经典光学硬件详解｜各种光学激光器原理

2）红宝石激光器

工作物质：红宝石晶体。

输出波长：λ=694.3nm。

输出线宽：Δλ=0.01~0.1nm。

工作方式：连续、脉冲。

发散角 ： θ≈10^-3rad，一般为多模输出；

泵浦功率>阈值10~20%→单模。

3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）

工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕。

输出波长：λ= 1064nm、914nm、1319nm。

工作方式：连续、高重复率脉冲。

因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦源的器件体积更小。

4）连续波可调谐钛蓝宝石激光器

输出波长从675nm到1100nm，由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦，TEM00输出功率可达3.5W。

二、气体激光器

工作物质：各种混合气体，光学均匀性好。气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半导体、液体激光器优越。

谱线已达数千种(160nm~4mm)。

工作方式：连续运转（大多数）。

多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。

原因：通常气体气压低，单位体积内粒子数少。

1）氦-氖激光器

工作物质：氦氖混合气体。

激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件，提高激光器输出功率的作用。

输出波长：常用的为λ=632.8nm。

根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、红光、黄光、绿光（波长λ=3.39μm ；λ=1.15μm）。

2）CO2 激光器

工作物质：CO2、He、N2、Xe的混合气体，激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命，输出波长：λ=10.6μm，CO2激光器是输出功率最高的气体激光器，有连续输出50kW；脉冲输出10^12W的激光器。

3）氩离子气体激光器

输出波长：λ=488nm； λ=514.5 nm ；

在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦~几百瓦。

4）氦-镉激光器

以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电路芯片检验及激光诱导荧光实验等。

5）铜蒸气激光器

一般通过电子碰撞激励，两条主要的工作谱线是波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光，典型脉冲宽度10～50nS，重复频率可达100KHz。当前水平一个脉冲的能量为1mJ左右。这就是说，平均功率可达100W，而峰值功率则高达100KW。

6）氮分子激光器

脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10nS，重复频率数十Hz~数千Hz，主要用作染料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、医学及光化学方面。常见波长：337.1nm、357.7nm

三、半导体激光器

由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的激光器。

特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有效使用时间超过10万小时。

输出波长范围：紫外、可见、红外。

输出功率：mW、W、kW。

1）DFB半导体激光器示意图

2）DBR半导体激光器示意图 。

3）垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）。

4）量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)

基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。

第一台激光器——红宝石激光器

一、发展历程

1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”(Light amplification by the stimulated emission of radiation)。爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到。

1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。

1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。

1934年，克赖克汤和威廉于振荡器发现了电磁波和分a:。的相互作用。这是最旱期的电磁波谱学实验。

30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础。

1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础。

1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备。他们开始着手进行微波波谱学山研究。当时，韦伯(Webber)、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫以及汤斯等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。这是激光理论发展的重要起点。

1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。

关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。这是哥伦比亚大学的兰姆(Larnb)和另一同事的共同成果。他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。

作为激光的物理基础—受激辐射早在1917年就为人所知。可是，从1917年到1950年30多年来，在实验上却一直没有人去证明这个过程的存在。人们以为，要想在小于一亿分之一秒的时间里进行原子受激发射的宏观观察是难于做到的。但在后来激光器制成后。实验工作并不象人们最初所设想的那样艰难。从1940年观察到离子数反转到激光器，这中间仅仅一步之差，可是这“一步”却一直走了20年。

人类对电磁波的利用和无线电技术的发展，使社会和生产急需把这种利用由无线电波段向微波波段扩展，这就导致了微波放大理论及其器件的产生。

1951年，美国的汤斯提出了利用受激辐射获得放大的原理首先获得微波放大的设想。同年，普塞耳(I'urcell)和庞德(Pound)用核磁共振所进行的一次实验，造成了粒子数反转，进一步确认了受激辐射过程，给微波放大器的产生带来了希望。其后，汤斯进行了两年半的艰苦工作，干1953年末和果尔登(Gordon)、蔡格尔(Zeiger)等人在哥伦比亚大学成功地制成了波长为1。25厘米的氨分子微波量子放大器。亦即脉塞(Microwave amplification by the stimulated emission of radiation)。后来，因为“在量子力学领域的基础工作导致建立在脉塞和激光原理上的振荡器和放大器的制造”，汤斯和莫斯科列别捷夫研究所的巴索夫和普罗霍洛夫一起得到了1964年的诺贝尔奖金。

1956年，布隆贝根(Bloembcrgen)在一种可调谐高功率宽频带量子放大器的思想指导下，提出了三能级固体量子放大器的制造方法。同年，贝尔(Dell)电话实验室的斯科维耳(Scovii),费尔(Feher)和塞德尔(sc;idel)等人研制出第一部这种三能级固体量子放大器。

1957年末，密执安人学工程研究院的马克霍夫(Makhov),菊池(Kikuchi)、兰比和特尔秀尼(Terhune)等人又用红宝石获得了微波固体量子放大。

1960年7月，在美国加利福尼亚州(California)休斯(Ilughes)飞机公司研究实验室工作的科学家梅曼首一先发明了历史上第一台激光器——红宝石(Ruby)固体脉冲激光器。他用了一块边一长约1厘术的人造红室石，把它相对的两面镀上银。当晶体放在一架闪光灯(灯光被长为X500埃)下照射时，使能级实现粒子数反转，晶体便产生了一种波长为8943埃的脉冲辐射。这是一种恰好在可见光内的深红色激光。

二、理论基础

红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Gr2O3。Cr3+密度约为，1.58×10^19/厘米^3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短（约10^-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足

hν＝E2—E1

（其中h为普朗克常数，E2、E1分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。

三、红宝石激光器的发明者——希尔多•梅曼

梅曼的发明为人类做出了重大的贡献，激光器已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。

激光器通过受激发射放大原理产生一种相干光辐射(激光)。1960年7月7日，《纽约时报》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果后来震惊了全世界。在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下，梅曼当时的雇主——洛杉矶休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)获得了胜利。

不过，梅曼在发表文章时并不顺利。他先把论文投到《物理评论快报》(PRL)，但当时的编辑SamGoudsmit认为这只是又一篇maser重复工作的文章，因此拒绝发表。后来梅曼终于将文章发表在《自然》杂志上。当然，经过多年的努力争取，梅曼的成就已经得到了广泛的承认。

梅曼1927年7月11日生于加州洛杉矶，是一个电气工程师的儿子。父亲希望他成为一位医生，但他认为对激光的研究将对医学产生更大的影响。尽管梅曼小时候是一个野性难驯的孩子，但他的数学非常好。在1949年从科罗拉多大学硕士毕业后，梅曼来到斯坦福大学攻读博士研究生，并于1955年获得博士学位，他的导师是于1955年获得诺贝尔物理学奖的拉姆(WillisE。Lamb)。

在休斯飞机公司工作时，梅曼告诉老板他希望能够制造一台激光器，但由于当时其他著名实验室都没有做出什么令人振奋的成果，休斯公司还是希望他在计算机方面进行一些“有用”的工作。但梅曼坚持要进行研究，并以辞职相威胁。最终公司给了他9个月的时间，5万美元和一位助手。

在第一台激光器获得成功后，梅曼又继续对激光器在医学治疗上的应用进行研究，尽管当时的公众认为这是一种“致死”的光线。不过，由于休斯公司并没有再对激光器的潜在应用进行更多的投入，梅曼选择了离开并于1961年创办了自己的Korad公司。

终其一生，梅曼获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他，而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学家巴索夫、普罗霍罗夫，但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还于1984年被列入“美国发明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中，汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。

对梅曼的纪念活动将在5月16日举行，因为这正是梅曼的激光器第一次开始工作的日子。

单模激光器

激光器中每个横模和纵模都在不同的頻率上振荡。在一个不加限制的激光器中，这两种模式形成的众多模式在同时振荡，腔内光阑可以迫使激光器在单横模上振荡，其原理如图1. 所示在谐振腔中放置一个合适大小的光阑，使只有TEM00模式刚好可以通过它，而腔中的高阶模将被阻止，因为通过光阑强加在高阶模上的损耗将大于激活介质提供的增益。所以激光器讲义单模形式输出。

图1. 在谐振腔内放置一个光阑可以迫使激光器仪单橫模形式振荡

而真正的窄线激光器必须同时以单横模和单纵模的形式振荡。一般来说，上面介绍的技术不足以限制激光器以单模方式工作如果在一个不另加限制的激光谐振腔中放置一个光阑，该激光器将在一个单横模内不同纵模的梳状频率上振荡，如图2. 所示。这时任意一个频率的激光输出都由激光增益、反射镜反射率和模式结构的乘积确定。如果想得到某一特定频率上的激光输出，必须把该率的增益、反射率和模式结构相乘。对于某些频率，其乘积为零，因为模式结构为零，所以没有这些频率的激光输出。如果激光器的线宽使用棱镜减小的话，就只有较少的模式振荡。这种情况参见图3. 所示，其输出仍然由反转粒子和反馈量的乘积确定。

图2. 仅限制单橫模的激光器可以有多纵模在振荡

图3. 当谐振腔反馈线宽被限制时，只有较少的模式振荡

为限制激光器为单模，通常需要在谐振腔中放置一个标准具。标准具并不特别，只是一个具有两个表面的元件，这两个表面的作用就像法布里-玻罗干涉仪一样。法布里一玻罗干涉仪的透射峰值是分开的，间隔为c/2L，L为两个反射面之间的距离。如果这个距离很小，那么，相邻透过率峰值之间就有相对较大的频率间隔。这些峰值（也就是标准具的纵模）能与谐振腔纵模协调作用，除留下一个纵模外而消除其他所有纵模，如图4. 所示。

图4. 单模振荡

实际上，标准具通常就是一片光学玻璃，该玻璃需要精心加工以确保两个表面的平行性。两个表面可以镀膜增加反射率，也可以不镀膜（反射膜增加标准具的干涉强度、透射间隔和宽度的比。为获得相对高的标准具干涉强度才需要镀膜，如图4. 所示）。很多单模激光器使用不止一个标准具以确保该激光器被限制在单模。单模激光器经常被称作单频激光器，但是一个单波长激光器却是另外一回事，这个术语通常与描述的激光器有关，例如一个离子激光器，可以在多个跃迁能级发射激光但是却被人为地限制仅在一个跃迁能级上发射。假定有一个理想的无损耗的标准具，即其表面绝对没有产生散射光的任何瑕疵，标准具材料本身的体吸收为不可思议的零值。如果将这个元件置于均匀展宽激光器中，可能会期待得到与所有纵模混合在一起那样多的单模激光输出。如此，上述对于输出有贡献的每一个原子仍然会对于单模激光输出有贡献，是这样的吗？错！为什么？让我们看看一个单纵模电场的空间分布，如图5. 所示。在驻波的节点处，没有电场，所以恰好位于该点的原子不能被激励发射其能量。而事实上，在电场最大值位置处单模也将对反转粒子产生“烧孔”。在单模节点的原子对于输出没有贡献，即使是在正确的频率上也是如此。

图5. 波节点上的原子对激光增益没有贡献

实际上，单个的标准具通常并不能迫使均匀展宽激光器在单模上振荡。尽管有标准具，但若理想模节点处的原子增益变得很大以至于一个或者多个额外的模式还是可以振荡。可以通过在喈振腔中再加一个（或者是第三个）标准具迫使激光器单模振荡，其代价是减小激光输出。输出功率减小的原因是单模节点处的原子不能将它们的能量释放出来。

连续激光器与脉冲激光器

激光器按照工作模式分类

1、连续激光器

连续激光器输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术等）的场合。以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属于连续激光器。

长脉冲激光器

脉冲时间通常为1.5～100ms不等，常用的长脉冲激光包括翠绿宝石激光、半导体激光、Nd：YAG激光、染料激光、红宝石激光、超脉冲CO2激光、铒激光等。

2、脉冲激光器

脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次的方式。

脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。

常见的脉冲激光器：固体激光器中的钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、蓝宝石激光器、钕玻璃激光器等。还有氮分子激光器、准分子激光器等。

巨脉冲激光器（调Q激光器）

在腔内人为的加入损耗，使其大于工作物质的增益，这时没有激光输出。但在泵浦源持续不断的激励下，激光上能级的原子数越来越多，得到了较大的粒子数反转。如果定义峰值功率为脉冲的能量除以脉冲的持续时间（脉宽），那么，在撤除人为加入的损耗情况下，就会在很短的时间内以极快的速度产生脉冲宽度窄、峰值功率高的脉冲激光，通常称为巨脉冲。

脉冲激光器的特征参数

由于联系激光器的输出能量稳定且固定，因此对连续激光器的输出参数测量相对比较简单。对于脉冲激光，通常会存在这样的疑问，脉冲激光中是否存在一些小的脉冲和一些大的脉冲？每个脉冲中能量的压缩程度如何？

当测量连续激光的输出时，通常测得的是一段给定时间内输出能量的总和，能量和时间分别以焦耳和秒来衡量。激光器输出的速率也就是每秒的焦耳数，代表了激光器的功率，以瓦来衡量。

因此，如物理学家所说，能量和功率有不同的含义。能量以焦耳来衡量，定义为激光器的能力（如推进或加热物体的能力）；另一方面，功率以每秒的焦耳数（瓦）来衡量，表征了能量的增长速率。举例说明，如一个额定功率为100W的灯泡，点燃后每秒内的耗电量为100J，如果点燃5min,那么用电量将达到30000J。

对于脉冲激光，有两种功率表示：平均功率和峰值功率。平均功率表征在一个完整的周期内能量输出的平均速率，例如，一台激光器每秒内输出一个能量为0.5J的激光脉冲，那么它的平均功率就是0.5W。而峰值功率表征了一个脉冲内输出的能量的速率，如果相同一台单脉冲能量为0.5J的机关器的脉宽为1微秒，那么他的峰值功率为500000W。

脉冲的重复频率表征的是脉冲激光器每秒内输出的脉冲的个数。脉冲周期是指从一个脉冲开始到下一个脉冲的开始之间的间隔，它和重复频率是倒数关系。与脉冲周期类似但是更为有用的一个参数是脉宽，一个激光脉冲的能量分布为一个高斯型分布激光的能量通常集中在最中心位置，对于激光器的脉宽我们使用前面提到的FWHM来度量。

对于脉冲激光器的功率的计算：

平均功率=脉冲能量*重复频率，即每秒钟的总能量。

脉冲功率=脉冲能量/脉宽。

He-Ne气体激光器

工作介质：He-Ne激光器是典型的惰性气体原子激光器,Ne为工作物质,He为辅助气体。

特点：1）He-Ne激光器输出连续光,主要工作波段在可见光到近红外区域,其中,最常用的工作波长为632.8nm(红光),其次是1.15μm和3.39μm以及1.52μm、543.5nm等。2）He-Ne激光器输出光束质量很高,表现为单色性好(Δν