激光原理和技术需要至页

12主要内容激光开展历史、开展现状和应用激光原理典型激光器及激光器的分类黎明前的黑暗-1900年，普朗克〔Planck〕提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖；-1905年，爱因斯坦〔Einstein)提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；"inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta""forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect"激光开展史1913年，玻尔(Bohr)借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构根底上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的根底；1928年，德国光谱学家拉登堡〔Landenburg〕证实了受激辐射和“负吸收〞的存在；"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"激光开展史1947年，兰姆〔Lamb〕和卢瑟福〔Reherford〕在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；1950年，卡斯特勒〔Kastler〕提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。"forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum""forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms"激光开展史1951年,汤斯〔Townes〕提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。"forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple"激光开展史突破1958年肖洛〔Schawlow〕和Townes在Phy.Rev.上发表论文“InfraredandOpticalMaser〞，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。1960年5月，休斯实验室的梅曼〔Maiman〕研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。激光开展史1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；1960年12月，Bell实验室的贾万〔Javan〕，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；1962年，GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd：YAG固体激光器；1965年，HCl化学激光器；1966年，生物染料激光器；从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？激光开展史1961年夏，在王之江主持下，中国第一台激光器

红宝石激光器在长春光学精密机械研究所诞生，这是王大珩和他领导的长春光机所创造的一项辉煌成果。这台激光器的研制成功，使我国成为继美国之后第二个拥有激光器的国家，引起了国内外震惊。王之江院士中国的激光器中國各類激光器的“第一台〞名

稱研制成功時間

研

制

人

红宝石激光器1961年9月王之江等He-Ne激光器1963年7月

鄧錫銘等

摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質結半導體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等激光开展现状更小各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向开展；激光开展现状更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。激光开展现状更快更高的调制频率：GHz；更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多样化多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体〔Nd：YAG〕、气体〔He-Ne、CO2〕、液体、染料、半导体、自由电子等；激光开展现状工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；外表处理；芯片刻蚀等。激光应用激光应用确定地月距离登月是20世纪最大的骗局？阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。激光应用军事激光测距直接摧毁激光制导激光应用其他条码扫描照明、成像通讯娱乐激光应用经典理论〔ClassicalLaserTheory〕电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子半经典理论〔SemiclassicalLaserTheory〕电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述量子理论〔QuantumLaserTheory〕电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理速率方程理论〔RateEquationTheory〕量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性激光理论体系211.光与物质作用的经典理论---经典原子发光模型光波场〔光〕电磁波麦克斯韦方程组工作物质发光原子原子中电子运动电偶极振子光与物质〔原子〕相互作用电磁场与电偶极子相互作用原子自发辐射过程电偶极子做阻尼简谐振动原子受激辐射、受激吸收过程电偶极子做受迫简谐振动用于解释：光子的吸收、色散及自发辐射、线型函数等222.半经典理论辐射场----经典麦克斯韦方程组工作物质〔原子〕----量子力学的薛定谔方程自洽：极化强度产生的场等于产生极化强度的场E′(r,t)=E(r,t)半经典理论的根本思想分析激光运转的强度特性和频率特性。不能确切描述量子特性，数学处理繁琐233.量子理论----激光器的严格理论根本思想：场、工作物质〔原子〕均是量子体系场和物质相互作用服从量子电动力学规律可严格确定激光器的相干性、噪声、线宽极限等量子性质4.速率方程理论〔简化的量子理论〕根本思想：以光和物质相互作用的三个过程为出发点，以这三个过程之间的细致平衡导致一组能级粒子数、光子数的“速率方程〞来支配辐射场与物质之间的相互作用激光器的严格理论是建立在量子电动力学根底上的量子理论，在原那么上可以描述激光器的全部特性；不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择适宜的近似理论；激光理论体系25

1.光子的根本特性

光是一种以光速c运动的光子流，光子和其它根本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性〔能量、动量、质量等〕和波动属性〔频率、波矢、偏振等〕之间的关系满足：激光产生的物理根底26(4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；(5)、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。〔电子的自旋量子数，是费米子。〕272.光子的相干性和光子简并度28(1)自发辐射

光子能量：自发跃迁概率：单位时间、单位体积内，上粒子的减少为：处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子〔自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的无关〕。3光辐射的量子理论根底1)三种跃迁

29受激吸收概率：为爱因斯坦吸收系数,只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度

为E1能级上的原子数密度,〔2〕受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态。于是有：为自发辐射寿命。30(3)受激辐射受激辐射的概率：称为爱因斯坦受激发射系数。处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。312)爱因斯坦关系设一个原子系统有特定两个能级,其简并度为〔同一量子态占据的光子数目〕,在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为,那么原子系统从辐射场中吸收能量后,单位时间内从跃迁到能级的原子数为：单位时间内，的原子数为：由于系统处于热平衡状态，那么应有：即：32所以有：热平衡状态下，按波尔兹曼分布：即：33热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：比较两式有：上述两式即著名的爱因斯坦关系式。假设两能级的简并度相同，那么有：34结论：三个爱因斯坦系数是相互关联的。对一定的原子体系而言，自发跃迁系数A21

与受激辐射系数B21

之比正比于的三次方，因而两能级相差越大，就越高，A，B的比值就越大，也就是越高，自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。354受激辐射的相干性自发辐射是原子在不受外界辐射场的控制下的自发过程。因此大量原子的自发辐射场的相位是无规那么分布的，也就是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规那么分布的。自发辐射的能量是平均地分配到腔内所有模式上。受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而原子的受激辐射相位不在是无规那么的，而是具有和辐射场相同的相位。在量子点动力学的根底上可以证明：受激辐射光子与入射光子属于同一光子态；或者说，受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢和偏振，因而，受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。因此是相干的。激光〔强相干光〕产生的根本原理和方法由受激辐射和自发辐射相干性的讨论可知，相干辐射的光子简并度很大。我们分析下黑体辐射源的光子简并度。根据式〔1-48〕〔1-57〕在室温T=300K的情况下，按照式〔1-57〕：对于λ=30cm的微波辐射，；对于λ=60m的远红外辐射，；对于λ=0.6m的可见光辐射,。可见，普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。

1.光学谐振腔及其选模作用如果端面腔壁对光的反射系数很高，那么沿垂直端面的腔轴方向传播的光在腔内屡次反射不逸出腔外，而所有其他方向的光很容易逸出腔外。这相当于腔内能够存在的光场模式只有少数几个，到达了光波模式的选择作用。这实际上就是光学中熟知的法布里-珀罗干预仪，在激光原理中称为光学谐振腔。2.光放大物质的增益系数与增益曲线下面讨论在有大量原子〔或分子〕组成的物质中实现受激辐射放大条件。由式〔1-51〕可知，因，所以，即在热平衡状态下，高能级粒子集居数恒小于低能级集居数，当频率的光通过物质时，受激吸收光子数恒大于受激辐射光子数。因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。在一定条件下物质的光吸收可以转化为光放大。这个条件就是，称为粒子数反转。光放大作用通常用〔增益〕系数G来描述。设在光传播方向上z处的光强为I(z)，那么增益系数定义为(1-59)显然，dI(z)正比于单位体积内激活物质的净受激辐射光子数(1-60)假设，那么

(1-61)所以(1-62)如果〔〕不随z变化，那么增益系数为一常数，式〔1-59〕为线性微分方程。积分式〔1-59〕，得(1-63)式中，为z=0处的初始光强。这就是线性增益或小信号增益情况，如图1-8所示。增益饱和效应与此相应，可将单位体积内粒子反转数差值表示为光强的函数，即(1-64)式中，为由激活物质的性质决定的饱和光强，为光强为零时单位体积内的初始粒子反转数差值。应用式〔1-64〕，我们可将〔1-62〕改写为〔1-65〕或〔1-66〕式中=G〔I=0〕为小信号增益系数。如果在光放大器中光强始终满足条件I<<，那么增益系数G〔I〕=为常数，且不随z变化，这就是式〔1-63〕表示的小信号情况。在条件I<<不满足时，式〔1-66〕表示的G(I)称为大〔饱和〕信号增益系数。增益系数也是光波频率的函数，一般应表示为.这是由于能级和各种原因总有一定的宽度，所以在中心频率附近一个小范围内受激跃迁发生。对于均匀加宽物质，当频率为，光强为的准单色光入射时，其小信号增益系数和饱和增益系数分别为

〔1-67〕

〔1-68〕式中，为中心频率处的小信号的增益系数；为增益曲线的宽度。对于非均匀加宽物质，当频率为时，光强为的准单色光入射时，其小信号增益系数和饱和增益系数分别为〔1-69〕〔1-70〕式中，为中心频率处的小信号的增益系数；为增益曲线的宽度。两种加宽机制的增益系数曲线型分别如图1-9〔a〕、〔b〕所示。3.光的自激振荡通常所说的激光器都指光自激振荡器。在光放大的同时，通常还存在着光的损耗，我们可以引入光损耗系数来描述。定义为光通过单位距离后光强衰减的百分数，即〔1-71〕同时考虑增益和损耗，那么有〔1-72〕假设有极其微弱的光〔光强〕进入一无限长的放大器。开始光强I〔z〕将按小信号放大规律增长，但随光强的增加，G(I)将由于饱和效应而按式〔1-66〕减小，因而光强的增长将逐渐变缓。

当G(I)=时，光强不再增加并到达一稳定的极值〔见图1-10〕。根据条件G(I)=，可求得为〔1-73〕可见，只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关一个激光器能产生自激振荡模的条件，即任意小的初始光强都能形成确定大小的腔内光强的条件，可由式〔1-73〕求得

即〔1-74〕

这就是激光器的振荡条件。式中，为小信号增益系数；为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。当时，称为阈值振荡情况，这是腔内光强维持在初始光强的极其微弱水平上。当时，腔内光强就增加，并且正比于。可见增益和损耗是激光器是否振荡的决定因素。振荡条件式〔1-74〕也可以表示为另一种形式。设工作物质长度为，光腔长度为L，令为光腔的单程损耗，振荡条件可改写为：式中，称为单程小信号增益。48激光的产生492、激光激光英文单词为：Laser,它是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。503、受激辐射和光的放大

受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,那么这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率〔能量〕相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大。这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。51必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡〔形成稳定激光〕4、激光产生的条件525、粒子数反转

536、工作物质、亚稳态前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光的产生必须选择适宜的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。547、形成粒子数反转的结构-----原子能级系统二能级系统考虑一个二能级〔〕系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为：由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt时间后有：单位体积因吸收减少：单位体积因发射增加：能量总的变化为：55由爱因斯坦关系得：由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类：〔1〕粒子数正常分布，满足：当物质处于热平衡时有：56由于于是粒子数分布总有工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即粒子数正常分布。

正常分布57〔2〕粒子数反转，满足：光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。

反转分布58

二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子反转。如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的鼓励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如果能级统计权重相等，因而W12=W21=W。E2能级上粒子数n2的速率方程为dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,当到达稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21)，可见，不管鼓励手段如何强，〔A21+W〕总是大于W，所以n2＜n1。这说明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。59激光物质是三能级或四能级结构如果鼓励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，那么利用泵浦抽运使W＞W23或W＞W12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。三能级系统n2n1n3E1E2E360在外界鼓励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。n1四能级系统E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）618、泵浦源必须用外界能量来鼓励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：光鼓励方式、气体辉光放电或高频放电方式、直接注入电子方式、化学反响方式、热鼓励、冲击波、电子束、核能等方式。629、谐振腔

谐振腔的作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。光学谐振腔结构63谐振腔的作用(1)使激光具有极好的方向性(沿轴线)(2)增强光放大作用(延长了工作物质)(3)使激光具有极好的单色性(选频)64激光的特点激光与其他光源相比具有的特点方向性好单色性好相干性好高亮度651.5常见激光器的种类和典型激光器自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器的开展非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。鼓励方式有激光鼓励，热鼓励，化学鼓励和核鼓励等多种方式。固体激光器〔红宝石激光器〕气体激光器〔氦—氖激光器〕半导体二极管激光器染料激光器〔用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂〕661.5.1固体激光器固体激光器是指以绝缘晶体或玻璃为工作物质的激光器。少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵鼓励后产生受激辐射作用。光泵鼓励固体激光器普遍采用光鼓励方式把基态的粒子抽运到激发态，以形成集居数反转。光泵鼓励分为气体放电灯鼓励和半导体激光器两种方式。67以气体放电灯为鼓励光源是第一台激光器问世以来广泛采用的一种鼓励方式。脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯。气体放电灯鼓励的能量转换环节多，其辐射光谱很宽，只有一局部能量分布在激光工作物质的有效吸收带内，因此，激光器的效率很低，最常见的Nd:YAG激光器的效率在1%-3%之间。68半导体激光器鼓励的固体激光器的总效率可做到7%-20%，远远高于放电灯鼓励的固体激光器。此外，它还有小型化、全固态、长寿命等特点。半导体激光器泵浦可采用端面泵浦与侧面泵浦两种形式。端面泵浦固体激光器阈值功率低，效率高。由于列阵的发光面积大，采用侧面泵浦方式更为有利。全固态激光器692.红宝石激光器红宝石是掺有少量Cr2O3的Al2O3晶体。4A24F24A24F1360nm-450nm510nm-600nm4A22E692.9nm〔R1〕694.3nm〔R2〕70

红宝石激光器属三能级系统，有较高的泵浦能量阈值，所以通常只能以脉冲方式运转。但由于是三能级运转，阈值泵浦能量高，应用远不如钕激光器广泛。又由于其输出的是可见光，在动态全息、医学等方面仍有应用价值。713.钕激光器钕激光器是使用最广泛的激光器。以Nd3+局部取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的激光工作物质称为掺钕钇铝石榴石〔简称Nd:YAG〕。4I9/24F5/22H9/2810nm4I9/24F7/24S3/2750nm4F5/22H9/24F3/24F3/24F7/24S3/24F3/24I11/21064nm4F3/24I9/2950nm4F3/24I13/21319nm72

4F3/2向4I13/2跃迁属于四能级系统，跃迁几率小，只是在设法抑制1064nm激光的情况下，才能产生1319nm的激光。

4F3/2向4I9/2跃迁属三能级系统，在室温下难以产生激光。

Nd:YAG激光器属四能级系统，其泵浦能量阈值比红宝石激光器低得多，而且钇铝石榴石晶体还具有高的热传导率，易于散热，因此Nd:YAG激光器不仅可以单次脉冲运转，还可以用于高重复率或连续运转。73

另一类钕激光是钕玻璃激光器，钕玻璃是在硅酸盐或磷酸盐玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。可用于大能量激光器。钕玻璃的热传导率低，振荡阈值较Nd:YAG高，因此不宜用于连续和高重复率运转。744.钛宝石激光器它是一种连续可调固体激光器，其特点是在很宽的波长范围〔660nm-1180nm〕内连续可调。钛宝石激光器已取代了染料激光器。钛宝石中，少量Ti3+离子〔1.2%〕取代了Al2O3中的Al3+离子，自由的Ti3+离子有一个五重简并的最低电子能级2D。在晶体中，由于晶格场的作用，2D能级分裂为2T2g〔基态〕和2Eg〔激发态〕两个电子能级，激光跃迁正是发生在这两个能级之间。钛宝石激光器具有四能级系统。钛宝石激光器大多采用激光泵浦。可用做泵浦源的激光器有氩离子激光器、铜蒸汽激光器、倍频的Nd:YAG或Nd:YLF激光器。激光器的调谐可通过谐振腔中的波长选择元件实现。7576R为Ti3+离子和配位体离子的距离，二者的相对振动产生一系列振动能级，图中用横线表示。由于振动能级的能量间隔很小，因此大量的振动能级构成了准连续的能带。带间的电子振动跃迁形成了波长范围400nm-600nm的宽吸收带，峰值吸收波长约为490nm。在光泵作用下可产生660nm-1180nm的宽荧光谱带，其峰值波长在790nm附近。处于基态2T2g的Ti3+吸收泵浦光的能量并跃迁到2Eg能级的较高振动态，然后经无辐射跃迁降落到较低振动态。于是2Eg能级的低振动态和2T2g能级的一系列振动态之间形成了集居数反转。激光波长取决于2T2g哪一个振动能级为终端能级。终端能级Ti3+离子通过快速声子弛豫过程返回低振动态。771.5.2气体激光器气体激光器是以气体或金属蒸汽作为工作物质的激光器。气体激光器光束的方向性好、单色性好。但气体的激活粒子密度远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的输出功率，因此气体激光器的体积一般比较庞大。通常采用气体放电泵浦方式。除气体放电泵浦外，气体激光器可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等方式。781.He-Ne激光器He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。在可见光及红外波段可产生多条谱线，其中最强的是632.8nm、1.15um、3.39um。放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长1m-2m的激光器其输出功率可达几十毫瓦。由于其可输出连续可见光，而且结构简单、体积较小、价格低廉等优点，在准直、定位、全息照相、测量、精密计量、光盘录放等方面得到了广泛应用。79

阴极和阳极间通过充有氦氖混合气体的毛细管放电使氖原子的某一对或几对能级间形成集居数反转。虽然混合气体中氦的含量数倍于氖，但激光跃迁只发生在氖原子的能级间，氦作为辅助气体用来提高泵浦效率。80以632.8nm激光为例说明其鼓励机制：在一定条件下，阴极发射的电子向阳极运动并被电场加速，快速电子与基态的He原子发生非弹性碰撞时，将He原子激发到激发态21S0而自身减速。21S0是亚稳态，可积累大量He原子。当激发态He原子〔表示为He*〕和基态Ne原子发生非弹性碰撞时，将Ne原子激发到3S2能级，这一过程称为共振能量转移，可表示为He*〔21S0〕+Ne〔11S0〕Ne*〔3S2〕+He〔11S0)+ΔE〔-386〕cm-18182由于He原子的21S0和Ne原子的3S2能级十分接近，因而产生很大的共振能量转移截面。而激光跃迁的下能级2P4上的Ne原子仅来源于电子碰撞激发和高能级的串级激发，其寿命又比上能级3S2的寿命小一个量级，所以在Ne原子的3S2和2P4能级间很容易建立集居数反转状态并实现连续激光运转。He-Ne激光器有三条最强的激光谱线(632.8nm，1.15um，3.39um〕，哪一条谱线起振取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。83

由于632.8nm和3.39um两条谱线具有相同的上能级，因此这两条谱线之间存在竞争。由于增益系数正比于波长的三次方，在较长的632.8nmHe-Ne激光器中，虽然介质膜反射镜对632.8nm波长的光具有较高的反射率，仍然会产生较强的3.39um波长的放大的自发辐射和激光，这将使上能级集居数减少而导致632.8nm激光功率下降。为了获得较强的632.8nm激光输出，可采用以下方法抑制辐射的产生：借助腔内棱镜色散使3.39um激光不能起振在腔内插入对3.39um波长的光吸收元件；借助轴向非均匀磁场使3.39um谱线线宽增加，从而使其增益下降。84影响He-Ne激光器输出功率的因素除工作物质尺寸、谐振腔损耗和输出耦合外，还有气体放电电流参数、充气气压、He气与Ne气两种气体的比例及毛细管的管径等。He-Ne激光器输出功率并不随放电电流的增加单调上升，其间存在一使输出功率最大的最正确放电电流。He-Ne激光器输出功率与充气压强p和管径d有关，存在一个使输出功率最大的最正确pd值。He气与Ne气两种气体的比例也会影响输出功率。产生激光的Ne原子比例过小会使输出功率减小，但是由于Ne的电离电位较低，其比例过大会因电离过多而使电子、离子数目增加，在较小的电场下就能维持一定的放电电流，低电场导致电子温度下降使激发速率降低，从而输出功率随之降低。852.Ar+激光器中性Ar原子的电子组态3P6，放电过程中，Ar与快速电子碰撞后电离，形成基态氩离子，其电子组态为3P5。激光跃迁发生在Ar+的电子组态3P44P和3P44S之间。由于3P44P和3P44S电子组态均对应假设干个能级，所以连续工作的Ar+激光器可产生9条蓝绿光谱线，其中最强的是488nm和514.5nm。在腔内插入棱镜等色散元件，可获得单谱线激光。8687激光跃迁上能级〔4P〕粒子的积居主要通过三种途径实现：基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到4P能级；基态Ar+与电子碰撞后跃迁到高于4P的其他能级，再通过级联辐射跃迁至4P能级；基态Ar+与电子碰撞后跃迁到低于4P的亚稳态后再次与电子碰撞并跃迁至4P能级。88由于Ar原子的电离能量〔约15eV〕和激光跃迁上能级的激发能量〔约20eV〕较高，正常运转所要求的平均电子动能〔温度〕很高。而且Ar+激光器必须采用大电流弧光放电激发。为了提高放电电流密度，放电应集中在毛细管中心1mm-2mm范围内。为此沿放电毛细管加一轴向磁场，磁场的洛仑兹力可约束电子和离子向管壁扩散。但在使电子集中在管中心的同时也大大降低了轴向电场强度，从而导致电子温度和电离度降低，因此存在一个使输出功率最大的最正确磁场强度值。893.CO2激光器CO2激光器的主要特点是输出功率大、能量转换效率高、输出波长〔10.6μm〕正好处于大气窗口。因此，广泛应用于激光加工、医疗、大气通信及军事领域。CO2激光器以CO2、N2和He的混合气体作为工作物质。激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的鼓励效率，He那么有助于激光下能级的抽空。分子的总能量包括以下四局部：①电子绕核运动的能量；②分子中原子的振动能量；③分子的转动能量；④分子的平动动能。其中前三种运动的能量是量子化的。90N2分子只有一种振动方式，图中所示为振动量子数υ等于0和1的振动能级。CO2分子的三个原子以对称振动、弯曲振动和反对称振动三种方式相对振动，以υ1、υ2和υ3分别表示振动量子数，其取值为零或正整数。910001向1000跃迁产生10.6um波长的激光，0001向0200跃迁产生9.6um波长的激光。由于以上跃迁具有同一上能级，而且0001向1000跃迁的几率大得多，所以CO2激光器通常只输出10.6um激光。假设要得到9.6um波长的激光振荡，那么必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10.6um的激光振荡。在CO2激光器中，通过以下三个过程将CO2分子激发到0001能级：直接碰撞级联跃迁共振转移：几率最大，作用也最显著。92CO2分子激光下能级的抽空