了高能級粒子數(shù)多于低能級粒子數(shù)，我們就說兩個能級間產(chǎn)生了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，或稱為粒子數(shù)反分布。在這種狀態(tài)相當于玻爾茲曼分布公式中的溫度是“負”的，所以有時候稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)體系為“負溫度狀態(tài)”，這里的“負”僅是一種等效表述方式而已，并不是物質(zhì)的溫度變成了“負”(絕對

17、溫度沒有負的概念)。通過上面討論可知，若想實現(xiàn)光放大，必須靠受激輻射大于受激吸收，而其條件是高能級粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，即達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因此最早期稱激光為：Light amplification by stimulated emission of radiation.，其原意是：利用受激輻射對光進行放大，縮寫成Laser, 中文譯成激光。§1.3 光的放大與增益在物理光學中，討論光吸收時，我們知道光強隨通過介質(zhì)的厚度成指數(shù)衰減，即通常所說的朗伯定律，即表現(xiàn)形式為 (1.3.1)式中稱為吸收系數(shù)，對于激光工作物質(zhì)產(chǎn)生光放大其規(guī)律與光吸收是一樣的，也遵守指數(shù)規(guī)律，即通過長度為的激光工

18、作物質(zhì)，放大光強與輸入光強滿足關(guān)系 (1.3.2)式中稱為增益系數(shù)，簡稱為增益。這里要特別注意，增益并不表示放大倍數(shù)，它表示一種激光工作物質(zhì)，在單位長度上具有的指數(shù)放大能力，而把 (1.3.3)稱為放大系數(shù)，直接表示放大后的光強是輸入光強的倍數(shù)，在光放大理論分析中，總是用增益來描述放大能力，因為光的強度按指數(shù)增加，用放大倍數(shù)去說明不易找到規(guī)律性結(jié)果，只有用增益的概念去分析才能得到恰當表示公式和建立相應(yīng)的理論體系。對于任何激光工作物質(zhì)，其放大能力是有限度的，也就是它的增益系數(shù)不能任意增加，總有一定的限度，即或外部的激發(fā)光再強，也就是無限增加時，系數(shù)也不能隨之無限增加，這容易理解，因為激光工作物質(zhì)

19、單位體積內(nèi)的原子數(shù)(通稱為粒子數(shù))是有限的，如果所有的原子都被激發(fā)到高能態(tài)，基態(tài)的粒子數(shù)降到零，則激發(fā)光的增加也不能使高能級粒子數(shù)增多了。因此，增益系數(shù)最初是隨激發(fā)光強的增加而逐漸增大的。但是增加的越來越慢，最后趨向定值。當增益不再增加時，我們就說增益飽和了。§1.4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)上一節(jié)中已提出，如果，便稱為粒子數(shù)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，但是詳細分析結(jié)果，這種表述還不十分確切，嚴格地說，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件不僅要考慮上下能級粒子數(shù)，還要考慮同一能態(tài)上的粒子運動狀態(tài)，即退化度，也就是說，在同一運動狀態(tài)具有多個粒子，在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時只能按一個粒子計算，所以粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件一般寫成，若則。為了能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必

20、須靠強激發(fā)，根據(jù)激光工作物質(zhì)的不同，激發(fā)可以用光或電，固體激光工作物質(zhì)均用光激發(fā)，而氣體和半導體激光全是用電激發(fā)，我們以固體激光工作物質(zhì)為例，討論如何使粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)。1. 三能級工作物質(zhì)圖1-2 紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)圖三能級激光工作物質(zhì)的典型代表是紅寶石晶體，它的分子式是，能級結(jié)構(gòu)特性主要取決于離子。的外層電子組態(tài)為,摻入剛玉后失去三個電子，剩下三個外層電子，以三價離子的形式存在。紅寶石的光譜特性是的殼層上三個電子發(fā)生能級躍遷的反映，但這三個電子由于暴露在外層，受基質(zhì)晶格的影響很大，紅寶石的離子在強晶格場的作用下，其能譜發(fā)生很大變化，呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級分裂和重新組合情況，經(jīng)過實驗和理論

21、分析，已得到紅寶石的能級結(jié)構(gòu)圖如圖1-2，此圖可簡化成圖1-1中的a)。1-3 紅寶石中鉻離子的吸收光譜在圖1-2中是基態(tài)，對應(yīng)三能級系統(tǒng)中的基態(tài)能級,是亞穩(wěn)態(tài)，對應(yīng)圖1-1中的、 、是兩個吸收能帶，對應(yīng)三能級的激發(fā)態(tài)。激光的產(chǎn)生是從能級向基態(tài)能級躍遷的結(jié)果，和是兩個很寬的吸收譜帶，對應(yīng)的吸收峰為410nm，為紫藍光，稱為U帶， 對應(yīng)的吸收峰為550nm，為黃綠光，稱為Y帶，兩個吸收帶均有100nm左右的吸收帶寬，具體吸收曲線見圖1-3，為了有效的激發(fā)，選取激發(fā)光，通常稱為泵浦光，必須與吸收帶相匹配，氙燈或氪燈在這兩個譜帶上有強的發(fā)射能力，是比較理想的泵浦源。 在沒有光激發(fā)之前，紅寶石的離子幾

22、乎全部處于基態(tài)，當強脈沖氙燈照在紅寶石晶體上，由于和的寬帶吸收，使基態(tài)粒子躍遷到激發(fā)態(tài)上，這種過程稱為光泵或光抽運，單位時間抽運到能級上的鉻離子數(shù)是被抽運到狀態(tài)的粒子有兩種去向，一是自發(fā)輻射躍遷回到基態(tài)，自發(fā)輻射系數(shù)是，另一個去向是經(jīng)無輻射躍遷到能級上。所謂無輻射躍遷，是指三價鉻離子和晶格振動相互作用，使鉻離子的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц駸嵩斐删w升溫，而鉻離子自身躍遷到能量較低的能級上。這個過程叫馳豫過程，在此過程不發(fā)光，所以稱之為無輻射躍遷。無輻射躍遷系數(shù)用表示，單位時間經(jīng)過無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到能級上的鉻離子數(shù)為，從到自發(fā)輻射粒子數(shù)是。實測結(jié)果表明，紅寶石的秒，而/秒，可見，所以，在激發(fā)態(tài)上的鉻離子

23、絕大部分是無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)能級上， 能級如果再細分，具有兩個很近的子能級，這兩個子能級具有很銳的譜線寬度，無論是吸收還是輻射都對應(yīng)銳譜線，這兩個子能級。也有吸收作用，但是很弱。然而，在此能級上的停留壽命卻很長，實測結(jié)果約3ms左右，對三能級結(jié)構(gòu)而言， 的兩個子能級只看成是一個亞穩(wěn)態(tài)，只不過躍遷波長略有差別而已。從的2A子能級躍遷到基態(tài)產(chǎn)生692.9nm輻射，而從子能級躍遷到基態(tài)產(chǎn)生694.3nm的輻射。從上面討論可知，經(jīng)無輻射躍遷，粒子從轉(zhuǎn)移到能級上，由于這兩個能級的躍遷速率大，且能級壽命長，經(jīng)過一定時間(小于能級壽命)上的粒子數(shù)可能多于基態(tài)的粒子數(shù)，此時，便形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，構(gòu)成光放大條件

24、。事實上，即或?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也是一種動態(tài)過程，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度是隨時間而變化的，因為在能級上的粒子也有兩種輻射過程，一是自發(fā)輻射回到基態(tài)，二是靠受激輻射回到基態(tài)，兩個過程都是發(fā)光的，在形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)之前，自發(fā)輻射是主要的，受激輻射可忽略，這時發(fā)出的光叫熒光。當粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到很高的程度時，受激輻射便占主導地位，而自發(fā)輻射可以忽略了。當泵浦光一直在抽運，單位時間抽運到上的粒子數(shù)大致等于激發(fā)到激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)，其數(shù)量為，而同時從能級回到基態(tài)的鉻離子數(shù)為，所以在能級上，實際凈剩粒子數(shù)為 (1.4.1)當泵浦燈的閃光集中在紅寶石激光工作物質(zhì)上的光能密度足夠大時，(1.4.1)式右邊為正，即由于激發(fā)轉(zhuǎn)移

25、到上的鉻離子數(shù)大于從自發(fā)輻射回到基態(tài)的粒子數(shù)。因此亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可能越積越多，當達到時，便處于粒子反轉(zhuǎn)臨界值，其中為單位體積內(nèi)鉻離子總數(shù)。則此時有 在臨界值以上能級繼續(xù)積累鉻離子，便形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此，實現(xiàn)必須滿足條件 (1.4.2)顯然，閃光燈的光能密度越大越好，同時希望大，盡量小，大要求激光晶體材料具有多重展寬的激發(fā)吸收帶，而的減小，必須滿足能級壽命足夠長。2. 四能級工作物質(zhì)圖1-4 Nd：YAG晶體的能級結(jié)構(gòu)典型四能級激光工作物質(zhì)是摻釹釔鋁石榴石，用符號表示為Nd3：YAG，石榴石的化學分子式是,它屬于立方晶系，摻釹濃度一般在12%。Nd3：YAG晶體中的激活離子為Nd3，其外層的

26、電子組態(tài)為，其中殼層未填滿，其它都是滿殼層，未滿殼層的單個電子可以處于不同的運動狀態(tài)，結(jié)果形成一系列能級，其能級圖如圖5-4。它可以簡化成圖5-1b)的四能級系統(tǒng)，能級對應(yīng)四能級系統(tǒng)的亞穩(wěn)態(tài)，測量表明它具有230s的時間壽命，此態(tài)之上的所有能級總括為激發(fā)態(tài)，主要有五個吸收光譜帶，中心波長分別在525nm，585nm，750nm，810nm和870nm附近。每個帶寬約為30nm，其中以750nm和810nm為中心的兩個吸收帶最為重要，其吸收光譜如圖1-5。能級為基態(tài)，該能級實際上還是由很接近的子能級構(gòu)成的。稱其最下邊的能級為基態(tài)。和等效于四能級系統(tǒng)的末態(tài)(或稱終態(tài))，由亞穩(wěn)態(tài)向末態(tài)和躍遷分別對應(yīng)

27、發(fā)射激光波長1.064m和1.35m，兩條熒光線的分支比為0.6：0.25，分配比例數(shù)的減少是因為從亞穩(wěn)態(tài)向基態(tài)的上部子能級也存在躍遷的可能，其占有的比例數(shù)是14%。只于能級，由于能級窄，躍遷幾率小，不足1%，可以忽略。在目前的Nd：YAG激光器件中，發(fā)射波長均為1.064m，實現(xiàn)1.35m和0.914m發(fā)射比較困難，需要采用強泵浦光和特制匹配的窄帶反射鏡和輸出鏡。圖1-5 Nd：YAG晶體在300K時的吸收光譜下面分析一下四能級系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過程，與三能級固體工作物質(zhì)類似，也是采用光激發(fā)，目前主要用氙燈和氪燈。在未激發(fā)前，幾乎所有釹離子都處于基態(tài)；，上面的所有能級粒子數(shù)接近零。用泵燈激發(fā)后

28、，釹離子被抽運到激發(fā)態(tài)并以無輻射躍遷快速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)能級上，因為，所以認為抽運到激發(fā)態(tài)上的粒子全部躍遷到上，其粒子數(shù)應(yīng)為。我們僅考慮從向的躍遷，常溫下， 的粒子數(shù)為0，但是，由于從向的自發(fā)輻射使得末態(tài)的粒子數(shù)增多，其粒子數(shù)應(yīng)為，如果達到 (1.4.3)的條件便實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實際上由于能級還向基態(tài)產(chǎn)生無輻射躍遷，使該能級的粒子數(shù)減小，其數(shù)量為，還有助于實現(xiàn)(1.4.3)的條件?？梢?，四能級系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件發(fā)生在亞穩(wěn)態(tài)和終態(tài)之間，而不是基態(tài)，由于終態(tài)的粒子數(shù)在初始時為零，雖然亞穩(wěn)態(tài)的粒子數(shù)由于自發(fā)躍遷降到終態(tài)，但是由終態(tài)向基態(tài)的躍遷非?？欤韵喈斢诮K態(tài)的粒子數(shù)很少，只要亞穩(wěn)態(tài)聚集一定的粒

29、子數(shù)，便可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。對于三能級系統(tǒng)，為了產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)的粒子數(shù)至少是總粒子數(shù)的一半，而在四能級系統(tǒng)中只要亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)多于終態(tài)粒子數(shù)就可以，所以在低強度抽運時也能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而在技術(shù)上更容易實現(xiàn)激光輸出。§1.5 光學諧振腔及其作用圖1-6 諧振腔當激光工作物質(zhì)上下兩能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，對頻率的光具備了放大條件，如果是光一次通過，放大是有限的，一般只有幾倍。為了產(chǎn)生激光，需要制成多次循環(huán)放大機構(gòu)，使光子放大達到若干數(shù)量級，也就是讓光形成振蕩，在特定方向產(chǎn)生放大，從而獲得高度準直的激光輸出。為此目的，給激光工作物質(zhì)設(shè)置一種光學機構(gòu)稱為諧振腔。它是由一個全反射

30、鏡和一個輸出鏡構(gòu)成的，如圖5-6。當激光工作物質(zhì)被激發(fā)后，在諧振腔的作用下，便形成一個有源振蕩器稱這種光振蕩器為激光器。在電子振蕩器的概念中，除了有放大元件外，還要有正反饋諧振電路和輸出耦合元件，激光器的諧振腔就是起到正反饋諧振作用，而輸出鏡由于采用部分反射鏡，它既能實現(xiàn)耦合輸出，又與全反鏡一起形成正反饋諧振裝置。激光工作物質(zhì)、泵浦燈和諧振腔是固體激光器的三要素，激光諧振腔的結(jié)構(gòu)對激光輸出特性有重要影響，比如輸出功率、激光模式、激光發(fā)散角等都與諧振腔有關(guān)。激光諧振腔一般可由兩個平面鏡、兩個球面鏡或一個平面鏡與一個球面鏡組成。兩塊反射鏡置于激光工作物質(zhì)的兩端，一端是全反鏡，另一端是部分反射鏡。腔

31、鏡的反射率是通過鍍光學介質(zhì)膜獲得的，光學鍍膜原理與技術(shù)在物理光學或薄膜光學中已有詳細介紹，這里不再詳細講述了。光學諧振腔的好壞是用下列幾個指標衡量的。(1)諧振腔的穩(wěn)定性光線經(jīng)過腔鏡多次反射構(gòu)成封閉系統(tǒng)或者經(jīng)過多次反射才能耦合到腔外，這種腔稱為穩(wěn)定腔。只經(jīng)過兩三次或很少反射次數(shù)就使光線逸出腔外稱為非穩(wěn)定腔，腔的穩(wěn)定情況與腔鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)。用周期性透鏡系統(tǒng)模型可推導出諧振腔穩(wěn)定條件為 (1.5.1)式中為諧振腔腔長，和分別為兩個腔鏡的曲率半徑，令， 則(1.5.1)式變成 (1.5.2)稱、為諧振腔的結(jié)構(gòu)因子，滿足此條件的腔型為穩(wěn)定腔，不滿足此條件的腔型叫做非穩(wěn)腔，絕大多數(shù)激光器都選取穩(wěn)定腔型，只有

32、高增益激光介質(zhì)才能選用非穩(wěn)腔，以為橫坐標，為縱坐標，劃出曲線圖如圖1-7圖1-7 諧振腔穩(wěn)定圖圖中每一點都表示一組、值，可以清楚的看到滿足條件的點均落在兩條雙曲線與、軸之間的斜線區(qū)域上，在此區(qū)域上，諧振腔是穩(wěn)定的，此區(qū)域外均是不穩(wěn)定的。比如，平行平面腔，該點落在一象限雙曲線上，即斜線區(qū)的邊緣A點，因此是穩(wěn)定的，但是很臨界；平凹腔，則，該點落在一象限斜線區(qū)的中間，即B點周圍全是穩(wěn)定區(qū)，所以這種腔型非常穩(wěn)定，再比如，共焦腔，故，表明該點落在穩(wěn)定圖坐標原點上，如果其誤差偏向1、3象限是穩(wěn)定的，若偏向2、4象限就將跳到非穩(wěn)區(qū)。設(shè)計腔型時使其落在穩(wěn)定區(qū)是非常重要的。(2)調(diào)整精度圖1-8 激光諧振腔調(diào)整

33、精度示意圖為了構(gòu)成諧振腔，兩腔鏡需要調(diào)整到精確平行，如果用球面鏡需要調(diào)節(jié)到精確同軸，如圖5-8所示。為了使兩腔鏡平行或同軸，必須使圖5.8中的角為零，如果嚴格要求角為零，在調(diào)整上難度較大，特別是受沖擊、振動影響嚴重。從諧振腔的穩(wěn)定角度，設(shè)計腔型應(yīng)允許有較大的偏離角而不影響激光輸出。對于球面腔就具有這種特性。(3)模體積固體激光工作物質(zhì)一般做成圓柱棒，而氣體激光工作物質(zhì)也多半充在圓管內(nèi)。激光束在諧振腔內(nèi)并不是完全充滿整個激光工作物質(zhì)，而是具有特定的分布形式，通常稱為高斯光束(關(guān)于高斯光束的具體表達形式在下一節(jié)將詳細講述。本節(jié)僅提出高斯光束的名稱)只有高斯光束通過的那部分才會對激光輸出有貢獻。高斯

34、光束在激光工作物質(zhì)中占有的體積稱為“模體積”。模體積越大對增加激光輸出越有好處，而模體積與諧振腔型的選取有直接關(guān)系。下面是幾種腔型的模體積圖，一看便知，平行平面腔模體積最大，而共心腔和半共心腔模體積最小，大曲率鏡腔的模體積僅次于平行平面腔。圖1-9是幾種典型腔模體積圖1-9 幾種典型腔模體積(4)激光發(fā)散角激光光斑直徑隨傳播距離而增大稱為光束發(fā)散。發(fā)散程度用發(fā)散角來衡量。發(fā)散角有時也稱為發(fā)射角。激光發(fā)射角全角定義為光束最外側(cè)光線與傳播軸夾角的二倍，或者看成是在過軸線的截面上最外兩側(cè)光線的夾角，如圖1.10圖1-10 激光發(fā)散角發(fā)散角可由下式求出 (1.5.3)諧振腔對發(fā)散角有重要影響，平行平面

35、腔的發(fā)散角最小，可以達到衍射極限，而半共焦腔的發(fā)散角就很大，所以一般不采用。從上面的全部分析可知，任何一種諧振腔都不是萬能的，在某些方面的優(yōu)點還將存在其他方面的缺欠。本節(jié)對諧振腔的論證分析就是使設(shè)計者能根據(jù)實際需要去靈活設(shè)計或適當選擇最理想的腔型。§1.6激光的模式特征1.激光的橫模根據(jù)光學原理知識，我們知道，光波從波面特征可分為平面波，球面波以及柱面波等，不同的光波可以用不同的數(shù)學表達式來描述，光波的數(shù)學表達式可分為振幅和位相兩部分。振幅反映能量特性，而位相反映光波的時空變化激光在諧振腔中是處于反射鏡之間來回傳播的光束，最終將變成即不是平面波也不是球面波，而是一系列具有特殊振幅分布

36、的光波形式。不同的光波形式在垂直于光束截面上的強度分布是不同的，并呈現(xiàn)出不同的光斑花樣。把每一種特定的光斑花樣分布稱為激光諧振腔的一種振蕩模式。并用TEMij來表示，i j取0和自然數(shù)，光束質(zhì)量最理想的激光器是i=0、j=0，稱這種振蕩模式為“基模”并用TEM00來表示，用衍射的標量理論可以求出圓形穩(wěn)定諧振腔基模的電場分布如下面的數(shù)學表達式 (1.6.1)式中是點的電矢量，即光振動。與第一個e指數(shù)的乘積表示振幅部分，后面的e指數(shù)表示位相部分。振幅部分中的是一常數(shù)，類似于平面波中的恒定振幅，是點的光斑尺寸，其表達式為 (1.6.2)(1.6.2)式中的是處的值。(1.6.1)式中第一個e指數(shù)稱為

37、高斯函數(shù)，表示振幅分布。具有這種指數(shù)振幅分布的光束稱為高斯光束。因此，通常說基模光束是高斯光束就是這樣由來的。在第二個e指數(shù)中的是在z處波前的曲面半徑 (1.6.3)是與z相關(guān)的位相因子 (1.6.4)1-11 高斯光束的幅度分布圖(a)幅度分布 (b)光束輪廓激光束在很多方面類似于平面波，但是光場的強度分布不是均勻的，而是高斯函數(shù)分布形式如圖1-11，圖1-12示出了基模激光束和較高模式激光束的強度分布曲線和光斑花樣。圖1-12激光束強度分布曲線和光斑花樣下面對高斯光束的特征作一下簡要的分析。從式(1.6.2)可見，激光束的寬度是隨傳播距離z的增大而擴展的，定義光強減弱至軸上的1/e處，相距

38、中心軸的距離為光束半徑，在z=0的位置，由式(1.6.2)得出(注意z=0的位置是諧振腔結(jié)構(gòu)決定，并不是激光輸出端面)。此處光束半徑最小，稱此處位置為束腰，將z=0代入(1.6.1)式中，則有 (1.6.5)說明z=0處的波陣面為平面，與平面波完全相似。在束腰位置上，高斯光束縮到最小直徑，當Z不等于0時，光束將按式(1.6.2)展開，隨z變化的高斯光束輪廓見圖1-11(b)高斯光束遠場衍射半角為 (1.6.6)所以遠場發(fā)散角最小為。高斯光束的波面曲率在傳播過程中也是不斷變化的，在束腰處，當時，有最小值，并且當z很大時按漸近線接近Z，此時，光束相對于理想的平面波經(jīng)歷一段相移，它相當于位相超前并由

39、(1.6.4)式給出。由上可知，對一定的高斯光束，只要給出束腰W0，則R、W和隨Z的變化關(guān)系就可以完全確定了，因此稱W0是高斯光束的特征參量。2.激光的縱模上面討論的光模式均指光場的橫向分布特性，一般稱為橫模，在諧振腔的縱向分布上光場也表現(xiàn)出不同的分布形式。把這種縱向的固定分布模式稱為縱模，縱模實際表征諧振腔中可能存在的駐波類型，或者說是諧振腔允許振蕩的光波頻率。只有能形成穩(wěn)定駐波的光頻率才能在諧振腔中振蕩，所以諧振腔還具有限制振蕩頻率的作用，不是激光工作物質(zhì)所有的熒光波長都能形成激光振蕩。激光縱?？梢杂霉鈱W法珀板的原理來說明。當用兩塊平行平面反射鏡作諧振腔就相當一個法珀標準具(用球面境也能形

40、成法珀標準具)，在諧振腔中，能形成振蕩的頻率滿足，式中為程差，為腔長，n為光學晶體折射率，為折射角。對于激光諧振腔，光線總是與鏡面垂直的，相當于，所以極大條件為則 (1.6.7)可見，滿足振蕩條件的頻率是一系列等間隔的頻率。每個振蕩頻率就稱為一個縱模，相鄰兩縱模的頻率差為，從(1.6.7)式可知，激光諧振腔允許振蕩的頻率顯然不是連續(xù)的，但仍有無限多個，然而，由于激光工作物質(zhì)發(fā)射的熒光譜寬度是很窄的，即從亞穩(wěn)態(tài)能夠發(fā)射的熒光譜線是銳的，所以諧振腔能夠產(chǎn)生激光的頻率或者說是縱模一般是很少的幾個。圖1-13示出了諧振腔允許的縱模振蕩和激光工作物質(zhì)的熒光線寬。 從圖中可見，該諧振腔只能允許5個縱模振蕩

41、。圖1-13 縱模序列與激光工作物質(zhì)的熒光線寬§1.7閾值條件閾值條件是指激光工作物質(zhì)在諧振腔的限定下，能形成振蕩所需的最低條件，只有高于此條件才能發(fā)射激光。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)只是構(gòu)成光放大條件，還不等于達到激光振蕩的條件。因為在激光放大的過程中，還可能存在多種損耗。如果放大不足以彌補損耗，激光諧振腔就不能形成振蕩，不能輸出激光。圖1-14 如圖1-14所示，表示一個最簡單的有源激光諧振腔，激光棒的長度為，腔鏡緊貼激光棒的兩端，所以腔長與激光棒長相等，設(shè)激光工作物質(zhì)在光激勵下已達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即，自發(fā)輻射的光射向四面八方，其中必然有一部分光的方向是沿著諧振腔的軸向傳播，偏離腔軸線的光從激

42、光棒側(cè)面射出腔外，只有沿腔軸方向傳播的自發(fā)輻射光才能引起受激輻射產(chǎn)生光放大。設(shè)圖中左端沿軸向傳播的光強為，在傳播過程中，由于受激輻射光放大，經(jīng)過腔長，到達腔的右端被放大倍數(shù)，而由于損耗，包括吸收、衍射等，被減少倍數(shù)為，因此到達右端總的光強為，設(shè)右端為輸出端，其腔鏡反射率為，則從鏡反射回的激光強度為，再返回到左端時，光強變?yōu)?，從再返回，并設(shè)為全反射鏡，則光強表示為。顯然，為了使光在往返傳播中不衰減，并變得越來越強，必須即 (1.7.1)式(1.7.1)取等號，則 (1.7.2)稱此條件為激光閾值條件,該式是激光工作原理最基本的公式，它可寫成另一種形式 (1.7.3)該式表明閾值條件就是增益等于損

43、耗的條件，表示是激光棒吸收引起的損耗，表示是由兩個反射鏡造成的損耗，如果，為了全反射，為部分反射，則就表示諧振腔耦合輸出造成的損耗，而這一部分損耗，對諧振腔的振蕩是不利的，但是對激光輸出是有用的部分。通常在固體激光器中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是由閃光燈抽運實現(xiàn)的，并且，抽運到高能級的粒子數(shù)正比于抽運光能密度 ，而閃光燈的光能密度又與輸給燈的電功率有關(guān)。只有當儲能電容器上的電能達到一定值(為電容，為電壓)，由它激發(fā)的泵浦光能再集中到晶體棒上，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度超過閾值條件，才能產(chǎn)生激光輸出。我們定義恰好使激光器產(chǎn)生激光輸出所需要的最低電容器儲能為抽運閾值能量，簡稱閾值。這個概念在激光器件中經(jīng)常用到，在閾值以下

44、，激光晶體只能發(fā)出熒光，不能形成激光振蕩。在氣體激光器和半導體激光器中，也存在閾值的概念，因為氣體或半導體激光均用電激勵。是否產(chǎn)生激光與激勵電壓和電流有關(guān)。對于氣體激光器激勵電壓一般比較高，表征它的閾值不僅要涉及放電電壓，還要考慮放電電流，因此，嚴格確定氣體激光的閾值不能用單一參數(shù)描述。對于半導體激光器供電電壓很低。是否產(chǎn)生激光的主要激勵特性表現(xiàn)在施加電流密度上，因此通常用閾值電流密度的概念來說明半導體激光器的閾值條件。從閾值條件公式(1.7.3)中可見。在腔長和吸收損耗確定后，閾值與諧振腔鏡的反射率有密切的關(guān)系，在激光器的設(shè)計中，總是把一端設(shè)計成全反射，另一端是部分反射，以便實現(xiàn)激光耦合輸出

45、。若取全反射鏡的反射率則越接近100，閾值就越低，但是越大，輸出耦合激光就越少，而研制激光器的目的是為了得到足夠的激光輸出，因此，的反射率不能隨便選取，要兼顧閾值和輸出耦合。可以從理論上推出一個最佳輸出耦合度公式，其表示形式為： (1.7.4)式中為泵浦源輸入功率，反射鏡漏失損耗，一般接近于零激光輸出頻率吸收泵浦光頻率損耗系數(shù)腔長、依次為電光效率，吸收效率，量子效率和聚光效率飽和功率密度激光棒的截面積上式中可以認為是常數(shù)，若大則小，此時大，閾值高反之小大，此時小，閾值低從公式可見，輸出鏡最佳反射率與泵浦輸入功率有關(guān)，在泵浦功率較低時，應(yīng)以降低激光閾值為主要目的，而在高功率泵浦時，輸出鏡的反射率

46、應(yīng)小些，此時可獲得大的激光輸出，上面的理論公式，由于許多參數(shù)不易測出，所以靠計算并不準確，常規(guī)的辦法是通過實驗來確定，比如，Nd:YAG脈沖激光器，由于泵浦功率通常高出閾值5倍以上，所以輸出鏡的反射率選取1030的范圍。對于連續(xù)YAG激光器，泵浦燈不能達到很高的強度，所以一般選取7590的反射率，對于HeNe氣體激光器，輸出鏡反射率很高，一般選取9598左右，而CO2激光器則多半選取50-60。第二專題 固體激光器件器件包括很多種，目前最成熟、應(yīng)用激光最普遍的激光器件有固體、氣體和半導體激光器。此外，還有液體激光器、染料激光器等。對于高能激光器則有化學激光器、氣動激光器、準分子激光器和自由電子

47、激光器等。本章節(jié)主要講述固體激光器。由于近些年半導體激光泵浦固體激光器技術(shù)發(fā)展很快，因此對半導體激光器也做一點介紹。§2.1 固體激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)是產(chǎn)生激光的核心，我們首先介紹幾種典型的固體激光工作物質(zhì)。從理論上來說，凡是具有亞穩(wěn)能級并能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的固體材料都可以做成固體激光器。但從實踐上，由于考慮激光工作物質(zhì)的轉(zhuǎn)換效率、材料的化學穩(wěn)定性、機械強度和抗光傷強度、光學質(zhì)量、溫度適應(yīng)性以及生長晶體的工藝可行性等，目前，人們研制出的適用固體激光材料還是很有限的，真正被應(yīng)用的還不過10種。最早出現(xiàn)的是紅寶石激光材料。1960年美國人梅曼做出的第一臺激光器就是利用紅寶石晶體。1.

48、紅寶石晶體紅寶石激光晶體是以剛玉(或稱白寶石)單晶為基質(zhì)，以鉻離子為激活粒子所組成的晶體激光材料。剛玉的化學組分是Al2O3，其自身又有多種異構(gòu)體，其中- Al2O3就是紅寶石基質(zhì)晶體，在- Al2O3中摻入0.03-0.07%(重量比)的Cr+3，晶體呈現(xiàn)淡紅色。通稱紅寶石屬于六角晶系，所以是單軸晶體，其對稱軸，即光軸為C軸，當摻入鉻離子后，Cr+3部分地取代- Al2O3點陣上的Al3+，而成為紅寶石晶體。紅寶石對紅光波段尋常光折射率no=1.763，對于非尋常光折射率ne=1.755。紅寶石晶體一般采用火焰法或提拉法生長。最早期用火焰法。由于生長晶體光學質(zhì)量不易控制，目前的廠家都用提拉法

49、生長。生長速度大約3mm/每小時。根據(jù)生長軸的不同，又分為0°和90°晶體，此外還有60°晶體。所謂0°晶體就是生長軸與光軸C的夾角為0°的晶體。90°晶體就是生長軸與光軸垂直。0°紅寶石靜態(tài)工作時發(fā)射無偏振光。而90°紅寶石輸出具有線偏振特性。紅寶石主要有兩個吸收帶，其中心波長處于410nm和550nm。它屬于三能級系統(tǒng)，亞穩(wěn)態(tài)壽命約為3ms，發(fā)射激光波長為694.3nm和692.9nm。紅寶石激光晶體具有很強的機械性能，其硬度為9，化學穩(wěn)定性非常好，是早期最佳的固體激光材料。但是由于其閾值較高，連續(xù)工作或高重復(fù)

50、頻率工作有困難，在上世紀70年代逐漸被Nd:YAG晶體所取代。但是由于紅寶石晶體發(fā)射紅光，目前還沒有新的激光材料能夠代替，所以在要求使用紅光激光器的應(yīng)用領(lǐng)域仍青睞紅寶石激光晶體材料，比如激光美容機，脫毛機等應(yīng)用，紅寶石激光器仍占有重要地位。2. 摻釹釔鋁石榴石晶體以釔鋁石榴石（YAG）單晶為基質(zhì)材料，摻入適當?shù)娜齼r稀土離子Nd+3，便構(gòu)成摻釹釔鋁石榴石晶體。用符號表示為Nd:YAG。釔鋁石榴石的化學式為Y3Al5O12,是由Y2O3和Al2O3按分子比3：5化合而成，其結(jié)晶點陣上Y3+、Al3+和O2按一定規(guī)律排列。當摻入Nd2O3后，在原來Y3+的點陣上部分地被Nd+3取代，形成淡紫色的Nd

51、:YAG晶體。摻雜濃度約1（以Nd原子百分比表示，相當重量百分比為0.725），Nd:YAG晶體屬立方晶體，光學上各向同性，它的物理化學性質(zhì)基本決定于YAG單晶，其硬度為88.5左右，室溫下對1m光波其折射率n=1.82。目前國際上絕大多數(shù)廠家用提拉法生長Nd:YAG晶體，在氬氣氛中沿111或011方向拉制，生長速度一般限定在1mm/每小時。目前國內(nèi)至少有五、六家大型生產(chǎn)單位，可拉制出50×200mm的大塊晶體。Nd:YAG激光晶體屬于四能級結(jié)構(gòu)，閾值很低。亞穩(wěn)態(tài)熒光壽命為230s，它有五個吸收帶，其波長為525 nm、585nm、750nm、810nm和870nm。最容易發(fā)射的激光

52、波長為1064nm,如果經(jīng)過特殊的選頻方法還能得到0.914m和1.35m波長的激光振蕩，但是其閾值比1064nm激光振蕩高得多。早期不被人們所選取，近幾年由于開發(fā)激光新波段，914nm激光發(fā)射技術(shù)被逐步重視，特別是通過該波長可用激光倍頻技術(shù)實現(xiàn)藍色激光輸出，在激光彩色電視和成像技術(shù)中得到應(yīng)用。Nd:YAG激光晶體是目前國際上應(yīng)用最廣的優(yōu)質(zhì)固體激光材料，其不足之處是難以生長更大的尺寸，且價格較貴。3. 釹玻璃激光材料釹玻璃是固體激光器中一種常用的工作物質(zhì)，它是在光學玻璃基質(zhì)中摻入一定比例的Nd2O3制成的，Nd2O3的摻量一般為15（重量比1左右），常用的玻璃基質(zhì)為K2O-BaO-SiO2系統(tǒng)

53、，即硅酸鹽基質(zhì)玻璃。在光學玻璃制備工藝的基礎(chǔ)上，摻入Nd2O3，經(jīng)過熔煉和攪拌，很容易獲得超大尺寸的玻璃塊，目前制成長2米直徑200mm的大型玻璃棒已經(jīng)不是難事。同時也可以用釹玻璃制成直徑幾微米的玻璃光纖，做成光纖激光器和放大器。 釹玻璃和Nd:YAG晶體都是以Nd+3作為激活離子，所以在吸收譜和發(fā)射譜方面，釹玻璃與Nd:YAG相類似，它雖然也屬于四能級系統(tǒng)，但由于其熱性能較差，它的傳導率比YAG晶體低一個數(shù)量級，其熒光線寬也較寬，所以它的增益比Nd:YAG激光晶體增益低，做成激光器件泵浦閾值也較高，而且不適合作連續(xù)激光器和高重復(fù)頻率激光器。但是釹玻璃可以做成很大的尺寸，當要求高功率，大能量發(fā)射時，釹玻璃激光工作物質(zhì)還是最佳的。而且釹玻璃的泵浦帶較寬，吸收效率較高，加之其熒光壽命較長，一般為0.60.9ms左右，所以釹玻璃轉(zhuǎn)換效率還是很高的，它加工容易，性能穩(wěn)定，成本較低。在高能激光加工和受控熱核聚變研究中，多利用釹玻璃工作物質(zhì)。美國利弗莫爾實驗室的高能核聚變激光系統(tǒng)和我國上海光機所的高能激光系統(tǒng)都以釹玻璃激光多級放大為基礎(chǔ)。上述的一些激光工作物質(zhì)是在不斷發(fā)展中被人們所肯定的，科研工作者試圖研究和報道的固體激光工作物質(zhì)至少有幾十種，但由于其各種缺點得不到應(yīng)用而被淘汰。近幾年又有幾種新