浅谈激光器

第一节　浅谈激光器

激光的物理基础

1.辐射和跃迁

根据原子发光的量子理论可知原子与光之间的相互作用包括原子的自发辐射跃迁、受激吸收跃迁和受激辐射跃迁三种过程（见图1）。

图1　三种跃迁过程示意图

（1）自发辐射原子（或分子）能级中能量最低的叫做基态，其余的叫做激发态。由于基态最稳定，在通常情况下处于基态的原子（或分子）占大多数。原子处在激发态和亚稳态上的寿命很短，分别为10^－8s和10^－2s左右，很不稳定，即使没有外场的作用，处于高能级（E₂）的原子也将会自发跃迁到低能级（E₁）上，并释放出能量（E₂－E₁），这些能量是以电磁波的形式释放出来的，就称这种过程为光的自发发射或自发辐射，辐射波的频率为：ν＝（E₂—E₁）/h。

原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子都独立地被激发到高能态，然后自发地跃迁到低能态，其发光过程各自独立，互不关联，处在高能级的原子什么时候自发地发射光子带有偶然性，辐射的光波在其位相、偏振状态、发射方向上都没有确定的关系，高能级向低能级跃迁的能量差不同，因而所辐射的光子的频率不同，是非相干的。自然光的发光机理就是自发辐射，一般说来，这种光源所辐射的光是不强的，加上向四面八方发射使能量分散了。

我们通常见到的太阳光、灯光、荧光都属于自发辐射光，包含多种波长成分。

（2）受激吸收处于低能级E₁上的粒子，在频率为ν＝（E₂－E₁）/h的外场作用下，以一定的概率跃迁到E₂上，每一个实现跃迁的粒子从外场中吸收一份（E₂－E₁）的能量，这种过程称为受激吸收。要使处于基态的原子发光，必须由外界提供能量使原子达到激发态，所以普通光源的发光包含了受激吸收和自发辐射两个过程。

（3）受激辐射处在高能级E2的原子，在满足频率为ν＝E₂－E₁/h的外来光子的激励下被诱发，由高能级E₂向低能级E₁的状态跃迁，并发出一个同频率的光子来，这种过程称为受激辐射。这种受激辐射的光子有特色，原子可以发出与诱发光子全同的光子，不仅有相同的频率，而且发射方向、偏振状态以及光波相位都完全一样，这样，通过一个光子的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子，使原来的光信号被放大了。

这种在受激过程中产生并被放大的光就是激光。受激辐射是产生激光的基础，没有受激辐射就没有激光。

2.粒子数反转和光放大

激光是通过受激辐射来实现光放大的。但是光和原子发生相互作用时，受激辐射和受激吸收总是同时存在的。哪一种占优势取决于高能级Ez和低能级E₁上的原子数的多少。若被吸收的光子数多于受激辐射的光子数，即低能原子占优势，则宏观效果就是光吸收，反之，若受激辐射的光子数多于被吸收的光子数，即高能原子占优势，则宏观效果就是光放大。在热平衡条件下，能级中粒子的分布服从玻耳兹曼统计分布，若能级E₂＞E₁，则两能级上的原子数目之比为

这时受激吸收强于受激辐射，其总效果是净吸收，光强减弱，这就是为什么普通光源受激辐射总处于次要地位的原因。为了使光源发射激光，受激辐射必须占优势，这就要求N₂＞N₁，即在高能级E₂上的粒子数N₂多于在低能级E₁上的粒子数N₁，这样粒子在能级上的分布就同正常情况下的分布正好相反，称为粒子数反转分布。

要实现粒子数反转必须有两个条件：一是要有激励源，即从外界不断地给发光物质提供能量；二是要有能被激活的工作物质，其能级结构中，存在亚稳态能级。

激光的特点

根据受激辐射的特点以及激光的形成过程，激光有以下很有价值的特性。

1.具有很好的方向性

激光的光束可以说是在一条直线上传播，光束的发散角很小，在几公里外，扩展范围也不过几厘米，这样好的方向性是普通光源所无法达到的。这种良好的方向性，使得激光在测距、通信、雷达定位等方面发挥着巨大的作用。

2.具有高的亮度

激光具有极高的发光强度。由于激光的方向性好，能量在空间沿发射方向可高度集中，亮度比普通光源有极大的提高，并且采用特殊措施的激光器，还可以积累能量，引而不发，然后在极短时间内发光，这样，将光束能量在时间上高度集中，进一步提高了激光的亮度，它的亮度可达到地球表面太阳光亮度的10¹⁴倍。利用激光的这个特性可对材料进行打孔、切割和焊接等。

3.具有良好的单色性

光的单色性是指光源发射的光波长范围很小，这个范围叫做单色光的谱线宽度△λ，△λ越小其单色性越好，它的颜色就越单纯。激光的单色性非常好，是目前世界上发光颜色最单纯的光源，而且不同的激光器能在紫外线到达红外线的波长范围之间产生窄线宽激光，可以满足不同的应用需要。光源的单色性在许多方面都有着重要的作用。如在光子通信、光学干涉精密仪器及光学测量中能够保证很高的测量精度。

4.具有极好的相干性

单色性越好的光，它的相干性必定越好。激光是目前相干性最好的光源。由波的叠加原理可知，满足相干条件（频率相同、位相差恒定、振动方向相同）的两列波相遇时会发生干涉，因为激光是由激光器输出的全同光子，充分满足相干条件。当激光束经过分束装置被分为两束，则此两束光就有很好的相于性，所产生的干涉条纹非常清晰。激光极好的相干性，使它在通信、显示、测量、光谱分析、信息存储等领域获得了广泛的应用。

激光除上述主要特性外，还具有高功率、高能量、高速调制和明显的光压效应特性，这些特性无疑大大扩大了激光的应用范围。

激光器的三大要素

一台简单的激光器主要由三部分组成：工作物质；泵浦源；谐振腔。这三个组成部分是激光器的三大要素，是所有激光器必须具有的，激光器的这三个要素不同则其工作原理不同，激光特性不同，用途也不同，从而构成了各种形形色色的激光器。

1.工作物质

工作物质是指能够产生受激辐射的材料，是激光得以产生的基础。激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是固体、气体、液体或半导体，对工作物质最基本的要求是：光学性质均匀、光学透明性良好且性能稳定，同时具有亚稳态能级，这对实现粒子数反转是非常有利的。

因为一般原子处在激发态时间很短，约10^－8s，很难实现粒子数反转，而有些物质具有一些亚稳态能级，这些亚稳态的能量高于基态，但它的能级寿命远大于激发态的寿命，原子被激发到亚稳态后，可以停留较长时间，从而有可能在亚稳态上积累较多的原子，与低能级问形成粒子数反转分布，达到光放大的目的。我们把能造成粒子数反转分布的工作介质称激活介质。

2.泵浦源

泵浦源（激励源）是指向工作物质提供能量的能源。要想得到激光，必须满足粒子数的反转条件，依靠激励光源可以得到工作物质中处于高能级的原子、分子数增加，形成粒子数反转。这些激励方式如同水泵抽运过程，所以就被形象地称为“泵浦”或“抽运”。为了不断地得到激光输出，就必须不断地“泵浦”以维持粒子数反转过程。常用的激励方式有：电激励、光激励、热激励、化学激励等。

3.谐振腔

谐振腔是指光子可在其中来回振荡的光学腔体（见图2），主要由两块互相平行的平面反射镜组成，其中一块对光几乎全反射，另一块对激光有适量透过率，以便对外输出激光。归纳起来，谐振腔主要有三个作用。

（1）产生和维持光振荡光在粒子数反转的工作物质中传播时，得到光放大，当光到达反射镜时，又反射回来穿过工作物质，进一步得到光放大，这样不断地反射的现象称为光振荡。光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，因此从具有一定透过率的平面镜一端输出强烈的激光。

图2　谐振腔

（2）确定激光方向由于只有在谐振腔轴线方向上振荡的光才得到加强，其他方向的光受到抑制，所以激光的方向性好。

图3　第一台红宝石激光器

（3）选频光在谐振腔传播时形成驻波，由于满足驻波条件L＝kλ/2（式中，L为谐振腔长度；λ为激光波长；κ为整数）的光振动才加强，而不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐振腔又起选频的作用，所以激光的单色性好。与谐振腔纵向长度有关的每个振动模式称纵模。

下面以红宝石激光器（图3）为例说明激光的形成。红宝石激光器的工作物质是一根红宝石棒（掺入Cr^＋3离子的三氧化二铝晶体）。铬离子中涉及到激发和发射激光的三能级图［图4（a）］。

图4　产生激光的能级简图

作为泵浦源的高压氙灯发出很强的光激发铬离子达到激发态E₃，被激励到E₃的电子很快通过无辐射跃迁到E₂。E₂是亚稳态能级，E₂到基态E₁的自发辐射概率很小，粒子在亚稳态停留的时间较长，于是粒子数就在E₂上积聚起来，实现E₂和E₁两能级上的粒子数反转，实现受激辐射。铬离子在激发到发射出激光的过程中就涉及到这个三能级系统，因为下能级是基态，通常情况下聚集了大量原子，所以要达到粒子数反转，必须要有相当强的激励源才行。

有些工作物质具有四能级系统，如图4（b）所示，发射激光的下能级不是基态，因此比三能级系统更容易实现粒子数反转。

激光器的种类

自1960年5月美国休斯飞机公司的科学家梅曼（C.M.Maman）博士成功制造的第一台红宝石激光器（图3）诞生以来，数以百计的各种激光器相继问世。激光器的名称、材料性能、形状、用途等琳琅满目，彼此之间差异极大，如最小的激光器只有米粒那么大，最大的则足以充满几个房间。

激光器有不同的分类方法。根据工作物质的形态可分为：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。根据激光输出方式的不同可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光器的输出功率峰值非常大。另外还可根据激光的结构、性能、发光频率和功率的大小以及谐振腔的类型等来分，种类繁多，不过最常用的名称和分类是从工作物质的形态出发考虑的，下面简单地进行介绍。

1.固体激光器

固体激光器是采用晶体或玻璃为基质材料，并均匀掺入少量激活离子作为工作物质的激光器。掺人少量激活离子能够起到产生激光发射的作用，可作为激活离子的主要是过渡族金属离子（如铬离子）、稀土金属离子（如锕系离子）等，这些激活离子和基质材料适当配合形成能产生激光发射的三能级或四能级结构，达到粒子数反转条件。世界上第一台红宝石激光器就是固体激光器，工作物质为红宝石晶体（掺入少许铬离子（Cr^3＋）的三氧化二铝晶体）。

固体激光器具有器件小、能量大、峰值功率高、使用方便、牢固耐用等特点，广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面。

2.气体激光器

气体激光器是以气体或金属蒸气作为工作物质的激光器，它是利用气体原子、分子或离子的分离能级进行工作的。气体激光器是目前品种最多，应用最广泛的激光器。

气体激光器一般采用气体放电激励，在直流激励的激光管中，必须有一个放电的阳极和阴极，谐振腔一般采用稳定的球面腔，一端为全反射光，另一端为部分反射光作为输出端。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、气体的光学均匀性好、输出的光束质量好、输出波长范围较宽、能长时间较稳定地连续工作等特点。

第一台气体激光器是1961年制成的氦氖（He－Ne）激光器，是目前应用最广泛的一种激光器。它的工作物质是惰性气体He和Ne的混合物。激光是由Ne原子的受激辐射产生的，He原子则是辅助气体。在充以He和Ne的混合稀薄气体中，电子碰撞使He激发到2s亚称稳态能级，此能级与Ne的5s能级刚好共振，故处于2s态的He原子很容易通过碰撞而把Ne由基态激发到5s态，这样就实现了Ne原子在5s态与3p态之间的粒子数反转，从而使Ne原子受激辐射，获得激光。常用的气体激光器还有二氧化碳激光器、氩离子激光器、准分子激光器、金属蒸气激光器。

3.半导体激光器

这类激光器分子激活介质是半导体材料，如砷化镓（GaAs）、掺铝砷化镓（Al GaAs）、硫化锌、硫化镉等，其激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器具有体积小、质量轻、结构简单、牢固耐用且寿命长等特点，特别适合在飞机、车辆、宇宙飞船上使用。如用以装备飞机、坦克上的激光测距机、激光侦察和夜视等。最小的半导体激光器最突出的特点是体积非常小，最小可达到米粒那么小。

到了20世纪90年代，半导体激光器已经成为激光家族中的佼佼者，已经成为光纤通信、光盘技术、激光打印、印刷等信息产业的核心，如CD、VCD和DVD中都有一个小型半导体激光器。

4.液体激光器

最常见的液体激光器是以有机溶液为工作物质的染料激光器，利用不同染料可获得在可见光范围内不同波长下的光。液体激光器工作原理比其他类型的激光器都要复杂得多，它最突出的特点是其工作波长可以调谐，且覆盖面宽，主要应用于需要窄带可调谐或超快光脉冲场合，如用于同位素分离光谱学，在医学领域则通过选择吸收来治疗恶性肿瘤。