常用气体激光器

1、 二氧化碳激光器二氧化碳激光器 属分子气体激光器属分子气体激光器一、工作原理一、工作原理 CO2分子有三种不同的运动形式： 1 1. .对称振动对称振动( (b b) ) 2 2. .形变振动形变振动( (c c) ) 3 3. .非对称振动非对称振动( (d d) ) 1 1、CO2分子运动分子运动方向相反方向相反1.CO1.CO2 2气体是气体是工作物质工作物质，辅助气体有，辅助气体有N N2 2、HeHe、XeXe和和H H2 2等；等； 2.N2.N2 2在气体中起在气体中起能量转移能量转移作用。作用。N2N2分子受电子碰撞的分子受电子碰撞的概率很概率很大大，放电中使大量，放电中使大量

2、N2N2处于处于亚稳态亚稳态。通过近。通过近共振碰撞共振碰撞把内能转把内能转移给移给CO2CO2分子，分子，实现粒子数反分布实现粒子数反分布 ； 3.He3.He对对COCO2 2分子有分子有冷却作用冷却作用，也可加速下能级粒子数，也可加速下能级粒子数抽空抽空； 4.Xe4.Xe的电离电位低，激光器内的气体易电离，使的电离电位低，激光器内的气体易电离，使COCO2 2分子能量分子能量转换效率提高转换效率提高10101515。同时在维持放电电流相同的情况。同时在维持放电电流相同的情况下，加入下，加入XeXe后可使后可使放电电压下降放电电压下降20203030。 5.H5.H2 2或或(H(H2

3、2O O蒸汽蒸汽) )可促使低能粒子可促使低能粒子抽空抽空，H H2 2O O蒸汽有利于蒸汽有利于COCO2 2分分 子的还原，可子的还原，可延长寿命延长寿命。 2 2、工作物质工作物质 N2N2分子受到电子碰撞分子受到电子碰撞后被激发并和后被激发并和CO2CO2分子分子发发生碰撞生碰撞， N2N2分子把获得分子把获得的的能量传递能量传递给给CO2CO2分子，分子，使大量的使大量的CO2CO2分子被激发分子被激发到到 001001能级时，能级能级时，能级001001和能级和能级 100100之间形成之间形成粒子粒子数的反分布。数的反分布。 3 3、CO2分子激发机理分子激发机理 HeHe原子质

4、量小，运原子质量小，运动速度快，频繁地碰撞动速度快，频繁地碰撞CO2CO2分子，分子，高效地抽运高效地抽运010010能级上的能级上的CO2CO2分子，分子，大大提高了粒子数反转大大提高了粒子数反转程度。程度。 100100能级和能级和020020能级的能级的分子迅速跃迁到亚稳态分子迅速跃迁到亚稳态010010能级上。因此必须把跃迁能级上。因此必须把跃迁到到010010能级上的能级上的CO2CO2分子分子立立即抽空即抽空，否则不利于粒子，否则不利于粒子数的反转。数的反转。 二、基本结构二、基本结构 纵向电激励水冷内腔式封离型纵向电激励水冷内腔式封离型 CO2CO2激光器的典型结构激光器的典型结

5、构 所谓封离型是指所谓封离型是指工作工作气体被密封气体被密封在放在放电管内电管内( (由放电管、由放电管、水冷管和储气管三层水冷管和储气管三层结构组成结构组成 ) )。 它的优点是结构它的优点是结构简单、紧凑。但它的简单、紧凑。但它的单位放电长度可输出单位放电长度可输出的的功率功率比其他结构的比其他结构的（如流动型和气动型）（如流动型和气动型）COCO2 2激光器要激光器要低低。折叠式折叠式CO2CO2激光器（水冷套未画出）激光器（水冷套未画出）横向循环流动横向循环流动CO2CO2激光器激光器纵向流动纵向流动CO2CO2激光器激光器三三 、输出特性、输出特性1 1、能量转换效率高、能量转换效率

6、高 ： 202025% (25% (氦氖激光器的能量转换氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几效率仅为千分之几) ) ； 2 2、常用的、常用的COCO2 2激光器输出波长为激光器输出波长为10.6 10.6 ，属于中红外区，属于中红外区，对人眼损害小；对人眼损害小； m3 3、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励 ； 4 4、温度效应温度效应 转换效率最高也不会超过转换效率最高也不会超过4040，这就是说，这就是说有有6060以上的能量转换为气体的热能，气体温度的升高，将以上的能量转换为气体的热能，气体温度的升高，将引起引起CO2CO2分子的分解，降低放电管内

7、的分子的分解，降低放电管内的CO2CO2分子浓度。使激光分子浓度。使激光器的输出功率下降，因此，器的输出功率下降，因此，冷却问题冷却问题是是CO2CO2激光器正常运转激光器正常运转的重要技术问题。的重要技术问题。 原子或分子因某种原因失去电子或获得电子原子或分子因某种原因失去电子或获得电子的过程称为的过程称为电离电离。若原子失去电子，称为正离子，。若原子失去电子，称为正离子，反之则称为负离子。反之则称为负离子。 利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为离子激光器离子激光器。氖、。氖、 氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气等均能作离子激光器的工

8、作物质。它们的激光输等均能作离子激光器的工作物质。它们的激光输出功率比原子气体激光器要高，达几十瓦，可连出功率比原子气体激光器要高，达几十瓦，可连续或脉冲输出。续或脉冲输出。氩离子激光器氩离子激光器一、工作原理一、工作原理 激发过程一般分激发过程一般分两步两步：气体放电后，放电管中的气体放电后，放电管中的高速电子与中性氩离子碰高速电子与中性氩离子碰撞，从氩离子中打出一个撞，从氩离子中打出一个电子，使之电离，电子，使之电离，形成处形成处在基态上的氩离子在基态上的氩离子；该基；该基态态ArAr+ +再与高速电子碰撞，再与高速电子碰撞，被激发到高能态被激发到高能态，当激光，当激光上下能级间产生粒子数

9、反上下能级间产生粒子数反转时，即可产生氩离子激转时，即可产生氩离子激光。光。 因此，氩离子激光器因此，氩离子激光器的激活粒子是的激活粒子是ArAr+ +。 采取两次电子碰撞采取两次电子碰撞将氩原子激发到将氩原子激发到 3p3p4 44P4P态要比直接碰撞、一次态要比直接碰撞、一次将氩原子激发到将氩原子激发到3p3p4 44P4P态态的电子能量要小，后者的电子能量要小，后者只能在低气压放电中才只能在低气压放电中才有如此大的能量有如此大的能量（35.5eV35.5eV）。）。 由于由于3p3p4 44P 4P 和和3p3p4 44S4S能级上有许多不能级上有许多不同的电子态，所以氩同的电子态，所以

10、氩离子激光输出由丰富离子激光输出由丰富的谱线。最强的谱线的谱线。最强的谱线波长是波长是488.0nm488.0nm、514.5nm514.5nm。 二、基本结构二、基本结构 氩离子激光器包括：氩离子激光器包括：放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。氩离子激光器分段石墨放电管 国产的氩离子激光管 三、输出特点三、输出特点 1 1、是一种、是一种惰性气体离子激光器惰性气体离子激光器 ，在离子激光器中输出效率，在离子激光器中输出效率最高；最高； 2 2、其输出波长较多，主要有、其输出波长较多，主要有 514.5nm514.5nm和和488.0nm488.

11、0nm两个蓝绿色两个蓝绿色 的谱线，是的谱线，是可见光区域中最强可见光区域中最强的激光器。的激光器。 ； 3 3、一般连续输出几瓦到十几瓦，甚至上百瓦。、一般连续输出几瓦到十几瓦，甚至上百瓦。 4 4、输出波长易输出波长易 被血红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物被血红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物止血效果最好止血效果最好。 在临床上主要用于外科手术，用它作在临床上主要用于外科手术，用它作“光光刀刀” ，尤其是上、下消化道出血时，氩离子激光器可以利用，尤其是上、下消化道出血时，氩离子激光器可以利用光纤导人内镜进行止血等非手术治疗。目前它广泛用于眼科光纤导人内镜进行止血等非手术治疗。目前它广泛用

12、于眼科凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。表表 氩离子激光的可见光光谱线氩离子激光的可见光光谱线激光跃迁能级 波长(nm) 或率（W） 4P2S01/24S2P1/2 457.9 0.35 4P2D03/24S2P3/2 472.7 0.30 4P2P03/24S2P1/2 476.5 0.75 4P2D05/24S2P3/2 488.0 1.50 4P2D03/24S2P1/2 496.5 0.70 4P4D05/24S2P3/2 514.5 2.00 4P4D03/24S2P3/2 528.7 0.34准分子激光器准分子激光器一、工作物质一、工作物质 “准分

13、子准分子” ：不是稳定分子。它是：不是稳定分子。它是混合气体混合气体受到外来受到外来能量激发所引起的一系列物理和化学的反应中能量激发所引起的一系列物理和化学的反应中曾经形成曾经形成但但转转瞬即逝瞬即逝的分子，其寿命仅为的分子，其寿命仅为几十毫秒几十毫秒。 这类激光器的工作物质是受激的气体原子这类激光器的工作物质是受激的气体原子( (如如ArAr、KrKr、XeXe，用，用RgRg表示表示) )和卤元素和卤元素( (例如例如F F、ClCl，用，用X X表示表示) )结合而成的结合而成的准分子，准分子，如氟化氩如氟化氩( (ArFArF) )、氯化氪、氯化氪( (KrClKrCl) )、氟化氙、

14、氟化氙( (XeFXeF) )等等; ; 二、工作原理二、工作原理 通常情况下，基态的稀有气体原子化学性质稳定，因此通常情况下，基态的稀有气体原子化学性质稳定，因此呈两种气体呈两种气体混合状态（混合状态（Rg+XRg+X） 。但当它们受到激发时，如。但当它们受到激发时，如电电子束的轰击或高压激励子束的轰击或高压激励等，稀有气体原子就可能从基态跃迁等，稀有气体原子就可能从基态跃迁到激发态，甚至被电离，这时很容易和到激发态，甚至被电离，这时很容易和另一个原子另一个原子形成一个形成一个寿命极短的分子（寿命极短的分子（RgXRgX） ，这种处于激发态的分子称受激二聚，这种处于激发态的分子称受激二聚物，

15、简称物，简称准分子准分子。 RgXRgX基态分子寿命极短，基态分子寿命极短，为为1010-13-13s s量级，它沿着自己的势量级，它沿着自己的势能曲线想核间距增大的方向移能曲线想核间距增大的方向移动，直至最终动，直至最终离解成独立的原离解成独立的原子子Rg+XRg+X。激发态。激发态RgXRgX* *能级寿命能级寿命为为1010-8-8s s量级，比基态稳定，因量级，比基态稳定，因此很此很容易形成粒子数反转容易形成粒子数反转。三、基本结构三、基本结构准分子激光器的结构准分子激光器的结构 1功率特性：功率特性：准分子基态的电子迅速排空造成激光准分子基态的电子迅速排空造成激光下能级总下能级总是空

16、的是空的，这样有利于离子数反转的形成，即使，这样有利于离子数反转的形成，即使在超短脉冲下运转，从而可以获得在超短脉冲下运转，从而可以获得较高的输出较高的输出功率（功率（1010瓦量级）瓦量级）。2. 输出波长输出波长: 从真空紫外到可见光区域从真空紫外到可见光区域 。3脉冲特性：脉冲特性： 由于基态寿命短，即使是超短脉冲情况下，由于基态寿命短，即使是超短脉冲情况下，基态也可被认为是空的，因此准分子激光对基态也可被认为是空的，因此准分子激光对产生巨脉冲产生巨脉冲特别有利。特别有利。 4. 4. 能够精确聚焦和控制，其切能够精确聚焦和控制，其切削精度非常高，每个光脉冲切削深削精度非常高，每个光脉冲

17、切削深度为度为0.20.2微米，能够在人的头发丝微米，能够在人的头发丝上刻出各种花样来。上刻出各种花样来。 近视眼由于眼球的前后径近视眼由于眼球的前后径太长，眼角膜前表面太凸，外太长，眼角膜前表面太凸，外界光线不能准确会聚在眼底所界光线不能准确会聚在眼底所致。致。 准分子激光矫正近视是用准分子激光矫正近视是用电脑精确控制的准分子激光，电脑精确控制的准分子激光，根据近视度数和有无散光在根据近视度数和有无散光在瞳瞳孔区孔区的角膜基质层进行刻蚀，的角膜基质层进行刻蚀，使眼角膜前表面稍稍变平。从使眼角膜前表面稍稍变平。从而使外界光线能够准确地在眼而使外界光线能够准确地在眼底视网膜上会聚成像，达到矫底视

18、网膜上会聚成像，达到矫正近视的目的。正近视的目的。准分子激光治疗近视眼的原理准分子激光治疗近视眼的原理 什么是什么是LASIKLASIK手术手术? ?LASIKLASIK手术即准分子激光原位角膜磨镶术（手术即准分子激光原位角膜磨镶术（Laser in Situ Laser in Situ KeratomileusisKeratomileusis）：医生用角膜刀掀开一个角膜瓣，在瓣下角膜医生用角膜刀掀开一个角膜瓣，在瓣下角膜基质层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切削。基质层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切削。患者术前检查的数据卡输入计算机，由计算机控制切削的范围和患

19、者术前检查的数据卡输入计算机，由计算机控制切削的范围和深度，削出一个光滑的曲面，相当于在角膜上切削出一个眼镜片，深度，削出一个光滑的曲面，相当于在角膜上切削出一个眼镜片，使视力变得清晰。使视力变得清晰。它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术，在角膜表面切削一直它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术，在角膜表面切削一直径径8 8毫米，厚毫米，厚0.160.16毫米的带蒂板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用毫米的带蒂板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用准分子激光电脑控制多步分区角膜基质内切削，最后将角膜瓣复准分子激光电脑控制多步分区角膜基质内切削，最后将角膜瓣复位。位。 制做角膜瓣制做角膜瓣 准分子激光切削准分子

20、激光切削 角膜瓣复位角膜瓣复位 LASIK手术示意手术示意图图 角膜微切器切割角膜角膜微切器切割角膜 角膜瓣形成并翻转角膜瓣形成并翻转 角膜中间基质切削区准备角膜中间基质切削区准备 准分子激光切削角膜基质准分子激光切削角膜基质 角膜瓣复位角膜瓣复位 准分子激光角膜原位磨镶术完成准分子激光角膜原位磨镶术完成 智慧型大小光斑技术智慧型大小光斑技术: : 根据不同的个人数据，根据不同的个人数据，系统系统自动调整光斑大小自动调整光斑大小：光斑直径可在光斑直径可在0.65-0.65-6.5mm6.5mm范围内变化。可范围内变化。可使复杂的角膜切削变得使复杂的角膜切削变得极为轻松。极为轻松。三维主动眼球跟

21、踪技术三维主动眼球跟踪技术: : 除对眼球在除对眼球在XYXY轴运动进行追踪轴运动进行追踪外，还可以追踪眼球在外，还可以追踪眼球在Z Z轴的立体轴的立体位移，可随眼球运动自动将激光调位移，可随眼球运动自动将激光调整到切削点，极大的加强了手术的整到切削点，极大的加强了手术的安全性和精确性。安全性和精确性。高精度200Hz飞点扫描、193nm氟化氩（ArF)准分子激光和最优光传输系统的完美结合形成光斑直径0.8mm优化高斯光束 染料激光器染料激光器 固体或其它激光所输出的波长已几乎覆盖了真空紫外至固体或其它激光所输出的波长已几乎覆盖了真空紫外至红外波段，还出现了红外波段，还出现了X X射线波激光器

22、。但是，一般激光器输射线波激光器。但是，一般激光器输出的波长都是出的波长都是固定单一固定单一的，至多也只是有的，至多也只是有几个波长几个波长，这在应，这在应用上有一定的局限性。为此人们研究了用上有一定的局限性。为此人们研究了可调谐激光可调谐激光。 染料激光器是染料激光器是液体激光器液体激光器的一种，以染料为工作物质，的一种，以染料为工作物质，如若丹明如若丹明6G6G等，溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。染料的等，溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。染料的能量转换效率很高，可达数百毫瓦。染料激光器的最大特点能量转换效率很高，可达数百毫瓦。染料激光器的最大特点是其输出波长是其输出波长在一定范围内连续可调

23、在一定范围内连续可调，所以称为可调谐激光，所以称为可调谐激光器。医学上常用的可调谐染料激光器有：器。医学上常用的可调谐染料激光器有：N N2 2激光泵浦可调谐激光泵浦可调谐染料激光器和染料激光器和NdNd：YAGYAG激光泵浦可调谐染料激光器等。激光泵浦可调谐染料激光器等。 工作原理工作原理染料分子能级图染料分子能级图 S0S0是基态，是基态，S1S1、S2S2是激发态。是激发态。S0S0、S1S1、S2S2本身是由许多密集的本身是由许多密集的振动转动能级组成的。振动转动能级组成的。 在在原子光谱原子光谱里，不同电子态之里，不同电子态之间的跃迁产生间的跃迁产生一条锐的谱线一条锐的谱线；在；在分

24、子光谱分子光谱里，不同电子态（例如里，不同电子态（例如S1S1与与 S0S0）之间的跃迁将产生由一）之间的跃迁将产生由一簇密集的谱线组成的簇密集的谱线组成的谱带谱带。染料。染料分子的这种能级结构是染料激光分子的这种能级结构是染料激光器的输出波长在一定范围内可调器的输出波长在一定范围内可调的根本原因。的根本原因。一、染料分子能级一、染料分子能级染料分子能级图染料分子能级图 吸收了外来光子后，分子吸收了外来光子后，分子就从基态能级跃迁到就从基态能级跃迁到S1S1态的较态的较高的振动转动能上（图中高的振动转动能上（图中AbAb）。由于频繁的热交换，）。由于频繁的热交换，大多数被激发的分子无辐射地大多

25、数被激发的分子无辐射地衰变到衰变到S1S1态的最低的振动转动态的最低的振动转动能级上（图中能级上（图中bBbB）。这样，）。这样，在在B B与基态与基态S0S0的较高的振动转动的较高的振动转动能级（图中能级（图中a a）之间就实现了）之间就实现了粒粒子数反转子数反转。当反转达到阈值时，。当反转达到阈值时，就可以产生激光。就可以产生激光。 可见染料激光形成过程，经可见染料激光形成过程，经历了历了两次无辐射跃迁两次无辐射跃迁。二、染料分子的光辐射过程二、染料分子的光辐射过程 能级图中的能级图中的T1T1和和T2T2是是三重态三重态。由于三重态由于三重态T1T1较单态较单态S1S1低，所以处低，所以

26、处在在S1S1中的分子很容易无辐射地跃迁中的分子很容易无辐射地跃迁到到T1T1上，又因为上，又因为T1T1与与S0S0之间不产生之间不产生辐射跃迁，而且辐射跃迁，而且T1T1的寿命较长，约的寿命较长，约为为1010-4-41010-3-3s s，所以，所以T1T1态对于激发态对于激发分子来说，相当于一个分子来说，相当于一个“陷阱陷阱”。 当当T1T1态上积累了足够的分子后，态上积累了足够的分子后，T1T2T1T2的吸收将很快使激光器的增的吸收将很快使激光器的增益下降，以致益下降，以致激光淬灭激光淬灭。通常采用。通常采用的方法是在染料中加入三重态的方法是在染料中加入三重态淬灭淬灭剂剂，缩短，缩短

27、TlTl的寿命。的寿命。 直管闪光灯泵浦的染料激光器示意图直管闪光灯泵浦的染料激光器示意图 一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔及波长选择装置组成及波长选择装置组成 1 1输出激光波长输出激光波长可调谐可调谐 某些染料激光波长的可调宽度达某些染料激光波长的可调宽度达上百纳米，所以称为可调谐激光器。上百纳米，所以称为可调谐激光器。 2 2由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准连续宽带，这既使得染料激光器在是准连续宽带，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，大范围内可调谐，目目前由染

28、料激光器产生的前由染料激光器产生的超短脉冲宽度超短脉冲宽度可压缩至飞秒（可压缩至飞秒（1010-15-15秒）秒）量。量。 3 3染料激光器的染料激光器的输出功率大输出功率大，达数百毫瓦，可与固体激光，达数百毫瓦，可与固体激光器比拟，并且价格便宜。器比拟，并且价格便宜。 4 4染料分子是一种染料分子是一种四能级级系统四能级级系统，由于，由于S0S0的较高振动能级的较高振动能级在室温时粒子数几乎为在室温时粒子数几乎为0 0，所以很容易实现粒子数反转，使，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的得染料分子激光器的阈值很低阈值很低。 一、光栅调谐一、光栅调谐 图示为一种光栅图示为一种光栅反射镜

29、调谐腔。光束与谐振腔轴成一反射镜调谐腔。光束与谐振腔轴成一个小角度个小角度（33）。谐振腔由）。谐振腔由反射光栅反射光栅G G与一个镀有介与一个镀有介质膜的质膜的反射镜反射镜M M组成。光栅组成。光栅G G具有具有扩束和色散扩束和色散作用，转动光栅作用，转动光栅就可以改变输出激光的就可以改变输出激光的频率频率。 腔内插入一个法布里腔内插入一个法布里珀罗标准具，摆动标准具可以进珀罗标准具，摆动标准具可以进一步选择输出激光的频率。不插入标准具时，输出激光的线一步选择输出激光的频率。不插入标准具时，输出激光的线宽为宽为0.05nm0.05nm，插入标准具后，可获得线宽约为，插入标准具后，可获得线宽约

30、为0.001nm0.001nm的单的单模激光。模激光。 二、棱镜调谐二、棱镜调谐 图示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，图示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的腔内放置的棱镜是一种色散元件棱镜是一种色散元件。由于棱镜的色散。由于棱镜的色散作用，一束来自作用，一束来自M3M3、M2M2的不同波长的光，将有不同的不同波长的光，将有不同的折射方向。当旋转平面反射镜的折射方向。当旋转平面反射镜M1M1使其与某一波长使其与某一波长的光的光垂直垂直时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转因此，旋转M1M1便可实现调谐作用。便可实现调谐作用。很多

31、有机染料可以被用作激光介质。其中最常见的是若丹明6G（Rhodamine 6G），溶于甲醇或者乙二醇。跃迁上下能级由于和溶剂的相互作用而分裂为连续的能带。分子被激发到上能带后迅速无辐射弛豫到上能带的最低能级，并由此向基态各能级跃迁，产生荧光辐射。辐射荧光曲线不随激发光源的改变而改变。 如果将充有染料溶液的小室放置于激光腔内，并提供足够的泵浦能 量，则可以放出激光。如果使用宽带激光反射镜，受激辐射在荧光发射曲线顶点的周围几十个附近发生。可以把反射镜用光栅代替。激发辐射带宽降低到0.5 。通过转动光栅，可以让激光在整个荧光发射带范围内调节。泵浦可以用闪光灯来实现，得到的激光脉宽1ms，峰值功率大概

32、几kW，重复频率1Hz。也可以用固定波长激光器，例如氮分子激光器，准分子激光器，铜蒸气激光器或倍频后的Nd: YAG激光器。几种典型装置通过使用各种染料，脉冲染料激光器工作范围可以从320到1000nm。对准分子激光泵浦的染料激光器，能量转换效率可以到1020%。而对于倍频后的Nd: YAG激光器，则可以达到40%。染料激光器脉冲运转较容易，而连续运转比较困难。主要问题是三重态布居数的增加造成的吸收损耗会使激光无法起振。脉冲泵浦时，可以在三重态集聚足够的粒子数之前产生激光。要想达到连续泵浦，则必须去掉三重态分子。可以在溶液中加入某种三重态猝灭剂，可以有效地使三重态分子无辐射跃迁到基态。连续的染

33、料激光器往往使用氩离子或者氪离子激光器泵浦。目前可以覆盖的光谱范围为375950nm。使用染料射流来让染料高速通过激活区。某些固体激光器的增益曲线范围较宽，因此可以在某个范围内调谐。例如钕玻璃激光器可以在1.01.1m范围调谐。 钛宝石（Ti: Al2O3）激光器可调谐范围为660到1100nm。 不使用激光泵浦的可调谐固体激光器引起人们广泛的兴趣。倍频以及受激拉曼散射等可以用来进一步扩展调谐波长。二氧化碳激光器是最有效地气体激光器，功率转换率达到20%。工作波长位于10m附近，很多工作用的是固定波长的二氧化碳激光器。因为与加入的N2分子的碰撞，(001)模式充分布居。由放电使得氮分子布居于第

34、一振动能级。由此形成与低能级(100), (020)之间的粒子数反转。激光发射可能在子转动能级间发生，并形成位于10.210.8m和9.29.7m的几个光谱带。其中最强的谱线为10.59m。可以使用光栅来选择其一为输出波长。如果使用同位素分子13CO2，则可以增加可选的波长。二氧化碳激光器也可以工作于高气压（1个大气压到10个大气压）。在较高气压下，谱线加宽，不同的振转谱线溶和在一起，从而可以在该波段范围内连续调谐激光。工业上使用的二氧化碳激光器输出功率最高可以达到几十千瓦的量级。 光纤激光器是以光纤激光器是以掺杂光纤掺杂光纤本身为本身为工作物质，工作物质，而该光纤本身而该光纤本身又起到又起到

35、导波作用导波作用的固体激光器。由的固体激光器。由工作物质、谐振腔、泵浦源工作物质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。三个基本部分组成。优点：优点：1.1. 散热性能好、转换效率高、激光阈值低；散热性能好、转换效率高、激光阈值低；2.2. 谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等。器、光纤圈等。3.3. 可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。4.4. 光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。窗口。1 掺杂光纤掺杂光纤2 光纤激光器的谐振腔光纤激

36、光器的谐振腔3 掺稀土元素的光纤激光器掺稀土元素的光纤激光器4 超荧光光纤激光器超荧光光纤激光器(SFS)一、掺杂元素一、掺杂元素掺稀土元素掺稀土元素镧系镧系Xe6S2，外层都为为外层都为为5S25P66S2镧系元素电子结构的镧系元素电子结构的差别只在差别只在4f壳层的电子占壳层的电子占有数有数。1、掺杂浓度、掺杂浓度 最佳在最佳在100ppm量级。量级。太低：太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。激发态可能被耗尽。太高：太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少；导致跃迁产

37、生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。2、掺杂光纤的基质、掺杂光纤的基质（1）石英玻璃）石英玻璃 石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响：产石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响：产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。（2）重金属氟化物玻璃）重金属氟化物玻璃优点：优点：通光窗口宽，在通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。范围透过率很高。易于成纤。易于成纤。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。二、石英光纤中掺稀土元素

38、离子的光谱特性二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性1、Er 3+、Nd 3+的电子能级的电子能级4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能级分裂能级分裂4F 5/24F 3/24F 5/22、掺稀土光纤的光谱特性、掺稀土光纤的光谱特性掺钕光纤：掺钕光纤：使用使用800nm、900nm、 530nm波长的泵浦光源，将在波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm 、 1350nm波长处得到波长处得到激光。激光。掺铒光纤：掺铒光纤：使用使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、 1536nm波波长处得到激光。长处

39、得到激光。 掺铒光纤存在最佳光纤长掺铒光纤存在最佳光纤长度（约度（约10m）。）。Er3+Nd3+3、掺杂光纤的激光特性、掺杂光纤的激光特性 掺铒的三能级系统：掺铒的三能级系统：基态基态E1、亚稳态亚稳态 E2、 高能级高能级E3。从从E3 E1 ，泵浦几率为泵浦几率为WP，跃迁几率为跃迁几率为WP 。 E3 非辐射非辐射E2 ，几率为几率为S32； E3 自发辐射和非自发自发辐射和非自发辐射辐射E2 、 E1 ，几率为几率为A32、A31、 S31。选择工作物质要求：选择工作物质要求：A32、A31和和S31 S32 以及以及S32 WP(3-1) ， N2 N1。一般选择一般选择A21较小

40、的工作物质。较小的工作物质。A32一、一、FP腔腔1，结构，结构M1: 对泵浦光高透；对激光高反对泵浦光高透；对激光高反M2: 对激光高反（低增益系统对激光高反（低增益系统95%；高增益系统；高增益系统 75%）2，光传输特性光传输特性 理论理论波动光学。假设：波动光学。假设：谐振腔内的光纤伸谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。直；为阶跃折射率弱波导光纤。 光光在在腔内传输来回一次后的光强为：腔内传输来回一次后的光强为：要保证激光在腔内振荡，要求：要保证激光在腔内振荡，要求：反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长

41、与波长满足荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件驻波条件)：)(2exp021LGIrrIni)(2121rrnlLGni12nqL增益系数增益系数平均损耗系数纵模和横模纵模和横模 在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；轴线方轴线方向形成驻波，向形成驻波， 称为纵模。称为纵模。节数为节数为q，为纵模序数。为纵模序数。 与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模，用用LPml表示，为线性偏振模。表示，为线性偏振模。m为方位数，表

42、示垂直为方位数，表示垂直光纤的横截面内沿圆周方向方位角光纤的横截面内沿圆周方向方位角 从从0到到2 光场的光场的变化数（节线数）。变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光为径向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数场的半径方向变化数(节线数节线数)。 LP01表示基模，它的角向径向表示基模，它的角向径向节线数节线数没有变化，没有变化，为圆形光斑。为圆形光斑。二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器1、光纤环行谐振腔、光纤环行谐振腔 泵浦光由泵浦光由1端进入，经耦合器进入环行腔。激端进入，经耦合器进入环行腔。激励的激光与泵光无关。产生的激光由励的激光与泵光无关。

43、产生的激光由4端到端到3端。经端。经耦合器分为耦合器分为2束：一束从束：一束从2端输出；另一束由端输出；另一束由4端返回端返回并被谐振放大；如此反复。并被谐振放大；如此反复。其中储存了能量其中储存了能量。掺杂光纤掺杂光纤耦合器：耦合器： 4端出射端出射光比光比1端入射光停滞端入射光停滞后后 /2。2、光纤圈反射器、光纤圈反射器 普通单模光纤普通单模光纤制成的耦合器的重要特性：只要在工制成的耦合器的重要特性：只要在工作波长下作波长下单模单模运行，在两个输出端与输入端之间运行，在两个输出端与输入端之间存在固存在固定相位差定相位差，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位

44、/2。 光纤圈的功率反射率光纤圈的功率反射率R、透射率透射率T为：为：从从2端的透射功率总和为端的透射功率总和为0： 134 2 的的顺时针光的的顺时针光场相位差为场相位差为0，与从，与从1 4 3 2的逆时针光场的相位差为的逆时针光场的相位差为。两光场因为振幅相同、相位相反两光场因为振幅相同、相位相反而抵消，总和为而抵消，总和为0 。光从光从1返回返回。SMF2221221222211)21 ()1 ()1 (4)1 (kerTTTkkerRRRall a3、光纤、光纤圈圈谐振腔谐振腔 光纤圈为光纤圈为非谐振的干涉仪非谐振的干涉仪结构。注意结构。注意分束器的取分束器的取向向。其中没有能量储存

45、其中没有能量储存。透射透射反射反射inrintPkkPPkP)1 (4)21(2：反射功率与透射功率为反射反射透射透射 光波既可以光波既可以通过另一端输出；通过另一端输出；又可以再从输入又可以再从输入端反射。端反射。4 4、全光纤激光器、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，通通过一条掺杂光纤熔锥而成的过一条掺杂光纤熔锥而成的全光纤激光器全光纤激光器。 激光器要实现振荡，激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。要求光纤圈提供正反馈。由此得到谐振腔的有效腔长为：由此得到谐振腔的有效腔长为：为整数。mmLLLL,4) 12(2221L1L2L掺杂

46、光纤掺杂光纤三、可调谐光纤激光器三、可调谐光纤激光器 光纤激光器有光纤激光器有较宽的波长调节范围较宽的波长调节范围，比染料激光器的，比染料激光器的化学性质更稳定，不需低温运行化学性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著。，潜在应用价值显著。1，反射镜，反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔光栅形式可调谐输出谐振腔 使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为M级，闪级，闪耀角为耀角为 ，光栅常数为，光栅常数为d，则光栅方程为：则光栅方程为：dMddMdcos2sin2 只要转动衍射光栅，只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的使光束相对于光栅法线的入射角在入射角在

47、附近变化，就附近变化，就能实现调节波长能实现调节波长 。 可调谐激光器可调谐激光器 采用这种结构，采用这种结构，利用氩离子激光器的利用氩离子激光器的514nm的光作为泵浦的光作为泵浦光，分别激励光，分别激励掺铒掺铒光光纤及纤及掺钕掺钕光纤光纤,可调可调谐的波长范围分别为谐的波长范围分别为25nm和和80nm。 由于分束器与光由于分束器与光学元器件带来了腔内学元器件带来了腔内损耗，损耗，导致阈值功率导致阈值功率提高。提高。14 nm11 nm四、四、( (反射镜反射镜+ +光纤圈反射器形式光纤圈反射器形式) )可调谐输出激光器可调谐输出激光器光纤圈的功率反射率为：光纤圈的功率反射率为：TTeTP

48、TRRL)()1 ()(22 sin),(222激光反射率激光反射率大于大于95%泵 浦 光 反泵 浦 光 反射率为射率为5% 通过改变温度来调节光纤圈的反通过改变温度来调节光纤圈的反射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大。射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大。五、窄带输出的光纤激光器五、窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用：通过光纤光栅的选模作用： 达到窄带达到窄带输出。输出。 B是布拉格波长，是布拉格波长， d是光栅周期，是光栅周期，ne是有效折是有效折射率。射率。dneB2激光线宽激光线宽0.06 nm六、光纤六、光纤Fox-Smith谐振腔谐振腔 一般地，一般地，14段及段及13段的谐振

49、频率不同。段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：复合腔的纵模频率间隔为：选择适当的选择适当的l3、l4以致于在以致于在整个荧光线宽内只有一个整个荧光线宽内只有一个纵模在振荡。则可以纵模在振荡。则可以实现实现单纵模运转单纵模运转。)(2243llnf1. 以以980 nm的的半导体光源作半导体光源作为泵浦源；为泵浦源；2. 掺掺Er 3+光纤中光纤中Er 3+的的受激辐受激辐射产生射产生Laser。能级分裂能级分裂 由合适长度的掺由合适长度的掺Er 3+光纤、光纤、980nm大功率半导体大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。激光器泵浦源和谐振腔构成。 世界上第一台掺世界上第一台掺Er 3+光

50、纤激光器由英国南安谱敦光纤激光器由英国南安谱敦大学的大学的L. Reekie教授于教授于1987年实现。年实现。斜率效率斜率效率=输出功率输出功率/吸收功率吸收功率% =3.3%输入镜输入镜输出镜输出镜吸收功率吸收功率 mW 由合适长度的由合适长度的掺掺Nd 3+光纤、光纤、800nm大功率半导大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔体激光器泵浦源和谐振腔构成。构成。 世界上第一台掺世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱光纤激光器由英国南安谱敦大学的敦大学的R.J. Mears教授于教授于1985年实现。年实现。GaAs激光二极管的输出功率激光二极管的输出功率 mW 光纤激光器输出功率光纤激光

51、器输出功率/mW优点：优点：1. 不需要水不需要水冷即可工冷即可工作；作；2. 不容易饱不容易饱和。和。分类：分类：根据根据泵浦泵浦光与超荧光与超荧光传播方光传播方向向的异同，的异同，以及以及光纤光纤两端是否两端是否存在反射存在反射分类。分类。单程反单程反向向双程前双程前向向单程前单程前向向双程反双程反向向原理：原理： 由于泵浦光的激励，由于泵浦光的激励，粒子数反转粒子数反转。如果亚稳态。如果亚稳态的粒子自发辐射，的粒子自发辐射，产生光子的传输在光纤接收角内，产生光子的传输在光纤接收角内，就能够在光纤内传输，就能够在光纤内传输，诱发许多亚稳态的粒子受激诱发许多亚稳态的粒子受激辐射跃迁，并产生完

52、全相同的光子而放大。辐射跃迁，并产生完全相同的光子而放大。 如果光纤的增益足够，就称之为放大的自发辐如果光纤的增益足够，就称之为放大的自发辐射（射（Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。特点：与普通光纤激光器相比，特点：与普通光纤激光器相比，没有谐振腔没有谐振腔。Fig.2 输出功率与掺输出功率与掺铒光纤长度的关系铒光纤长度的关系超过最佳长度超过最佳长度将被再吸收将被再吸收Fig.3 不同长度光纤的不同长度光纤的泵浦功率与波长的关系泵浦功率与波长的关系DPF: 因为因为1535nm处的处的ASE信号比信号比1550nm处的处的ASE信号信号增长快，所以小的

53、反射率也有大的带宽增长快，所以小的反射率也有大的带宽DPB: 反射率达到反射率达到50%时，时，1535nm处的处的ASE信号饱和，而信号饱和，而1550nm处的处的ASE信号继续增强，所以带宽增加。信号继续增强，所以带宽增加。 价带：价带：是价电子能级分裂出来的价电子能带，是价电子能级分裂出来的价电子能带，当晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子当晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子完全被共价健束缚住，是不导电的。完全被共价健束缚住，是不导电的。 导带：导带：导带是自由电子能带，在没有自由电子导带是自由电子能带，在没有自由电子的情况下，这个能级是空着的。当有自由电子的情况下，这个能级是空着

54、的。当有自由电子时，它们在外电场作用下就能参与导电时，它们在外电场作用下就能参与导电 。 禁带（带隙）：禁带（带隙）：在价带和导带之间存在一段空在价带和导带之间存在一段空隙，称为禁带或带隙。隙，称为禁带或带隙。（1 1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3 3）金属）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。导体没有禁带，可显示很强的导电性。（2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。导电性很差。E

55、外外 场场E E满带满带导带导带满带满带导带导带满带满带导带导带（1 1）半导体）半导体eVEg1 禁带禁带eVEg10 禁带禁带外外 场场（2 2） 绝缘体绝缘体（3 3）金属）金属 完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。 在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显著变化，称为掺杂半导体。著变化，称为掺杂半导体。若掺入的杂质提供电子给导带，称为若掺入的杂质提供电子给导带，称为N N 型杂质型杂质或施主杂质，如掺入锡和碲。掺入或施主杂质，如掺入锡和碲。掺入N N型杂质的材料称为型杂质的材料称为N N型型半导体半

56、导体 。若掺入的杂质提供空穴给价带，称为受主杂质若掺入的杂质提供空穴给价带，称为受主杂质或或P P 型杂质型杂质 ，如掺入锗。掺入如掺入锗。掺入P P 型杂质的材料称为型杂质的材料称为P P 型型半导体。半导体。（1 1）本征半导体）本征半导体纯净的半导体，如硅、锗等。纯净的半导体，如硅、锗等。 半导体禁带宽度窄、在外场的作用下半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, , 导带中的导带中的电子电子、满带中的、满带中的空穴空穴都可参与导电。都可参与导电。（本征导电性。见下图）（本征导电性。见下图）外外 场场满带导带E（2 2）杂质半导体）杂质半导体 当四价的元素中当四价的元素中 掺入少量掺入少量五价元

57、素五价元素时形成时形成n n 型半导体。型半导体。如：硅中掺入杂质磷后，磷原如：硅中掺入杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能级位于导子在硅中形成局部能级位于导带底附近（称为施主能级）。带底附近（称为施主能级）。 一般温度下，杂质的价电一般温度下，杂质的价电子很容易子很容易 被激发跃迁至导带，被激发跃迁至导带，成为导电电子，使导带中的电成为导电电子，使导带中的电子浓度大大增加。子浓度大大增加。 n n 型半导体型半导体以电子导电为主。以电子导电为主。* n 型半导体型半导体E外场外场满带导带施主能级n 型半导体型半导体* P 型半导体型半导体 四价的元素中掺入四价的元素中掺入 少量三价元素时形成少量

58、三价元素时形成 P P 型半导型半导体，如：在硅中掺入三价的杂质体，如：在硅中掺入三价的杂质硼，杂质原子的局部能级位于价硼，杂质原子的局部能级位于价带顶附近（称为受主能级）。带顶附近（称为受主能级）。 一般温度下，满带中的电子一般温度下，满带中的电子很容易被激发跃迁至杂质能级上，很容易被激发跃迁至杂质能级上，满带中留下的空穴也将因此而大满带中留下的空穴也将因此而大大增加，而成为多数载流子。大增加，而成为多数载流子。P P 型半导体以空穴导电为主。型半导体以空穴导电为主。外场外场E满带导带受主能级P 型半导体型半导体4Si4Ge5P5As5Sb3In3Al3B3Ga附：几个附：几个3、4、5价的

59、元素价的元素P-N结：结：正向连接正向连接时，时，P中的空穴和中的空穴和N中的电子都易于通过中的电子都易于通过P-N 结，结， 形成形成P N的正向宏观电流。的正向宏观电流。 （2）作用：作用： PN结具有单向导电作结具有单向导电作用用,是制造整流器和集成电是制造整流器和集成电路的基本结构。路的基本结构。结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到平衡，形成平衡，形成P-N结。结。P型材料中的空穴将向型材料中的空穴将向N型材料扩散；型材料扩散；N型材型材料中的电子将向料中的电子将向P型材料扩散。型材料扩散。 NP NP 正向连接正向连接反向连接反

60、向连接反向连接反向连接时，时，P中的空穴和中的空穴和N中的电子都难以通过中的电子都难以通过P-N 结。故结。故 P-N结具有单向导电的性能。结具有单向导电的性能。PN （1）形成：形成：P与与N密切接触密切接触(EF)PP型区N型区(EF)N(EF)P(EF)NqVD=(EF)N-(EF)P PNPN结的特性：结的特性：当当P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合后，在它型半导体结合后，在它们之间就出现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都们之间就出现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果破要从浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果破坏了原来坏