第三章激光器

1、激光器激光器19601960年梅曼研制成功世界上第一台可实际年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器应用的红宝石激光器它标志着激光技术的诞生它标志着激光技术的诞生19611961年研制出中国第一台红宝年研制出中国第一台红宝石激光器石激光器 最早提出激光理论的爱因斯最早提出激光理论的爱因斯坦坦最早发现激光的汤斯最早发现激光的汤斯红外与光学激射器红外与光学激射器汤斯如何发汤斯如何发现激光？现激光？ tDjHsdtDIldHBsdBtBEsdtBldEDqsdD000000麦克斯韦及其方程组麦克斯韦及其方程组2梅曼第一台激光器的梅曼第一台激光器的装置图装置图激光器的发明激光器的发明梅曼是美

2、国休斯（梅曼是美国休斯（HughesHughes）研究实验室（在加州南部）量子电子部年轻的负责人。）研究实验室（在加州南部）量子电子部年轻的负责人。19601960年，梅曼才年，梅曼才3333岁岁，他于，他于19551955年在年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学。在休斯实验室梅曼做微波激射器的研究工作，并发展了红宝石微波激射斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学。在休斯实验室梅曼做微波激射器的研究工作，并发展了红宝石微波激射器，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光器首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行器，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红

3、宝石激光器首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行微波激射器的经验多年，他预感到红宝石作为激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机微波激射器的经验多年，他预感到红宝石作为激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却等等。但是，当时他从文献上知道，械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石红宝石的量子效率很低，例如：外德尔的量子效率很低，例如：外德尔（I.WeiderI.Weider）在）在19591959年曾报导过，量子荧光效率也许仅为年曾报导过，量子荧光效率也许仅为1 1

4、。如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但。如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率，没有想到，都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率，没有想到，荧光效荧光效率竟是率竟是7575，接近于，接近于1 1。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。通过计算，他认识到最重要的是要有高色温（大约通过计算，他认识到最重要的是要有高色温（大约5000K5000K）的激励光源。起初他设想用水银灯把红宝石棒放在椭圆形柱体

5、）的激励光源。起初他设想用水银灯把红宝石棒放在椭圆形柱体中，这样也许有可能起动。但再一想，觉得无需乎连续运行，脉冲即可，于是决定利用中，这样也许有可能起动。但再一想，觉得无需乎连续运行，脉冲即可，于是决定利用XeXe灯。梅曼查商品目录，根据商灯。梅曼查商品目录，根据商品的技术指标选定通用电气公司出产的闪光灯，是用于航空摄影的，有足够的亮度。但这种灯具有螺旋状结构，不适于椭品的技术指标选定通用电气公司出产的闪光灯，是用于航空摄影的，有足够的亮度。但这种灯具有螺旋状结构，不适于椭圆柱聚光腔。他又想了一个妙法，把圆柱聚光腔。他又想了一个妙法，把红宝石棒插在螺旋灯管之中，红宝石棒直径大约为红宝石棒插在

6、螺旋灯管之中，红宝石棒直径大约为1 1厘米，长为厘米，长为2 2厘米，正好塞在灯厘米，正好塞在灯管里。红宝石两端蒸镀银膜，银膜中部留一小孔，让光逸出，孔径的大小，通过实验决定。管里。红宝石两端蒸镀银膜，银膜中部留一小孔，让光逸出，孔径的大小，通过实验决定。就这样，梅曼经过就这样，梅曼经过9 9个月的奋斗，花了个月的奋斗，花了5 5万美元，做出了第一台激光器万美元，做出了第一台激光器。可是当梅曼将论文投到。可是当梅曼将论文投到物理评论快报物理评论快报时，竟时，竟遭拒绝。该刊主编误认为这仍是微波激射器，而微波激射器发展到了这样的地步，已没有什么必要用快报的形式发表了。遭拒绝。该刊主编误认为这仍是微

7、波激射器，而微波激射器发展到了这样的地步，已没有什么必要用快报的形式发表了。梅曼只好在梅曼只好在纽约时报纽约时报上宣布这一消息，并寄到英国的上宣布这一消息，并寄到英国的自然自然杂志去发表。第二年，杂志去发表。第二年，物理评论物理评论才发表他的详细论才发表他的详细论文。文。 4中国第一台红宝石激光器中国第一台红宝石激光器（1961.91961.9） 在器件设计上，梅曼用螺旋管在器件设计上，梅曼用螺旋管氙灯照射，我们用氙灯照射，我们用光学成像光学成像的办法，的办法，只用了一支只用了一支较小的直管氙灯较小的直管氙灯，其尺寸，其尺寸同红宝石棒的大小差不多，用同红宝石棒的大小差不多，用高反射高反射的球形

8、聚光器聚光，使红宝石棒好象的球形聚光器聚光，使红宝石棒好象泡在光源（氙灯）的像泡在光源（氙灯）的像中，所以效率中，所以效率很高，只用了很小的能量激光就出来很高，只用了很小的能量激光就出来了。了。3.2 3.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收3.3 3.3 粒子数反转与光放大粒子数反转与光放大3.4 3.4 激光器的基本结构激光器的基本结构3.5 3.5 激活介质的粒子数反转与增益系统激活介质的粒子数反转与增益系统3.6 3.6 谐振腔与阈值谐振腔与阈值3.7 3.7 激光的纵模和横模激光的纵模和横模3.8 3.8 几种典型的激光器几种典型的激光器 玻尔假说：玻尔假说：

9、1）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值定态的能量只能采取某些分立的值E1、 E2 、 、En ，而不能采取其它值。，而不能采取其它值。2）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。E1E2E3电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射玻尔频率条件：玻尔频率条件：hEEEEhmnmn或式中式中h为普郎克常数为普郎克常数：sJh341062.6原子能级原子能级 原子从高能级向低能原子从高能级向低能级跃迁时，相

10、当于光的级跃迁时，相当于光的发射发射过程；而从低能级过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当向高能级跃迁时，相当于光的于光的吸收吸收过程；两个过程；两个相反的过程都满足玻尔相反的过程都满足玻尔条件。条件。基态：基态：能级能级中能量最低中能量最低E1E2E3激发态激发态波尔兹曼分布律：波尔兹曼分布律： 若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将服从一定的规律。设目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系为原子体系的热平衡绝对温度；的热平衡绝对温度；Nn为在能级为在能级En上的粒子数则上的粒子数则)2 . 2()/exp(kTENnn即随着能级增高，能级上的粒子

11、数即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少，按指数规律减少，式中式中k为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。 在热平衡状态中，高能级上的粒子数在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能级一定小于低能级上的粒子数上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。，两者的比例由体系的温度决定。 1/ )(exp)/exp()/exp(121212kTEEkTEkTENN按这个正则分布规律：按这个正则分布规律：在给定温度下，在给定温度下，E2-E1差值越大，差值越大，N2 比比N1 就相对地越小。就相对地越小。如氢原子的第一激发态与基态的粒子数之比为如氢原子的第一激发态与基态的粒子数之比为e-40

12、010-170。可见在热平衡状态下，气体中几乎全部原子处在基态。可见在热平衡状态下，气体中几乎全部原子处在基态。自发辐射：自发辐射：E2E1h 若原子处于高能级若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述这的光子。为描述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位时间，它的意义是在单位时间内，内，E2能级上能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如果的比值

13、。如果E2能级下只有能级下只有E1能级，则在能级，则在dt时间内，由高能级时间内，由高能级E2自发辐射到低能级自发辐射到低能级E1的粒子数记作的粒子数记作dN21：22121NAdtdN受激吸收：受激吸收： 当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为率为v（E2-E1）/h的电磁波（即有能量恰好为的电磁波（即有能量恰好为hv E2-E1 的光子），使在低能级的光子），使在低能级E1上的粒子受到光子激发，可以跃上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。去，这个过程称为受激吸收。E2E1h受激辐射：受激辐射：

14、 当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级子已经处在高能级E2上时，这时会发生一个十分重要的过程上时，这时会发生一个十分重要的过程受激受激辐射过程辐射过程。如果外来光的频率正好等于如果外来光的频率正好等于（ E2 -E1）/h ，由于受到入射，由于受到入射光子的激发，光子的激发， E2 能级上的粒子会跃迁而回到能级上的粒子会跃迁而回到E1 能级上去，同时又放能级上去，同时又放出一个光子来，这个

15、光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。E2E1hh自发辐射与受激辐射的区别：自发辐射与受激辐射的区别：受激辐射与自发辐射虽然都是受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐最重要的区别在于光辐射的相干性射的相干性，由，由自发辐射自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都所发射的光

16、子的频率、相位、振动方向都有一定的有一定的任意性任意性，而，而受激辐射受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性高度的简并性。一般说在自发辐。一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐射也随之增射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐射也随之增加，自发辐射光功率加，自发辐射光功率I I自自和受激辐射和受激辐射I I受受分别为分别为hvvuBNIhvANI)(212212受自21212121)(AUAvuBII两者之比为自受n在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射

17、占绝对优势，但在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。u 当一束频率为当一束频率为v 的光通过具有能级为的光通过具有能级为E1E2 的介质时，的介质时，将同时发生受激吸收和受激辐射过程，前一种过程使将同时发生受激吸收和受激辐射过程，前一种过程使入射光减弱，后一种过程使入射光加强。若在单位时入射光减弱，后一种过程使入射光加强。若在单位时间间dt 内，单位体积内受激吸收的光子数为内，单位体积内

18、受激吸收的光子数为dN12，受激，受激辐射的光子数为辐射的光子数为dN21 ，则有，则有1211222112211121222121)()()()(NNdtNvuBdtNvuBdNdNdtNvuBdNdtNvuBdN于是（1）当）当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，粒子数按时，粒子数按波尔兹曼正则分布。此时波尔兹曼正则分布。此时有有dNdN1212dNdN2121，宏观效果表现为光被吸收。，宏观效果表现为光被吸收。（2 2）当当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，高能级时，高能级E E2 2上的粒子数上的粒子数N N2 2大于低能级大于低能级E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1

19、1，出现所谓的，出现所谓的“粒子数反转分布粒子数反转分布”情况。情况。形形成激光的必要条件。成激光的必要条件。此时有此时有dNdN2121dNdN12，宏观效果表现为光，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。被放大，或称光增益。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。光被吸收光被吸收（正常分布）（正常分布）E2E1hE2E1hh光被放大光被放大（粒子数反转分布）（粒子数反转分布）使入射光得到使入射光得到放大，是放大，是核心核心供给工作物质供给工作物质能量能量光抽运光抽运激光束工作介质工作介质泵浦源泵浦源只让与反射镜轴向平行的光束只让与反

20、射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。的激光输出。 激光以及它的微波兄弟（激光以及它的微波兄弟（masermaser）来源于受激原子产生的光子）来源于受激原子产生的光子（射线）受激辐射。爱因斯坦在（射线）受激辐射。爱因斯坦在19171917年预言了该过程的存在。今天，年预言了该过程的存在。今天，激光奠定了很多消费产品的基础，包括指示器、水平仪和激光奠定了很多消费产品的基础，包括指示器、水平仪和DVDDVD播放机。播放机。1原子在一个两端原子在一个两端有镜面的腔体中。有镜面的腔体中。原子被注入的能量原

21、子被注入的能量充能。充能。镜面镜面100镜面镜面90原子原子注入的能量注入的能量镜面镜面100镜面镜面901充能后处于激发充能后处于激发态的原子。态的原子。2注入的能量激发注入的能量激发原子，使它们处在原子，使它们处在高能态。一些原子高能态。一些原子会自发地放出一个会自发地放出一个光子从而回到原来光子从而回到原来的非激发态。的非激发态。受激受激原子原子自发自发辐射辐射光子光子2注入的能量激发注入的能量激发原子，使它们处在原子，使它们处在高能态。一些原子高能态。一些原子会自发地放出一个会自发地放出一个光子从而回到原来光子从而回到原来的非激发态。的非激发态。受激受激原子原子3自 发 辐 射自 发

22、辐 射出的光子可以出的光子可以轰击受激原子，轰击受激原子，激发该原子放激发该原子放出一个全同的出一个全同的光子。光子。受激受激原子原子受激受激辐射辐射3自 发 辐 射自 发 辐 射出的光子可以出的光子可以轰击受激原子，轰击受激原子，激发该原子放激发该原子放出一个全同的出一个全同的光子。光子。受激受激原子原子4自这些光子又自这些光子又可以进一步从其可以进一步从其他受激原子激发他受激原子激发辐射。当原子回辐射。当原子回到原来状态时，到原来状态时，每一个原子都贡每一个原子都贡献出一个全同的献出一个全同的光子。光子。5这些光子从镜这些光子从镜面反射回来，使面反射回来，使它们可以激发其它们可以激发其他原

23、子放出光子。他原子放出光子。6一些光子从一些光子从部分透射镜面部分透射镜面逸出，在腔外逸出，在腔外形成一束相干形成一束相干光。光。 激光激光光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受激光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（吸收和受激辐射的几率是相同的（B B1212=B=B2121），最终只有达到两个能级的粒子），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定。数相等而使系统趋向稳定。无辐射跃迁无辐射跃迁抽运抽运抽运抽运激励激励E3E0E2E3A21E1E2E1A21B12B12B21B21三能级图四能级图亚稳态

24、基态激发态E E1 1为基态，为基态，E E2 2、E E3 3 为激发态，中间能级为激发态，中间能级E E2 2为亚稳态。在泵浦作用下，基态为亚稳态。在泵浦作用下，基态E E1 1的粒子被抽运到激发态的粒子被抽运到激发态E E3 3上，上，E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1随之减少。但由于随之减少。但由于E E3 3能级的寿能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁无辐射跃迁的方式转移到亚稳态的方式转移到亚稳态E E2 2上。由于上。由于E E2 2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N N2 2大于大于N N1

25、1，于是，于是实现了亚稳态实现了亚稳态E E2 2与基态与基态E E1 1间的粒子数反转分布。间的粒子数反转分布。三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使N N2 2 N N1 1 ，实现粒，实现粒子数反转。子数反转。 四能级系统是使系统在两个激发态四能级系统是使系统在两个激发态E E2 2、E E1 1之间实现粒子数反转。因为这之间实现粒子数反转。因为这时低能级时低能级E E1 1 不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚不是基态而

26、是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态稳态E E2 2上的粒子数稍有积累，就容易达到上的粒子数稍有积累，就容易达到N N2 2 大于大于N N1 1，实现粒子数反转分布，实现粒子数反转分布，在能级在能级E E2 2 、E E1 1 之间产生激光。于是，之间产生激光。于是，E E3 3 上的粒子数向上的粒子数向E E2 2 跃迁跃迁， E E1 1上的粒上的粒子数向子数向E E0 0 过渡，整个过程容易形成连续反转，过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系因而四能级系统比三能级系统的效率高统的效率高。 激活介质的增益系数：激活介质的增益系数： 在激活介质中，个别处于在激

27、活介质中，个别处于高能级的粒子自发辐射频率高能级的粒子自发辐射频率为为的光通过该介质中传播。的光通过该介质中传播。由于这时激活介质已实现粒由于这时激活介质已实现粒子数反转，所以频率为子数反转，所以频率为的光的光通过该介质后将获得增益，通过该介质后将获得增益，越来越强。越来越强。0ZZ+dZI0I介质的增益I(z)+dI(z)I(z)设在激活介质设在激活介质Z 处光强为处光强为I（Z），经，经dZ 距离后，距离后，I（Z）的改变量为）的改变量为dI(Z)，则有：，则有： dZZGIZdI)()(增益系数，表示增益系数，表示介质对光的放大介质对光的放大能力。能力。 设在光的传播过程中设在光的传播过

28、程中G不变，不变，将上式积分后得：将上式积分后得：)exp()()(0GZZIZIn 即即I（Z）将随着传播距离将随着传播距离Z 的增加呈指数增长。式中的增加呈指数增长。式中I0（Z）为为Z=0处的光强。处的光强。 增益增益G 的大小与频率的大小与频率和光和光强强I 都有关系。它随光强的增加都有关系。它随光强的增加而下降。这一点可解释为：而下降。这一点可解释为：增益增益G 随粒子数反转程度（随粒子数反转程度（N2-N1）的）的增加而上升，在同样的抽运条件增加而上升，在同样的抽运条件下，光强下，光强I 越强，意味着单位时越强，意味着单位时间内从亚稳态上向下跃迁的粒子间内从亚稳态上向下跃迁的粒子数

29、就越多，从而导致反转程度减数就越多，从而导致反转程度减弱，因此增益也随之下降。弱，因此增益也随之下降。 GI2I1增益曲线I2 I10有了激活介质和谐振腔还不一定能输出激光，有了激活介质和谐振腔还不一定能输出激光，因为：因为： 激活介质使光得到增益，光强变大；激活介质使光得到增益，光强变大； 光在端面上的反射、透射等，会产生光能损耗，使光能变小。光在端面上的反射、透射等，会产生光能损耗，使光能变小。 若光的增益小于其损耗，就没有激光输出。因此，必须使若光的增益小于其损耗，就没有激光输出。因此，必须使增益大于损耗，光在谐振腔内来回反射时，其光强才能不断增增益大于损耗，光在谐振腔内来回反射时，其光

30、强才能不断增大，最后才有稳定的激光输出。大，最后才有稳定的激光输出。 M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分别反射率分别为为R1、R2，透，透射率分别为射率分别为T1、T2 GLIIexp12GLIRIRIexp12223GLIRGLII2expexp1234GLIRRIRI2exp12141522IT31ITp要 使 光 在 这 个 过 程 中 产 生 的 增 益 大 于 其 损 耗 ， 则 必 须 保 证 ：要 使 光 在 这 个 过 程 中 产 生 的 增 益 大 于 其 损 耗 ， 则 必 须 保 证 ：R2R1I1exp(2GL)I1,即即 R2R1exp(2GL)1p

31、对于给定的谐振腔对于给定的谐振腔R1、R2，L是一定的。从上式可见，是一定的。从上式可见，要使其左端大于要使其左端大于或等于或等于1，必须使增益系数，必须使增益系数G大于某个最低值大于某个最低值Gm，这个使上式成立的，这个使上式成立的Gm值，值，就是谐振腔的阈值增益。上式称为谐振腔的阈值条件。就是谐振腔的阈值增益。上式称为谐振腔的阈值条件。 由此可得谐振腔的阈值增益为：由此可得谐振腔的阈值增益为： 实际上，在实际上，在GGm 时，随着光强的增大，工作物质的实际增益时，随着光强的增大，工作物质的实际增益G 将下降，将下降，直至直至G=Gm 时，光强就维持稳定。时，光强就维持稳定。 2121121

32、1ln21RnRLRRLGm综上所述，形成激光的必要条件有两个：综上所述，形成激光的必要条件有两个：在激光器工作物质内的某些能级间实现粒在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布子数反转分布激光器必须满足阈值条件激光器必须满足阈值条件 谐振腔的作用：谐振腔的作用：l使激光具有很好的方向性（沿轴线）使激光具有很好的方向性（沿轴线） ；l使激光具有极好的单色性（频率选择器）；使激光具有极好的单色性（频率选择器）；l增强光放大作用（延长了工作物质）。增强光放大作用（延长了工作物质）。123nLkcvk2光波在两个反射镜之间来回反射，腔内存在着反向传播的两列相干光波在两个反射镜之间来回反射，腔内

33、存在着反向传播的两列相干波，当其波长满足干涉相干条件时，就以驻波形式在腔内稳定存在。波，当其波长满足干涉相干条件时，就以驻波形式在腔内稳定存在。即即 ).2 , 1 , 0(2kknL 式中式中L 为腔长，为腔长，n 为工作物质的折射率。为工作物质的折射率。k 为正整数，表示腔为正整数，表示腔内的波节数和波腹数。内的波节数和波腹数。 vc/一般地说，由于腔长一般地说，由于腔长L 远大于远大于，所以，所以k 的取值不只一个，因而满足上述关系的频的取值不只一个，因而满足上述关系的频率也不只一个。而那些不满足这个频率关系的光波，就不能形成驻波，即不能产率也不只一个。而那些不满足这个频率关系的光波，就

34、不能形成驻波，即不能产生谐振，也就不能形成激光。从（生谐振，也就不能形成激光。从（2.18）式可见，）式可见，腔长腔长L 起着对频率的选择作用。起着对频率的选择作用。 分别对前面两式微分，可得相邻两个谐振的波长差和频率差。分别对前面两式微分，可得相邻两个谐振的波长差和频率差。 nLcvnLkk2/2/2nLnLknLkk212222nLcnLkckk22 谐振频率是一系列分离的频率，其间隔谐振频率是一系列分离的频率，其间隔vk 称为纵模间隔。但称为纵模间隔。但这只是谐振腔允许的频率，其中只有落在激活介质所发射的谱线的这只是谐振腔允许的频率，其中只有落在激活介质所发射的谱线的线宽范围线宽范围v

35、内，并同时满足阈值条件的那些谐振频率，才能形成激内，并同时满足阈值条件的那些谐振频率，才能形成激光，成为纵模频率。光，成为纵模频率。 从激光器输出的频率个数从激光器输出的频率个数N (即纵模数即纵模数)，由激活介质的频宽，由激活介质的频宽v 和纵模间隔和纵模间隔vk 的比值决定，即：的比值决定，即：)21. 2(/kvvN 上式说明，激活介质发射的谱线频宽上式说明，激活介质发射的谱线频宽v 越大，可能出越大，可能出现的纵模数现的纵模数N 越多；而纵模间隔越多；而纵模间隔vk 越小越小(即腔长即腔长L 越大越大)，在同样的频宽内可容纳的纵模数越多在同样的频宽内可容纳的纵模数越多 。在在 区间中，

36、可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为 kvvN/ 要想减少输出纵模的个要想减少输出纵模的个数，甚至实现单纵模输出，数，甚至实现单纵模输出，可采取一些措施。例如，短可采取一些措施。例如，短腔法选纵模。利用缩短腔长腔法选纵模。利用缩短腔长 L 来加大纵模频率间隔的方法，来加大纵模频率间隔的方法，可以使区间中只存在一个纵可以使区间中只存在一个纵模频率。模频率。98105 . 11 . 021032/nLcvk激光的纵模：激光的纵模： 光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。激光的横模：激光的横模： 激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。激光

37、腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。 激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。 L2a激光的模式一般用激光的模式一般用TEMmnk表示，表示，TEM是电磁横波的缩写，是电磁横波的缩写，k为纵为纵模数。在轴对称横模中，模数。在轴对称横模中，m,n分分别表示光束横截面内在别表示光束横截面内在x方向和方向和y方向出现的暗区（即节点）数，方向出现的暗区（即节点）数，如如TEM13，在，在x方向有方向有1个暗区，个暗区，在在y方向有方向有3个暗区；在旋转对称个暗区；在旋转对称横模中，横模中，m表示沿半径方向出现表示沿半径方

38、向出现的暗环数，的暗环数，n表示圆中出现的暗表示圆中出现的暗直径数。如直径数。如TEM03，图中无暗环，图中无暗环，有三条暗直径。有三条暗直径。激光的纵模和横模，实际上是从不同的侧面反映了谐振腔所允激光的纵模和横模，实际上是从不同的侧面反映了谐振腔所允许的光场的各种纵向和横向的稳定分布。许的光场的各种纵向和横向的稳定分布。在实际应用中，希望在实际应用中，希望激光的横向光强分布越均匀越好，而不希望出现高阶模。欲获激光的横向光强分布越均匀越好，而不希望出现高阶模。欲获得相干性良好的光束集中的激光，选模工作很重要。选模的方得相干性良好的光束集中的激光，选模工作很重要。选模的方法很多，例如，除调节反射

39、镜外，在腔内（或腔外）放一小孔，法很多，例如，除调节反射镜外，在腔内（或腔外）放一小孔，只让只让TEM00模通过，抑制其他低次级模的产生。模通过，抑制其他低次级模的产生。一种是从激活介质的物质状态面分类。这样可分为气体、液体、固体和半导体激光一种是从激活介质的物质状态面分类。这样可分为气体、液体、固体和半导体激光器。器。气体激光器的单色性强，如氦气体激光器的单色性强，如氦- -氖激光器的单色性比普通光源要高氖激光器的单色性比普通光源要高1 1亿倍，而且气体激光器亿倍，而且气体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。但是，由于气体密度

40、低，激光输出但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小；功率相应较小；固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差；固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差；液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光器特别适合于这种激光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合；对激光波长有着严格要求的场合；半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。

41、另一种分类方式是按激活介质的粒子结构来分类，可以分为原子、离子、分子和自另一种分类方式是按激活介质的粒子结构来分类，可以分为原子、离子、分子和自由电子激光器。由电子激光器。氦氦-氖激光器产生的激光是由氖原子发射的；氖激光器产生的激光是由氖原子发射的；红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的；红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的；另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可以连续变化。而且可以覆盖很宽的频率范围。另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可以连续变化。而且可以覆盖很宽的频率范围。 光纤激光器光纤激光器双包层掺镱光纤双包层掺镱光纤泵浦泵浦激光管组激光管组耦合器耦合器过渡过渡光纤光纤聚焦透镜

42、聚焦透镜LD2LD1LD3LD组组驱动驱动电源电源分束激光分束激光LD5LD4LD6LD组组驱动驱动电源电源IPG公司和公司和SPI公司公司IPGIPG公司和公司和SPISPI公司在目前光纤激光器整个国际市场的份额分别为公司在目前光纤激光器整个国际市场的份额分别为IPGIPG为为50%50%，SPISPI为为26%26%。也可以说这两家公司在光纤激光器方面的技术代表了当今世界光。也可以说这两家公司在光纤激光器方面的技术代表了当今世界光纤激光器的最新发展方向。我国已能制造百瓦级至千瓦级的光纤激光器，但纤激光器的最新发展方向。我国已能制造百瓦级至千瓦级的光纤激光器，但光纤以进口居多。国外已研制出万

43、瓦级的光纤激光器，国外采用光子晶体光光纤以进口居多。国外已研制出万瓦级的光纤激光器，国外采用光子晶体光纤和锁相技术提高光束质量。纤和锁相技术提高光束质量。IPGIPG：IPG公司产品：公司产品：SPI公司产品：公司产品：北京光电研究所：北京光电研究所：半导体激光器半导体激光器世界上第一只半导体激光器是世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高；扩大，各项性能参数也有了

44、很大的提高；其制作技术经历了由扩散法到液相其制作技术经历了由扩散法到液相外延法外延法(LPE)，气相外延法，气相外延法(VPE) ，分子束外延法，分子束外延法(MBE)，MOCVD方法方法(金属有金属有机化合物汽相淀积机化合物汽相淀积)，化学束外延，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺；以及它们的各种结合型等多种工艺；其激射闭值电流由几百其激射闭值电流由几百mA降到几十降到几十mA，直到亚，直到亚mA，其寿命由几百到几万，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时；输出功率由几毫瓦提高到千瓦级小时，乃至百万小时；输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件阵列器件)。它具有效率高、体积小、重

45、量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高功率转换效率高(已达已达10%以上、最大可达以上、最大可达50%)。便于直接调制、省电等优点，。便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代光器所取代. 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激半

46、导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给PN结加正向电压，以使结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布间跃迁，

47、所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在它们所发出的波长在0.3 -34pm之间之间.其波长范围决定于其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm。半导体激光器，也称激光二极管（半导体激光器，也称激光二极管（Laser Diode，LD），是一种光学振荡器。），是一种光学振荡器。产生激光要满足以下条件：产生激光要满足以下条件：一、粒子数反转；一、粒子数反转；二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振

48、荡；形成形式多样，最简单的是二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里法布里帕罗谐振腔。帕罗谐振腔。三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。(1)增益条件增益条件:建立起激射媒质建立起激射媒质(有源区有源区)内载流子的反转分布。内载流子的反转分布。 在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处导体中要实现粒子数

49、反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 (2)谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡。谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡。 要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐

50、射在光学谐振腔内得到多次反要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。膜。 对对F-P腔腔(法布里法布里拍罗腔拍罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-N结结平面相垂直的自然解理面构成平面相垂直的自然解理面构成F-P 腔。腔。有源区有源区注入电流注入电流解理面解理面解理面

51、解理面Z0ZLR1R2增益介质增益介质L(3)满足一定的阀值条件。满足一定的阀值条件。为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注人，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，须要有足够强的电流注人，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。

52、当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。输出。光在谐振腔内往返一次不衰减的条件为：光在谐振腔内往返一次不衰减的条件为：121/2 ln 1gLLR Rn式中式中R1，R2为谐振腔两个反射面的反射率，为谐振腔两个反射面的反射率， g为增益系数，为增益系数，L为谐振腔长，为谐振腔长，为损耗系数。为损耗系数。总增益总增益内部损内部损耗耗端面损端面损耗耗+总损耗总损耗121/2ln 1gLR R 最简单的半导体激光器由一个薄有源层最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约（厚度约0.1m）、）、P型和型和N型限制层构成，如型限制层构成，如图示。有源层夹在图示。有源层夹在P型和型和N型限制层中间，由型限制层中间，由此产生的此产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。这样的激光器面积大，称为大面积激光器。由这样的激光器面积大，称为大面积激光器。由于在平行于结平面的侧向无光限制结构，沿激于在平行于结平面的侧向无光限制结构，沿激光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，这是大面积激光器