激光产生原理

1、激光产生原理一、激光产生原理要学习激光原理我们需要先了解以下这些概念1能级物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原 子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能 级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道 可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2 个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。2、跃迁电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子 时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于

2、高能级的电子也 会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是 与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定 的颜色。3、自发辐射指高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射， 辐射光子能量为hv=E2-E1，即两个能级之间的能量差。这种辐射的特点是每一个电子的跃 迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的 光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。4、受激吸收受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。电子可通过吸收光子从低 能

3、级跃迁到高能级。普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）都是由于物质在 受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子吸收外来能量而从低能级跃 迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。5、受激辐射受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射 出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受 激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区 分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被 加强了，或者说光被放大了。这正是产生激

4、光的基本过程。光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同 的波长和相位，此波长对应于两个能级的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最 后就变成两个相同的光子。6、受激吸收和受激辐射之间的关系那么到底原子吸收外来的光子后，是表现为受激吸收呢还是受激辐射呢？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可 以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因 此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使

5、受激辐射产生的光子 多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的原子 是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸 收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通 常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规律。因此，位于高能级 的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的 体系中去寻找。7、粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当

6、处在高能级的原 子数目比处在低能级的还多时，受激辐射才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光 源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种 情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。那么如何才能达到粒子数反 转状态呢？这需要利用激活媒质。所谓激活媒质（也称为放大媒质或放大介质），就是可以使 某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系 统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。8、波尔兹曼分布规律

7、在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2,远比处于低能级的原子数密度 低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N- exp（-E/kT），这就是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为：N2/N1exp-（E2-E1）/kT式中k为波耳兹曼 常量，T为绝对温度。因为E2E1，所以N2N1。例如，已知氢原子基态能量为E1 = 13.6eV， 第一激发态能量为 E2=-3.4eV，在 20C时，kT0.025eV，则 N2/N1exp （400）0 可见，在20C时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子 到

8、达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种 光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。激光产生过程二、激光产生过程以红宝石激光器为例，原子首先吸收外部注入的能量，跃迁至受激态（E3）。原子处于受激 态的时间非常短，大约为10 7秒后，它便会落到一个称为亚稳态（E2）的中间状态。原 子在亚稳态的时间很长，大约是103秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，导致在 亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状态称就是粒子数反转。其产生的结果就 导致使通过受激辐射由亚稳回到基态（E1）的原子，比通过受激吸收由基态跃迁至亚稳态 的原子为多，从

9、而保证介质内的光子可以增多，从而形成激光。这就是典型的激光三能级系 统。当粒子受外界能量激励从E1到E3，由于E3能级寿命短，很快转移到E2上，因能级E2为 亚稳态，在E2、E1间实现粒子数反转分布。由于下能级E1为基态，通常总是积聚着大量 的粒子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以上的基态粒子激发到E2上，所以，外界激 励就需要有相当强的能力。而我们所用的YAG激光系统属于四能级系统。如所示，能级E1为基态，E2、E3、E4为激 发态。在外界激励的条件下，基态E1上的粒子大量被激发到E4上，又迅速转移到E3上， E3能级为亚稳态，寿命较长。而E2能级寿命很短，E2上的粒子又很快跃迁到基态E1

10、，所 以，四能级系统中，粒子数反转是在E3与E2间实现。也就是说，能实现粒子数反转的激光下能级是E2,不像三能级系统那样，为基态E1。因为 E2不是基态，所以在室温下，E2能级上的粒子数非常少。因而粒子数反转在四能级系统比 三能级系统容易实现。常见激光器中，除掺钕钇铝石榴石（简Nd3+:YAG ）激光器外，氦氖 激光器和二氧化碳激光器也都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论的三能级系统和四 能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某种物质只具有三个能级或 四个能级。三、激光器的结构激光三要素:工作介质、激励源1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、

11、固体或半导体。关键是能在这种 介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。显然，亚稳态能级的存在，对实现粒 子数反转是非常有利的。2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒 子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励； 也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被 形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级 的粒子数比下能级多。3、谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无 法实际应用。还

12、需要将辐射的光进行放大，于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓 光学谐振腔，实际是在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片， 一块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去， 部分反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能 量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的，经过放大了的 激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。因此， 光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达 到一定的限度，从部分反射镜片中输出。激光

13、器的种类：对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体 激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器 和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小 分类。1、固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作 介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻 璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的 近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达10

14、9W。2、气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间 较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60% 左右。其中，氦一氖激光器是最常用的一种。3、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm 的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种 激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。 在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。4、液体激光器常用的是染料激光器

15、，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙 醇、丙酮、水等)中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光(在 可见光范围)。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激 光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。四、各类激光详解按激光光的收激物质分类，主要的分类方式来分：1、绝缘固体激光(Solid state laser)2、液体激光3、气体激光(Gaseous laser)4、化学激光(Chemical laser)5、半导体激光(Semiconductor laser)6、色中心(。-。激

16、光7、自由电子(Free electron)激光8、倍频(Frequency double)激 光1、绝缘固体激光(Solid state laser)这种激光的激光介质是掺有杂质的绝缘质固体，包括晶体激光、玻璃激光与光纤激光。晶体、 玻璃与光纤是寄主材料(host material)，其中取代某些寄主离子的杂质(Impurity)离子是激 光的主动介质。例如红宝石的寄主是三氧化二铝晶体(Sapphire；常译为蓝宝石)，主 动介质是铬【铬读作各】离子3+)。下文中，将用Cr3+： Al2O3这样的记号表示主 动介质与寄主，以及铬一氧化铝激光形式的记号表示激光名称。一种主动介质，可以掺入于几种

17、晶体、玻璃与光纤中。由于各寄主中的电子分布及对称性有 差别，所以同一种离子在其中的能阶结构及能阶差有差异，产生的激光光波长可能相近，但 不会完全相同。例如，钕【钕读作女】离子(Nd3+)的激光都有接近1m但不相等的波 长。以不同材料为寄主的其他差异，在于增益、散热性、可用之晶体长度等。这些因素会影 响激光能达到的功率，因而影响商品规格及价格。a、红宝石(Ruby lase r)激光红宝石激光可产生694.3 nm及692.8 nm的激光光，但后者的增益较低，一般都取其694.3 nm 的输出。b、钕离子(Nd3+)的激光钕离子的激光中，钕-雅克(Nd-YAG激光是知名度最高的。雅克是YAG的音

18、译，它代表钇 铝石榴石(Yttrium aluminum garnet； Y3Al5O12)。主动介质是YAG晶体中，取代约1%钇离 子(Y3+)的钕离子。(钕离子的相关激光之波长)c、钛-蓝宝石(Titanium-sapphire)激光及其他可变频固体激光钛-蓝宝石激光的主动介质，是掺入Al2O3晶体中的Ti3+离子，它取代铝离子。它有两个特 点：(1)输出激光光频率可在660至1,180 nm之间调变；(2)它可以产生短于100 fs的超短脉 波。(可调波长的固体激光)d、其他固体激光其他固体激光2、液体激光液体激光是以溶于溶剂的染料作为主动介质，通常称为染料激光(Dye laser)。染

19、料分子具有 含多个苯环的复杂结构。它们的能阶中，对应于每个电子能阶，有许多间隔细密的振动能阶， 成带状分布，所以一个范围内的频率，都能发生跃迁，而产生激光光。另一方面，染料的能阶结构也使它能吸收频率范围相当广的激发光，这些频率大多在紫外线 和可见光波段。用不同的激发波长照射一种染料，产生的激光光波长也会不同。(蔷薇红6G 激光光波长数据)一部可调变激光光波长的装置，可以产生多种需要的激光光，所以用途相当广。但是固体激 光在体积、耗电量、电压需求、冷却需求、安全性、稳定性方面的优点，比染料激光高出许 多。这些优点使固体激光在小型化及可移植性(Portability)方面占尽优势。由于固体可变频激

20、 光的适用波长范围仍多属红外线区，虽然可以藉放大器及非线性变频装置，产生波长较短的 高质量光束，有许多波长范围仍未可及，所以染料激光在目前仍有存在及利用的空间。3、气体激光(Gaseous laser)以气体为主动介质的激光中，包括中性原子激光、离子气体激光、金属蒸汽激光、分子气体 激光、准分子激光。分别介绍如下：、稀有气体元素的中性原子激光与离子气体激光a、中性原子激光中性原子激光与离子气体激光的差别，在于前者的激光光来自中性原子能阶(如图二所示氦 原子与氖原子能阶)之间的跃迁，后者是离子的能阶(如Ar+,Kr+)间之跃迁。因此，氩激光 (Argon laser)与氩离子激光(Argon i

21、on laser)并不相同，前者的激光光波长属于红外线波段， 后者则在可见光和紫外线区。但是，一方面氩激光很少见，另一方面为了便于称呼，人们常 将氩离子激光简称为氩激光。不但中文叙述如此，英文文献亦见此用法，所以在不致混淆的 时候，仍可用氩激光称呼氩离子激光。中性原子激光中，最常见的是氦氖激光。它的红光尤其为大家所熟悉。它的光色显著，所以 常用作非可见光激光中的指引光束(Guiding beam)。其优越的同调性及方便的操作条件(只须 气冷、110V的电压、价格相对地低廉)，使它广用于扫描读码装置及全像等。b、离子激光稀有气体离子激光中，以氩离子激光及氟离子激光为最常见。除了直接利用之外，氩离

22、子激 光常以其紫外线及蓝绿光激发染料激光20W机型可产生275.4至1090.0 nm的一些激光光。 主要的可见光波长分别是 514.5、501.7、496.5、488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。蓝绿光波段中，最强而最常用的是514.5及488 nm。氟离子激光可产生337.4至799.3 nm，最强的是647.1 nm，其次为413.1及530.9 nm。商品 中，有将氩气与氟气混合的机型。、金属蒸汽的中性原子激光与离子激光a、中性原子激光Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金属的蒸汽，都是中性原子激光的主动介质。它们的蒸汽中，常混入 低压力的惰性

23、气体，以提高放电效率。铜蒸汽激光商品可产生100W以上的绿光(511 nm)及 黄光(578 nm)，金蒸汽激光则可得数十瓦的红光(628 nm)。这两种激光有很多用途，例如血紫质衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光谱的峰值约为 628 nm，而癌细胞能吸收此物质。此物质受到628 nm的激光光照射后会分解，产生可杀死 癌细胞的物质。不过，铜蒸汽激光激发染料激光，也可得到这种光，而不必依靠金蒸汽激光。 此外，578 nm的激光可以除去某些胎记，效果优于用氩离子激光。b、离子激光金属蒸汽离子激光中，氦镉(He-Cd )激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦锌(He-Z

24、n)等激光为此 家族中之成员。氦镉激光的325 nm紫外线，和441.6 nm蓝光，是最常见的输出。加上特殊 设计时，它可同时产生红光(635.6及636.0 nm)和绿光(533.7及537.8 nm)。它的短波长成分， 在信息处理方面很有用。适当调配各波长的输出，几乎可以产生所有可见光的颜色，因而它 的白光激光产品也是有名的。储存密度及鉴别能力的提高，使它在量度、检验、记录、印刷 等方面有许多应用。、分子气体二氧化碳激光和氮气激光是最常见的分子气体激光，其主要激光光分属红外线(10,640 nm) 及紫外线(337 nm)。生物组织中的水分会吸收它的10,640 nm激光光，所以能用于手术

25、，所 需激光光功率约为50W。此外，非金属材料的加工、金属表面的热处理、光谱学及光化学 研究、环境遥测、测距、激发其他激光、产生离子体(俗称电浆；Plasma)等，也都可用二氧 化碳激光来进行。氮气激光的紫外线激光光，适合激发染料激光，及使多种物质产生荧光，而可用于检验及研 究工作。其缺点在于效率及功率均低，每个脉波的能量大约只有10mJ，平均功率约为数百 mW。(4)、准分子(Excimer)激光准分子一词的原意，是两个同种原子组成，而只存在于受激态的分子，如稀有气体分子 He2、Ar2、Xe2等；其英文原名为Excited Dimer组合成的术语。现在已经将它的适用范围 放宽，以包括不存在

26、于基态，只以受激态呈现的任何双原子分子(有时还包括三原子分子)。 重要的准分子激光，以稀有气体的卤化物为主动介质，如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因 为受激态常以星号(*)上标表示，所以有些数据上写成ArF*等。准分子不会自然出现，而是在气体混合物中放电时形成的。此外，用电子束撞击，或在导波 管型装置中以微波激发，也都可以造成准分子。它的激光光来自准分子解离成原子的电子跃 迁，所以其激光光属紫外线，应用于精细蚀刻(如电路制程)、化学蒸着(Chemical vapor deposition).化学反应研究及医疗上的用途较多。这些应用中，有的是以准分子激光激发可 变频激光之

27、后进行的。商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等准分子居多，激光光频率分别是193、249、308、350 nm。4、化学激光(Chemical laser)由化学反应造成居量反转的激光，称为化学激光。在化学、军事、材料研究与生物医学方面，都有化学激光发挥所长之处。例如氟化氢激光的 光束可能是骨科手术所需要的。氟化氢激光中的反应可表示为2F2 + H2 -2HF* + F2,其实 它的细部反应是链式反应：F + H2 fHF* + H，F2 + H - HF* + F，而且可用放电使反应 启动。另外的例子是C2N2 + O2 f2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, H

28、Br等亦有类似作用。化学激光的波长5、半导体激光(Semiconductor laser)半导体激光是用半导体制成的，其构造及电性质为二极管(Diode)，也就是具有两个外接电 路端点，分别位于其中的p型与n型部分，其间有个接面(Junction)。因此，半导体激光又 名半导体二极管激光(Semiconductor diode laser)或二极管激光(Diode laser) 0电流较低时，它成为发光二极管(Light emitting diode； LED)，发出自发射的光；电流够大的 时候，才能造成自由电子的居量反转。另一方面，制程中适当的步骤使二极管两端具有相当 高的反射率，就具备激光

29、所需要的条件。半导体激光技术的研发，使半导体激光成为效率很高的激光，但散热仍是重要问题。此外， 端射型及面射型激光数组的研发，使系统产生的光束在能量及控制方面提升许多。随着半导 体种类的扩增，半导体激光能产生的波长，也不断增加。下表列出几种室温下操作的半导体 激光的波长数据。半导体激光的例子：半导体激光的介质体积小(典型尺寸约为10M m X300M m X500p m)、效率高、功率高、 操作电流及电压低，消耗能量少，所以为人们所乐于使用。用许多个半导体激光激发其他的 固体激光，是一种很有价值的应用。6、色中心(。-。激光碱金属的卤化物晶体中有某些杂质时，受到适当辐射照射后会显现颜色。卤化物

30、的例子有 KCl、RbCl、LiF、KF等，杂质则有Li、Na等。这些杂质称为色中心。7、自由电子(Free electron)激光自由电子激光(FEL)以极高真空中的高速自由电子为主动介质。其波长可以调变，由微波到 软X射线都可能。因此是一部装置可执行多种功能。现在的研究方向之一，是开发桌上型 的机种，以便扩大应用场合，并降低价格。8、倍频(Frequency double)激 光倍频激光实际上是加上倍频晶体的激光，但是有些数据上用造成倍频效应的晶体称呼它们， 例如 KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及 KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因 此，本文列出这一项，以引起读者注意KDP及KTP并非激光的主动介质，并略为介绍此类 晶体。倍频是非线性光学晶体(Nonlinear optical crystal)的功能之一。选用晶体时，产生倍频 波的适用波段及转换效率(Conversion efficiency)是重要指标。其他要注意的项目包括是否会 潮解、会造成损坏的光强度、晶体切割方向及镀膜状况等。KDP是磷酸二氢钾(KH2PO4)，为最早使用的倍频晶体，某些条件下的转换效率很高，但是 会潮解，须注意防范。KTP是磷酸钾钛氧(KTiOPO4)，