第二章：激光材料2

激光的能級(jí)系統(tǒng)E1和E2能級(jí)上單位體積的原子數(shù)分別為n1和n2。原子的吸收速率和受激輻射速率都等于wA21是自發(fā)輻射系數(shù)n2的變化率:吸收和輻射平衡時(shí)：1、二能級(jí)系統(tǒng)2、三能級(jí)系統(tǒng)，紅寶石激光器n2，n3的變化率:吸收和輻射平衡時(shí)：3、四能級(jí)系統(tǒng)在外界激勵(lì)的條件下，基態(tài)E1的粒子大量地躍遷到E4，又迅速轉(zhuǎn)移到E3，E3是亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，E2能級(jí)壽命短，到了E2能級(jí)的粒子很快回到基態(tài)。因此，四能級(jí)系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是E2和E3之間。紅寶石激光器（1）紅寶石晶體紅寶石的化學(xué)表示式為Cr3+:Al203,其激活離子是三價(jià)鉻離子Cr3+,基質(zhì)是剛玉晶體(化學(xué)成分是A12O3)。紅寶石是在Al2O3中摻入適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相應(yīng)的Cr3+密度為ntot=1.58x1019cm-3。

紅寶石晶體結(jié)構(gòu)紅寶石的基本物理化學(xué)特性莫氏硬度9熔點(diǎn)2050（攝氏度）熱導(dǎo)率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)熱膨脹系數(shù)6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕Cr3+在很強(qiáng)的晶格場(chǎng)作用下,其能級(jí)發(fā)生很大的變化,呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的能級(jí)分裂和重新組成的情況。4A2是基態(tài)又是激光下能級(jí),其簡(jiǎn)并度g1=4,2E是亞穩(wěn)態(tài),它是由能量差為29cm的2A和E二能級(jí)組成,其簡(jiǎn)并度都為2。4F1和4F2是兩個(gè)吸收能帶。紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)紅寶石激光器工作特征原子Cr的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻入Al2O3后失去外層三個(gè)電子成為三價(jià)鉻離子Cr3+，Cr3+的最外層電子組態(tài)為3d3。由4A2向4F1躍遷吸收紫藍(lán)光,峰值波長(zhǎng)在0.41um附近,稱為紫帶或U帶。由4A2向4F2躍遷吸收黃綠光,峰值波長(zhǎng)在0.55μm附近,稱為綠帶或Y帶。這是兩個(gè)很強(qiáng)很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約0.1um左右。由于紅寶石晶體的各向異性,它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線(R1和R2線),分別為E和2A能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的,室溫下對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)分別為0.6943um和0.6929um。通常紅寶石激光器中只有

R1=0.6943μm線才能形成激光輸出。（1）亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)2E分裂成2A和E兩能級(jí)，躍遷到2E上的粒子按波爾茲曼分布規(guī)律分布于2A和E上,2A能級(jí)上約占47%，E能級(jí)上約占53%。E能級(jí)比2A能級(jí)有更多的粒子數(shù)。（2）由于R1線熒光強(qiáng)度比R2線高,使得R1線的受激輻射幾率比R2線高。因此,R1線容易達(dá)到閾值而形成激光振蕩。紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)為什么紅寶石激光器通常只產(chǎn)生0.6943um的受激輻射？（3）2A和E相距很近,一旦E上的粒子躍遷后,2A上的粒子便迅速地(約10ns)轉(zhuǎn)移到E上去,這就加強(qiáng)了R1線,而抑制了R2線。在激光脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于10-9s時(shí),亞穩(wěn)態(tài)上的位子均將通過(guò)R1線的受激輻射回到基態(tài),因此可把E,2A合并起來(lái)看成一個(gè)簡(jiǎn)并度g2=4的能級(jí)。缺點(diǎn)是閾值高(因是三能級(jí))和性能易隨溫度變化。優(yōu)點(diǎn):機(jī)械強(qiáng)度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長(zhǎng)成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng),儲(chǔ)能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測(cè)接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達(dá)上千焦耳。單級(jí)調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對(duì)載有角反射器的人造衛(wèi)星進(jìn)行了測(cè)距試驗(yàn))。多級(jí)放大器件的輸出峰值功率已達(dá)數(shù)千兆瓦到一萬(wàn)兆瓦。紅寶石激光器的優(yōu)缺點(diǎn)Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡(jiǎn)稱)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。一般含Nd3+量為1%原子比,此時(shí)Nd3+的密度為1.38×1020cm-3,顏色為淡紫色。實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶系,是各向同性晶體。摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子(Nd3＋)Nd3＋:YAG晶體的吸收光譜Nd3＋:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)摻Nd3＋的YAG中屬于四能級(jí)系統(tǒng)。

摻釹釔鋁石榴石激光器工作特征1.06um比1.35um的熒光約強(qiáng)四倍,1.06um的譜線先起振,進(jìn)而抑制1.35um譜線起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生1.06um激光。1961年出現(xiàn)釹玻璃激光器。釹玻璃是在某種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。最佳摻入Nd2O3量為1%~5%重量比。對(duì)應(yīng)3%的摻入量,Nd3+的濃度為3×1020/cm3。Nd3+在硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。優(yōu)點(diǎn)：玻璃的制備工藝比較成熟,易獲得良爭(zhēng)好的光學(xué)均勻性,玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長(zhǎng)可達(dá)1~2m,直徑30~100mm,可用來(lái)制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路中的光放大或振蕩。缺點(diǎn)：釹玻璃最大的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱率太低,熱脹系數(shù)太大,因此不適于作連續(xù)器件和高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的器件,且在應(yīng)用時(shí)要特別注意防止自身破壞。釹玻璃激光器E4:含三個(gè)吸收帶(抽運(yùn)能帶)*(吸收特定波長(zhǎng)的光而躍遷到這三個(gè)吸收帶)(中心波長(zhǎng)5900A)(...............7500A)(...............8000A)E3:三條激光譜線公共的激光上能級(jí)

E2:含二條激光譜線的二個(gè)激光下能級(jí)(四能級(jí)系統(tǒng)),即(,對(duì)應(yīng)1.4μm

譜線)(,對(duì)應(yīng)1.06μm譜線)

釹玻璃激光器工作特征E1:基態(tài),一條激光譜線的激光下能級(jí)(三能級(jí)系統(tǒng)):(對(duì)應(yīng)0.9μm譜線)

躍遷譜線:

①1.06μm:四能級(jí)系統(tǒng),躍遷幾率大,通常可觀察到;

②1.4μm:四能級(jí)系統(tǒng),躍遷幾率較小,不一定可觀察到;③0.9μm:三能級(jí)系統(tǒng),難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),一般不出現(xiàn).一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。固體激光器的泵浦系統(tǒng)惰性氣體放電燈(燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體)金屬蒸氣燈(燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）鹵化物燈(碘鎢燈、鑷鎢燈等)半導(dǎo)體激光器日光泵(用聚光鏡將日光會(huì)聚到激光棒中)常用的泵浦光源脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射效率較其他燈都高,是紅寶石釹玻璃和Nd:YAG脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的一種燈.氪燈在低電流密度下工作時(shí),其輻射光譜與Nd:YAG泵浦吸收帶相匹配,故在連續(xù)和小能量脈沖Nd:YAG器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用220V電壓即可,使用簡(jiǎn)單、方便,在功率小于1OW的連續(xù)Nd:YAG器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多用高壓乘蒸氣燈,它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小,產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配,可用于小型摻鐵激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和聚光器。二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件。①有很高的發(fā)光效率②輻射的光譜特性應(yīng)與激光各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配.電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率,又不易濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢。高功率燈的電極要設(shè)計(jì)成水冷結(jié)構(gòu),見圖(b)。燈管材料用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙(Xe)、氪(kr)氣體。惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)電極燈管充入的氣體聚光器的作用：將泵浦光源輻射的光能最大限度地聚集到工作物質(zhì)上去聚光器設(shè)計(jì)得好壞直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率和激光性能。聚光器（泵浦腔）聚光器的分類：橢圓柱聚光器圓柱聚光器這種聚光器的內(nèi)反射表面的橫截面是一橢圓?！敖股戏胖谩薄绻阎惫軣艉桶舴謩e置于橢圓柱聚光器的兩條焦線上(如圖a所示),則可以得到比較好的聚光效果?！敖雇夥胖谩薄獙⒈脽艉图す獍羝叫械匕仓迷诮咕€和腔壁之間(如圖b所示)。圖b橢圓腔的焦外幾何光路圖a橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光器橢圓長(zhǎng)軸上焦點(diǎn)外任意點(diǎn)發(fā)出的光,經(jīng)橢圓反射后必交于另一端焦點(diǎn)外的長(zhǎng)軸上,因此,焦外放置的棒可以截獲焦外放置的泵燈所輻射的大部分能量。焦外放置不如焦上放置成象質(zhì)量好,但采用焦外放置,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以做得比較緊湊。設(shè)橢圓的長(zhǎng)半軸為a,短半軸為b,焦距為2c,偏心率為e=c/a.為了盡可能利用沿軸向發(fā)射的泵燈光能,在橢圓柱的兩端應(yīng)有反射端面。但當(dāng)聚光器橫向尺寸較小,而軸向尺寸比棒、燈長(zhǎng)得多時(shí),兩端也可以不加反射面,因?yàn)榇藭r(shí)可利用的軸向光能很少。cabO在燈內(nèi)徑和激光工作物質(zhì)確定后,e越小,聚光器的聚光效率越高,因?yàn)閑小,泵燈截面經(jīng)橢圓面反射后成象彌散小,光能被工作物質(zhì)截獲得多。但e太小,意味著a大或c小.a大則聚光器尺寸大。c小則二焦點(diǎn)靠得近,采用"焦點(diǎn)"放置時(shí)則燈和工作物質(zhì)靠得近,直照強(qiáng),容易造成工作物質(zhì)光照不均勻,影響激光光斑質(zhì)量.因此,一般取e=0.4為宜。這種聚光器的內(nèi)反射表面是一個(gè)圓柱空腔,激光棒和泵燈置于軸線兩側(cè).由于圓相當(dāng)于焦點(diǎn)重合的橢圓,因此圓柱聚光器內(nèi)棒、燈的放置相當(dāng)于橢圓柱聚光器的"焦外放置"。圓柱聚光器對(duì)泵浦光的聚焦能力不如橢圓柱聚光器強(qiáng),而且在同樣棒、燈直徑情況下,圓柱聚光器橫截面積大,體積也大。但圓柱聚光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便等優(yōu)點(diǎn)。圓柱聚光器兩種聚光器的比較三、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。四、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。一、氦-氖(He-Ne)激光器氣體激光器放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當(dāng)電極加上高電壓后，毛細(xì)管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室與毛細(xì)管相連，這里不發(fā)生氣體放電，它的作用是補(bǔ)償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成He,Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長(zhǎng)器件的壽命。放電管一般是用GG17玻璃制成。輸出功率和波長(zhǎng)要求穩(wěn)定性好的器件可用熱脹系數(shù)小的石英玻璃制作。

He-Ne激光器激光管激光電源放電管：毛細(xì)管和貯氣室電極光學(xué)諧振腔組成。He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式氦-氖(He-Ne)激光器基本結(jié)構(gòu)形式

He－Ne激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過(guò)率約1%～2％，凹面鏡為全反射鏡。

He－Ne激光管的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。將諧振腔的兩反射鏡調(diào)整好后，用膠固定在放電管的兩端。優(yōu)點(diǎn)：使用時(shí)不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便，陰極與毛細(xì)管同軸放置，其結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。缺點(diǎn)：在工作過(guò)程中放電管受熱變形時(shí)，諧振腔反射鏡會(huì)偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長(zhǎng)，其熱穩(wěn)定性越差，所以內(nèi)腔式激光管的長(zhǎng)度一般不超過(guò)一米。而且當(dāng)諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無(wú)法清除。并且由于陰極放在放電管內(nèi)，陰極濺射物質(zhì)易污染窗片，使用壽命低，同時(shí)由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，使同軸式激光管功率的穩(wěn)定性不如旁軸式。內(nèi)腔式

優(yōu)點(diǎn)：這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離，可增加儲(chǔ)氣量。同時(shí)濺射物質(zhì)不易污染窗片，所以壽命比同軸式長(zhǎng)，放電管的熱變形對(duì)諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長(zhǎng)期使用中能保持穩(wěn)定輸出。放電管的兩端貼有布儒斯特窗片，還可使激光得到線偏振的激光輸出。缺點(diǎn)：由于反射鏡與放電管相分離，相對(duì)位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方便.但體積大，安裝使用不方便，易破碎。外腔式氦和氖原子的能級(jí)圖

與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖激光器的工作氣體是He和Ne，其中產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。He原子有兩個(gè)電子，沒(méi)激發(fā)時(shí)這兩個(gè)原子都分布在1S0殼層上，He原子處于基態(tài)。當(dāng)He原子受激時(shí)，使其中一個(gè)電子從1S激發(fā)到2S，He原子成為激發(fā)態(tài)。He原子有兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，分別記為23S1、21S0。與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖氖原子的能級(jí)圖

Ne原子有10個(gè)電子，基態(tài)1S0(電子分布為1S22S22P6)。激發(fā)態(tài)為1S、2S、3S、2P、3P等，它們對(duì)應(yīng)的外層電子組態(tài)分別為2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。He—Ne激光器的激發(fā)過(guò)程在He—Ne激光器中，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過(guò)程如下：第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級(jí)圖可見，He原子的21S0、23S1態(tài)分別與Ne原子的3S、2S態(tài)靠得很近，二者很容易進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)95%，其轉(zhuǎn)移過(guò)程如下：s2s1Nes3s12s32Hep2p3電子碰撞激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過(guò)程中，基態(tài)Ne原子與具有一定動(dòng)能的電子進(jìn)行非彈性碰撞，直接被激發(fā)到2S和3S態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過(guò)程激發(fā)的速率要小得多。

第三是串級(jí)躍遷，Ne與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和3S態(tài)，與前述兩過(guò)程相比，此過(guò)程貢獻(xiàn)最小。

與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖根據(jù)能量躍遷選擇定則，Ne原子可以產(chǎn)生很多條譜線，其中最強(qiáng)的譜線有三條，即0.6328um、3.39um和1.15um，對(duì)應(yīng)躍遷能級(jí)分別為3S2→2P4,3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向1S態(tài)躍遷很快。lS態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時(shí)，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么He—Ne激光器中要有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因。從能級(jí)圖可見，He—Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。He—Ne激光器的輸出特性譜線競(jìng)爭(zhēng):He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線：

3S2P0.6328m，2S2P1.15m，3S3P3.39m

中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。

0.6328um和3.39umm兩條激光譜線有共同的激光上能級(jí)3S,而后者增益系數(shù)比較高,如果不進(jìn)行抑制,則3.39um的輻射在腔內(nèi)振蕩過(guò)程中將消耗大量的3S2態(tài)原子。抑制3.39um輻射的辦法主要有:與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖①選用對(duì)3.39um的光具有低反射率的諧振腔反射鏡,使339um達(dá)不到閾值條件,如下圖所示,在腔內(nèi)加色散棱鏡,將兩譜線分開,通過(guò)調(diào)整諧振腔反射鏡的位置,只允許0.6328um的輻射起振,而使3.39um的輻射偏離出諧振腔外;②腔內(nèi)放置甲烷吸收盒,因?yàn)榧淄閷?duì)3.39um的光具有強(qiáng)吸收而對(duì)0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振蕩;③外加非均勻磁場(chǎng)也能抑制3.39um振蕩。根據(jù)塞曼效應(yīng),磁場(chǎng)可引起譜線分裂,分裂的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。如果激光管內(nèi)磁場(chǎng)分布不均勻,則各處譜線分裂程度不同并連成一片,相當(dāng)于譜線變寬。300高斯非均勻磁場(chǎng)中,兩譜線加寬均約900MHz,0.6328umm原譜線半寬度約1500MHz,非均勻磁場(chǎng)對(duì)它展寬的比例不大。但3.39um原譜線寬只有300MHz左右,非均勻磁場(chǎng)的加寬比它大幾倍。由于增益系數(shù)反比于線寬,所以外加非均勻磁場(chǎng)后,3.39um的增益系數(shù)急劇下降,而0.6328μm的增益系數(shù)卻下降很少.結(jié)果提高了0.63281um的競(jìng)爭(zhēng)能力,3.39um則被抑制。外加非均勻磁場(chǎng)的裝置如上圖所示,沿放電管軸向放置許多小磁鐵,相鄰的極性相同,這樣就可在放電管軸線上形成非均勻磁場(chǎng)。(2)輸出功率特性

:

He-Ne激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線①右圖表示輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線。曲線表明:在氣壓比為定值時(shí),每個(gè)總氣壓都存在一個(gè)輸出最大的放電電流,其大小隨著總氣壓的升高而降低,這是因?yàn)闅鈮荷?只需要較小的放電電流就能得到相同的電子密度。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流②He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為7／1時(shí)是最佳分壓比。而總壓強(qiáng)在100Pa～400Pa。

選用He氣作輔助氣體的原因:Ne原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級(jí)；He*與Ne*能級(jí)極相近,易發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移。③若放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強(qiáng)為p，則存在一個(gè)使輸出功率最大的最佳p、d值。圖給出了在不同的毛細(xì)管內(nèi)徑d和長(zhǎng)度l時(shí),輸出功率與充氣總氣壓和氣壓比的實(shí)驗(yàn)曲線。由圖可見,內(nèi)徑d不同,最佳充氣壓和氣壓比也不同。氣壓也增加。計(jì)算可得:當(dāng)取最佳充氣條件時(shí),最佳氣壓λPopt與毛細(xì)管內(nèi)徑的乘積約為一常數(shù),一般Poptd=480~533Pamm.④在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑d成反比。

五、He—Ne激光器的壽命

He－Ne激光器使用一段時(shí)間或存放一段時(shí)間后，它的輸出功率會(huì)逐漸降低，以致最后沒(méi)有激光輸出。現(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的1／e的工作時(shí)間為器件的壽命。影響器件壽命的因素大致有以下幾方面：

1．慢漏氣

3．陰極濺射

2．放電管內(nèi)元件放氣

4．工作氣體的吸附、吸收和滲透

5．諧振腔反射鏡的污染目前He－Ne激光器最長(zhǎng)的壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。

C02激光器的主要特點(diǎn)是輸出功率大,能量轉(zhuǎn)換效率高,輸出波長(zhǎng)(10.6um)，廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應(yīng)用。

C02激光器以C02、N2和He的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在C02分子的電子基態(tài)的兩個(gè)振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間。N2的作用是提高激光上能級(jí)的激勵(lì)效率,則有助于激光下能級(jí)的抽空。二氧化碳激光器一、CO2激光器的結(jié)構(gòu)封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

二、CO2激光器的激發(fā)過(guò)程

CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖。

產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖C02激光器中,通過(guò)以下三個(gè)過(guò)程將C02分子激發(fā)到0001能級(jí)

1.直接電子碰撞電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級(jí)。這一過(guò)程可表示為

C02(0000)+e→C02(0001)+e

2.級(jí)聯(lián)躍遷電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到000n能級(jí),基態(tài)C02分子與高能級(jí)C02分子碰撞后躍遷到激光上能級(jí),此過(guò)程可表示為C02(0000)+C02(000n)→C02(0001)+C02(000n-1)

3.共振轉(zhuǎn)移由于N2分子(v=0)能級(jí)和電子碰撞后躍遷到v=1的振動(dòng)能級(jí)。這是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)CO2分子與亞穩(wěn)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級(jí)。這一過(guò)程可表示為

C02(0000)+N2(v=1)→C02(0001)+N2(v=0)由于C02分子0001能級(jí)與N2分子v=1能級(jí)十分接近,能量轉(zhuǎn)移十分迅速。此外,N2分子的v=2~4能級(jí)與C02分子0002~0004也十分接近,相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移,處于0002~0004的C02分子與基態(tài)C02分子碰撞可將它激勵(lì)至0001能級(jí)。產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖在以上三種激發(fā)途徑中,共振轉(zhuǎn)移的幾率最大,作用也最為顯著。C02分子激光躍遷下能級(jí)的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。一旦實(shí)現(xiàn)了(0001)與

(1000)、(0200)

之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過(guò)受激輻射，產(chǎn)生:0001→1000躍遷產(chǎn)生10.6um波長(zhǎng)的激光光0001→0200躍遷產(chǎn)生9.6um波長(zhǎng)的激光。由于以上躍遷具有同一上能級(jí),而且0001→1000躍遷的幾率大得多,所以C02激光器通常只輸出10.6μm激光。若要得到9.6um的激光振蕩,則必須在諧振腔中放置波長(zhǎng)選擇元件抑制10.6um激光振蕩。三、CO2激光器的輸出特性相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。例如：管徑為20～30mm

時(shí)，最佳放電電流為30～50mA

管徑為50～90mm

時(shí)，最佳放電電流為120～150mA(1)放電特性

60%以上消耗：使氣體溫度的升高：1、引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。2、使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。3、引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。

(2)溫度效應(yīng)：CO2激光器的高，但是轉(zhuǎn)換效率<40%特點(diǎn)：超小型、高效率、低成本、工作速度快和波長(zhǎng)范圍寬等。應(yīng)用：是激光光纖通信的重要光源。目前在光存儲(chǔ)、激光高速印刷、全息照相、激光準(zhǔn)直、測(cè)距及醫(yī)療等許多方面廣泛應(yīng)用。而在光信息處理、光計(jì)算機(jī)和固體激光器泵浦等方面卻正是方興未艾。自1962年半導(dǎo)體砷化嫁（GaAs）同質(zhì)結(jié)激光器問(wèn)世后，半導(dǎo)體從同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)到半導(dǎo)體激光器陣列，波長(zhǎng)范圍履蓋了可見光到長(zhǎng)波紅外。半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器稱為半導(dǎo)體激光器。1．能帶固體的能帶半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件本征半導(dǎo)體的能帶在晶體中，由價(jià)電子能級(jí)分裂而成的能帶叫做“價(jià)帶”，若價(jià)帶中的電子受激而進(jìn)入空帶，則此空帶稱為“導(dǎo)帶”，同時(shí)，價(jià)帶上由于價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶后留下一些空著的能級(jí)稱為“空穴”?！皟r(jià)帶”和“導(dǎo)帶”之間是“禁帶”。半導(dǎo)體摻雜：電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體

2．電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出：熱平衡時(shí)，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，一個(gè)電子占據(jù)能量為E的能級(jí)的幾率為3.雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系。費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系①在未摻雜質(zhì)的本征型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)居于禁帶中央，導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴是非簡(jiǎn)并化分布(圖a)。②在輕摻雜P型半導(dǎo)體中，受主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)(圖b);輕摻雜N型半導(dǎo)體中，施主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng)(圖d);③在重?fù)诫sP型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)向下移到價(jià)帶中，低于費(fèi)米能級(jí)的能帶被電子填滿，高于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都是空的，導(dǎo)帶中出現(xiàn)空穴——P型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體(圖c);④在重?fù)诫sN型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)向上移到導(dǎo)帶中，低于費(fèi)米能級(jí)的能帶被電子填滿，高于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都是空的，導(dǎo)帶中也有自由電子——N型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體(圖e);⑤雙簡(jiǎn)并半導(dǎo)體——半導(dǎo)體中存在兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)。

(圖f);兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)使得導(dǎo)帶中有自由電子；價(jià)帶中有空穴。4.在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡(jiǎn)并能帶

(圖f

)中有兩費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)帶有自由電子，價(jià)帶中有空穴，當(dāng)入射光的頻率滿足時(shí)，外來(lái)光子會(huì)誘導(dǎo)導(dǎo)帶中的自由電子向價(jià)帶空穴躍遷而發(fā)出一個(gè)同樣的光子。

(圖a—e)中的情況都只有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，在它上面沒(méi)有有自由電子，在它下面已經(jīng)被電子充滿，不可能發(fā)生電子躍遷，只能將外來(lái)光子吸收。PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)把P型和N型半導(dǎo)體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)呢？

一、P-N結(jié)的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)

未加電場(chǎng)時(shí)，由于電子和空穴的擴(kuò)散作用，在P－N

結(jié)的交界面兩側(cè)形成空間電荷區(qū)，生產(chǎn)自建場(chǎng)，其電場(chǎng)方向自N區(qū)指向P區(qū)。引起漂移運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到熱平衡時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)必然達(dá)到同一水平。這時(shí)，在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)P型簡(jiǎn)并區(qū)和N型簡(jiǎn)并區(qū)，P區(qū)的價(jià)帶頂充滿了空穴，N區(qū)的導(dǎo)帶底充滿了電子。在結(jié)區(qū)造成了能帶的彎曲。自建場(chǎng)的作用，形成了接觸電位差VD叫做P－N

結(jié)的勢(shì)壘高度。P區(qū)所有能級(jí)上的電子都有了附加位能，它等于勢(shì)壘高度VD

乘以電子電荷e（VDe）PN能帶當(dāng)給P－N

結(jié)加以正向電壓V時(shí)，由于“載流子注入”現(xiàn)象，此時(shí)結(jié)區(qū)的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)不復(fù)存在，行成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)EF+和EF-，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。它們分別描述空穴和電子的分布。在結(jié)區(qū)的一個(gè)很薄的作用區(qū)，形成了雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)。正向電壓V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

對(duì)于重?fù)诫s的GaAsP－N

結(jié)，在P－N

結(jié)的附近，導(dǎo)帶中有電子而價(jià)帶中有空穴，這一小段區(qū)域稱為“作用區(qū)”。如果電子從導(dǎo)帶中向價(jià)帶中躍遷，則將釋放光子，并在諧振腔的反饋?zhàn)饔孟?，產(chǎn)生受激輻射。當(dāng)然，價(jià)帶中的電子也可能在光子的激發(fā)下躍遷到導(dǎo)帶中，即所謂受激吸收。PN能帶正向電壓V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂實(shí)現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是此式便是同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的載流子反轉(zhuǎn)分布條件。其物理意義是：（1）工作區(qū)中導(dǎo)帶能級(jí)的電子占有幾率大于價(jià)帶能級(jí)中的電子占有幾率。（2）因?yàn)榘l(fā)射的光子能量基本等于禁帶寬度Eg，因而要求(E-F)一(E+F)>Eg（3）所加的正向偏壓必須滿足價(jià)帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來(lái)計(jì)算

價(jià)帶頂電子占據(jù)幾率則為

考慮激光器工作在連續(xù)發(fā)光的動(dòng)平衡狀態(tài)導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率可以用N

區(qū)的費(fèi)米能級(jí)來(lái)計(jì)算GaAs激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理一、半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)P－N

結(jié)的厚度幾十微米，一般是在N型GaAs襯底上生長(zhǎng)一薄層P型GaAs而形成P－N

結(jié)。激光器的諧振腔一般是直接利用垂直于P－N

結(jié)的兩個(gè)端面。為了提高輸出功率和降低工作電流，一般使其中一個(gè)反射面鍍金反射膜。二、半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件

激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件

這說(shuō)明