第三章[气体激光器]

第三章 激光与光电子器件 激光器的分类： ① 按工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光器、 半导体激光器、自由电子激光器等 ② 按运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激 光器、稳频激光器、可调谐激光器、单模激光器、多 模激光器、锁模激光器、Q开关激光器 ③ 按激光波长：红外激光器、可见光激光器、紫外激光 器、毫米激光器、x射线激光器、γ射线激光器 ④ 按泵浦方式：电激励激光器、光泵浦激光器、核能激 光器、热激励激光器、化学激光器、拉曼自旋反转激 光器、光参量振荡器等 ⑤ 按谐振腔结构：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激 光器、折叠腔激光器、光栅腔激光器、光纤激光器、 薄膜激光器、波导激光器、分布反馈激光器等。

3.1 气体激光器 气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器。 它是目前种类最多、波长分步区域最宽、应用最广 的一类激光器，有近万条激光谱线，波长覆盖从紫外到红 外的整个光谱区，目前已经扩展到X射线和毫米波波段。 气体激光器的输出光束质量非常高，其单色性和发 散性均优于固体和半导体激光器，也是目前连续输出功率 最大的激光器。具有转换效率高、结构简单、造价低廉等 优点，得以广泛应用。

一、气体激光器的激励方式 大部分气体激光器是采用电激励的方式，在某 些特殊的情况下，也采用热激励、化学能激励、光激 励等其他激励方法。电激励主要有气体放电和电子束 激励两种形式，其中的气体放电是气体激光器最主要 的激励方式。 1.气体放电激励方式 气体放电激励过程是指：在高压电场下，气体粒子 发生电离而导电，在导电过程中，快速电子与气体粒子(原 子、分子、离子)碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子反 转。气体放电可分为直流或交流连续放电、射频放电和脉 冲放电等多种形式。

气体放电中，决定放电情况的基本物理因素是 电子、原子、分子和离子之间的碰撞过程。 有两种基本的碰撞过程决定着气体粒子数反转 分布和维持，第一种过程是电离，这是为了维持放电 必不可少的。第二种过程是激光能级的激发和消激发， 这是建立粒子数反转的必要过程。 气体粒子的电离过程的实现主要决定于参与碰 撞的电子能量.当电子能量达到电离能时，粒子便发 生电离，而气体粒子的激发过程可以是多种碰撞能量 转移形式，主要有能量共振转移、电荷转移和潘宁电 离等。这些形式也称为气体放电中的选择激发过程。 ① 能量共振转移是激发态粒子A*将能量转移给中性粒子 B的碰撞过程，可表示为 式中， E表示A*和B之间的激发能态差，

值 愈小，表明共能量碰撞转移的共振特性愈好。 He—Ne、CO2等激光器的激发过程主要是基于这种激发态粒 子间的能量共振转移。

②

电荷转移是离子A+与中性粒子B的碰撞过程，离子A+获得 电子而成为中性粒子A,中性粒子B则成为正离子B+。其 过程为：

这里， E是A+与B之间的位能差， E愈小，这种能量 转移过程进行得愈顺利，(B+)*表示离子激发态，表明 电荷转移反应往往会同时激发和电离，这种过程是许 多离子激光器的主要激励机制。 ③ 潘宁电离效应是利用激发态粒子间的碰撞，使中性气体粒 子产生电离或电离激发的过程 A*和(B+)*分别是粒子的激发态和离子激发态。潘宁效应的 最大特点是只要A*的激发态能大于中性粒子B的电离或电离激发能， 反应就能顺利进行，这是因为反应的生成物—慢电子把碰撞体系反 应前后的能量差以动能形式所带走。 许多金属蒸气离子激光器的粒子数反转机制，就是基于这种 过程。

④ 直接利用高速电子的碰撞，建立气体粒子的粒子数 反转，是常用的选择激励方式。

这种反应的进行过程取决于电子能量和电子碰撞 激发截面σ的大小。 金属蒸气原子激光器、N2分子激光器、Ar+激光器 等都是采用直接电子碰撞机制作为激励手段的。

2.光激励方式 光激励是指用特定波段 的光照射工作物质，在吸收对 应波长的光能后产生粒子数反 转。采用光激励方式的气体激 光器主要有工作于远红外和亚 毫米波段的激光器，通常称为 光泵远红外激光器和光泵亚毫 米激光器。这类激光器的激光 辐射产生于分子的转动能级之 间，其能级相当密集，放电激 励的方式难于实现能级问的粒 子数反转，而光泵激励却显得 十 分有效。 图表示两种由可调谐CO2激光器的激光泵浦 的甲酸红外激光器装置，激光器输出波长在200—800μm范围， 已获得70多条谱线输出，其中较强的谱线波长有393μm、 418μm、432μm、513μm,连续功率在100mw附近。

3.热激励方式 热激励是指采用某种高温加热的方式使整个气体工作物质体系温 度升高.从而使较多的粒子处于高能级状态，然后再通过某种方 式，使热弛豫时间较短的某些较低能级上的粒子倒空，而热弛豫 时间较长的某些较高能级上的粒子得以积累，从而实现这些能级 间的粒子数反转。采用高温燃烧，把CO2气体温度提高到3000K左右的高温状态，此时处于CO2 分子的激光上、下能级上的粒子数都比室温时多得多，但整个体系仍处于热 平衡状态，据玻尔兹曼分布规律。高能级上的粒子数始终小于低能级上的粒 子数，然后，再通过绝热膨胀方法使气体温度骤降到300K左右，这个骤降过 程使体系由热平衡

状态转为非 热平衡状态，由于绝热膨胀的 特征时间小于CO2分子激光上 能级的热弛豫时间，因此降温 过程对上能级的粒子数影响不 大，而下能级的热驰豫时间与 降温特征时间具有相同量级， 温度的降低使下能级的粒子数 急剧减少，从而实现粒子数反 转。

4.化学能激励方式 采用化学能激励的激光器通常称为化学激光器，化学能 激励是利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能 量来激励工作物质，建立粒子数反转而实现受激辐射。 大多数的化学激光器是采用气体工作物质，典型的有 HF(氮化氢)化学激光器、DF(氮化氘 )化学激光器、 HBr(溴化氢)化学激光器、CO化学激光器、HCl(氯化氢) 化学激光器以及光分解碘原子激光器等。

HF化学激光器的工作物质是H2和F2,激光机理是利 用F+H2或H+F2反应生成的激发态HF*分子而产生2.6— 3.6μm的激光辐射。 高温的N2和H0气在向前流动过程中引入SF6,SF6在 2000℃的高温N2气中发生化学分解反应 在N2和SF6的混合室中气体的总气压高达1200kPa左 右，混合气流通过多喷嘴栅时产生膨胀，气流的速度被加 速到数倍音速，而气压则迅速降至几百帕，混合气体的温 度也迅速降低。而后，注入H2并使其与含有F原子的气体 混合，产生F—H的连锁化学反应.形成HF*分子的ν=2和 ν=1能级间的粒子数反转。 化学激光器的最大特点是将化学能直接转换成激光，原则上不需 外加的电源或光源作为激励源，因此，在特殊场合，如在高山、 野外缺乏电源的地方，化学激光器具有独特的优势。化学激光器 也是高功率、高能量激光器，连续输出功率已达数万瓦，脉冲能 量高达每千克氢和氟作用产生1.3*107焦耳的能量

二、原子气体激光器 原子气体激光器的工作物质是中性原子气体， 其激光跃迁发生子中性原子的不同激发能态之间，能 产生激光跃迁的原子种类很多，主要有惰性气体(氦、 氖、氩、氪、氙)和某些金属原子蒸气(铜、金、锰、 铅、锌等)。典型的是惰性气体类中的He—Ne激光器 和金属原于蒸气类中的Cu激光器。

1 氦-氖(He-Ne)激光器 (He-Ne)激光器1)He-Ne激光器的结构 1)He-Ne激光器的结构He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、 激光管和激光电源组成 He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、 激光器的结构形式很多 电极和光学谐振腔组成。 电极和光学谐振腔组成。 放电管是氦一氖激光器的心脏， 放电管是氦一氖激光器的心脏， 它是产生激光的地方。 它是产生激光的地方。放电管通常由 毛细管和贮气室构成。 毛细管和贮气室构成。放电管

中充入 一定比例的氦(He)、 )、氖 Ne)气体， 一定比例的氦(He)、氖(Ne)气体， 当电极加上高电压后， 当电极加上高电压后，毛细管中的气 体开始放电使氖原子受激， 体开始放电使氖原子受激，产生粒子 数反转。贮气室与毛细管相连， 数反转。贮气室与毛细管相连，这里 不发生气体放电， 不发生气体放电，它的作用是补偿因 慢漏气及管内元件放气或吸附气体造 He,Ne气体比例及总气压发生的变 成He,Ne气体比例及总气压发生的变 延长器件的寿命。 化，延长器件的寿命。放电管一般是 GG17玻璃制成 玻璃制成。 用GG17玻璃制成。输出功率和波长要 图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式 求稳定性好的器件, 求稳定性好的器件,可用热胀系数小 的石英玻璃制作。 的石英玻璃制作。 He-Ne激光管的阳极一般用钨棒制成， He-Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其 激光管的阳极一般用钨棒制成 合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状。 合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状。

He-Ne激光器由于增益低， He-Ne激光器由于增益低，谐振腔一般 激光器由于增益低 用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%~ 平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%~ 1% %,凹面镜为全反射镜 凹面镜为全反射镜。 2%,凹面镜为全反射镜。 He-Ne激光管的结构形式是多种多样 He-Ne激光管的结构形式是多种多样 的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分 内腔式、外腔式和半内腔式。 内腔式、外腔式和半内腔式。

外腔式如图( 外腔式如图(b)所示 优点：激光器的谐振腔反射镜与放电管分离， 优点：激光器的谐振腔反射镜与放电管分离，可 增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片， 增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以 寿命比同轴式长， 寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响 较小，加之谐振腔可以调整， 较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能 保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片， 保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片， 还可使激光得到线偏振的激光输出。 还可使激光得到线偏振的激光输出。 缺点：由于反射镜与放电管相分离， 缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易 改变，需要经常调整，使用不方便. 体积大， 改变，需要经常调整，使用不方便. 体积大，安 装使用不方便，易破碎。 装使用不方便，易破碎。

内腔式如图中( 所示， 内腔式如图中(a)所示，将谐振腔的两反 射镜调整好后， 射

镜调整好后，用胶固定在放电管的两端 优点:使用时不必进行调整，非常方便， 优点:使用时不必进行调整，非常方便，阴极 与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂， 与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂， 安装方便。 安装方便。 缺点:在工作过程中放电管受热变形时, 缺点:在工作过程中放电管受热变形时,谐振 腔反射镜会偏离相互平行位置， 腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损 耗增加，输出下降。激光管越长， 耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定 性越差， 性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超 过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后， 过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易 更换，反射镜内表面污染后也无法清除。 更换，反射镜内表面污染后也无法清除。并 且由于阴极放在放电管内， 且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易 污染窗片.使用寿命低， 污染窗片.使用寿命低，同时由于阴极大量 发射电子，阴极区易发热， 发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管 功率的稳定性不如旁轴式。 功率的稳定性不如旁轴式。

2)氦和氖原子的能级图 2)氦和氖原子的能级图 激光器的工作气体是He Ne,其中产生激光跃迁的是Ne He和 Ne气 He是辅助气体 是辅助气体， 激光器的工作气体是He和Ne,其中产生激光跃迁的是Ne气。He是辅助气体，用以提 Ne原子的泵浦速率 原子的泵浦速率。 10) He和Ne的能级图 He原子有两个电子 的能级图。 原子有两个电子， 高Ne原子的泵浦速率。图(5-10)为He和Ne的能级图。He原子有两个电子，没激发时这 两个原子都分布在1S 壳层上，He原子处于基态 原子处于基态。 He原子受激时 使其中一个电子从1S 原子受激时， 两个原子都分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子受激时，使其中一个电子从1S 激发到2S He原子成为激发态 2S, 原子成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级 分别记为2 原子有两个亚稳态能级， 激发到2S,He原子成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。

Ne原子有10个电子， Ne原子有10个电子，基态1S0(电子 原子有10个电子 分布为1S 激发态为1S 2S、 1S、 分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、 3S、2P、3P等 3S、2P、3P等，它们对应的外层电 子组态分别为2P 3s、 4s、 S5、 子组态分别为2P53s、2P54s、2P5S5、 3P、 4P。 2P53P、2P54P。

图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图

3)He—Ne激光器的激发过程 3)He Ne激光器的激发过程 Ne He—Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： Ne激光器中 在He Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图

可见，He原子的 原子的2 态分别与Ne原子的3S 2S态靠 Ne原子的3S、 第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子的3S、2S态靠 得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95% 其转移过程如下： 95%, 得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%,其转移过程如下：

共 振

2 s 23s电子碰撞激发 电子碰撞激发

1

转 移

3s 2s 3p 2p 1s管壁效应 管壁效应

自发辐射

He

Ne

第二是电子直接碰撞激发。 第二是电子直接碰撞激发。在气 体放电过程中，基态Ne Ne原子与具有一定 体放电过程中，基态Ne原子与具有一定 动能的电子进行非弹性碰撞， 动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激 发到2S 3S态 与共振转移相比， 2S和 发到2S和3S态，与共振转移相比，这种 过程激发的速率要小得多。 过程激发的速率要小得多。 第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被 第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被 激发到更高能态，然后再跃迁到2S 2S和 激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S 与前述两过程相比， 态，与前述两过程相比，此过程贡献最 小。

根据能量跃迁选择定则，Ne原子可 根据能量跃迁选择定则，Ne原子可 以产生很多条谱线，其中最强 最强的谱 以产生很多条谱线，其中最强的谱 线有三条， 、 线有三条，即0.6328µm、3.39 µ m 和1.15 µ m,对应跃迁能级分别为 ， 3S2→2P4,3S2→3P4和2S2→2P4。 2P和3P态 不能直接向基态跃迁， 2P和3P态，不能直接向基态跃迁， 而向1S态跃迁很快。lS态向基态的 1S态跃迁很快 而向1S态跃迁很快。lS态向基态的 跃迁是被选择定则禁止的， 跃迁是被选择定则禁止的，不能自 发地回到基态，但它与管壁碰撞时， 发地回到基态，但它与管壁碰撞时， 可把能量交给管壁，自己回到基态。 可把能量交给管壁，自己回到基态。 这就是为什么He Ne激光器中要有 He—Ne 这就是为什么He Ne激光器中要有 一根内径较细的放电管的原因。 一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，He Ne Ne激光器是典 从能级图可见，He—Ne激光器是典 型的四能级系统。 型的四能级系统。图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图

4)He—Ne激光器的输出特性 4)He Ne激光器的输出特性 Ne (1)谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线 激光器三条强的激光谱线： (1)谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线： 谱线竞争 3S→ 0.6328 .6328µ 2S→ 1.15µ 3S→ 3.39µ 3S→2P 0.6328µm ,2S→2P 1.15µm , 3S→3P 3.39µm 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。见图(5 (5中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。见图(5-10)0.6328 µ m

和3.39 µ m两条激光谱线 有共同的激光上能级3S 3S, 有共同的激光上能级3S,而后者增益系数比 较高,如果不进行抑制, 较高,如果不进行抑制,则3.39 µ m的辐射 在腔内振荡过程中将消耗大量的3S 态原子。 在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子。 抑制3.39 辐射的办法主要有: 抑制3.39 µ m辐射的办法主要有: ①选用对3.39 µ m的光具有低反射率的谐 选用对3.39 振腔反射镜, 339um达不到阈值条件 达不到阈值条件, 振腔反射镜,使339um达不到阈值条件,如下 图所示,在腔内加色散棱镜,将两谱线分开, 图所示,在腔内加色散棱镜,将两谱线分开, 通过调整谐振腔反射镜的位置, 通过调整谐振腔反射镜的位置,只允许 的辐射起振,而使3.39 0.6328 µ m的辐射起振,而使3.39 µ m的辐 射偏离出谐振腔外; 射偏离出谐振腔外;

图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图

的光具有强吸收而对0.6328 ②腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对3.39 µ m的光具有强吸收而对0.6328 µ m的光 腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对3.39 透明,因此可用甲烷抑制3.39 振荡; 透明,因此可用甲烷抑制3.39 µ m振荡; 振荡。 ③外加非均匀磁场也能抑制3.39 µ m振荡。 外加非均匀磁场也能抑制3.39 根据塞曼效应,磁场可引起谱线分裂,分裂的大小与磁场强度成正比。 根据塞曼效应,磁场可引起谱线分裂,分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管 内磁场分布不均匀,则各处谱线分裂程度不同并连成一片,相当于谱线变宽。300高 内磁场分布不均匀,则各处谱线分裂程度不同并连成一片,相当于谱线变宽。300高 斯非均匀磁场中,两谱线加宽均约900MHz,0.6328 mm原谱线半宽度约1500MHz,非 原谱线半宽度约1500MHz, 斯非均匀磁场中,两谱线加宽均约900MHz,0.6328 µ mm原谱线半宽度约1500MHz,非 均匀磁场对它展宽的比例不大。 原谱线宽只有300MHz左右, 300MHz左右 均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39 µ m原谱线宽只有300MHz左右,非均匀磁场 的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽,所以外加非均匀磁场后,3.39 的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽,所以外加非均匀磁场后,3.39 µ m的 增益系数急剧下降, 0.6328μm的增益系数却下降很少 结果提高了0.63281 的增益系数却下降很少. 增益系数急剧下降,而0.6328μm的增益系数却下降很少.结果提高了0.63281 µ m的 竞争能力,3.39 µ m则被抑制。外加非均匀磁场的装置如下图所示,沿放电管轴向放 竞争能力,3.39 则被抑制。外加非均匀磁场的装置如下图所示, 置许多小磁铁,相邻的极性相同,这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。 置许多小磁铁,相邻的极性相同,这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。

(2) 输出功率特性 :

He-Ne

激光器的放电电流对输出功率影响很大。 He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。 激光器的放电电流对输出功率影响很大

11) ① 图(5-11)表示输出功率与放电电流 的关系曲线。曲线表明:在气压比为定值时, 的关系曲线。曲线表明:在气压比为定值时, 每个总气压都存在一个输出最大的放电电 其大小随着总气压的升高而降低, 流,其大小随着总气压的升高而降低,这是 因为气压升高, 因为气压升高,只需要较小的放电电流就能 得到相同的电子密度。 得到相同的电子密度。 在最佳充气条件下， 在最佳充气条件下，使输出功率最大的放 电电流叫最佳放电电流 ② He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳 充气总压强，即存在最佳充气条件。 充气总压强，即存在最佳充气条件。 实验发现，氦气与氖气的分压比为7:1 7:1时是 实验发现，氦气与氖气的分压比为7:1时是 最佳分压比。而总压强在100Pa 400Pa。 100Pa~ 最佳分压比。而总压强在100Pa~400Pa。

图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线

选用He气作辅助气体的原因:Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能 选用He气作辅助气体的原因:Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能 He气作辅助气体的原因 He*与Ne*能级极相近 能级极相近, 级 ；He*与Ne*能级极相近, 易发生能量共振转移 。

③若放电毛细管的直径为d,充气压强为p,则存在一个使输出功率最大的最 佳pd值。

右图给出了在不同的毛 细管内径d和长度l 细管内径d和长度l时, 输出功率与充气总气压 和气压比的实验曲线。 和气压比的实验曲线。 由图可见,内径d不同, 由图可见,内径d不同, 最佳充气压和气压比也 不同。计算可得: 不同。计算可得:当取 最佳充气条件时, 最佳充气条件时,最佳 气压P 气压Popt与毛细管内径 的乘积约为一常数, 的乘积约为一常数,一 般Poptd=480~533Pamm.

在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。 ④在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。