參考文稿說(shuō)明

第十章幾種特定的圖10.1表示幾種有代表性的激光器的抽運(yùn)-抽運(yùn)方式：固態(tài)激光器 激光器--光（或激光）泵浦激勵(lì)泵浦躍遷：通過(guò)抽運(yùn)使原子由基態(tài)被激發(fā)到某一激發(fā)態(tài)332（。21（激躍遷，引起頻率為21的光發(fā)快速無(wú)輻射弛豫：原子從激發(fā)態(tài)1快速弛豫至基態(tài)四能級(jí)系統(tǒng)與三能級(jí)系統(tǒng)的主要區(qū)別：容易形成粒子布居數(shù)圖10.1表示典型的激光器的抽運(yùn)-原子的量子效率：對(duì)于上述一個(gè)循環(huán)過(guò)程，一個(gè)輸出光子h21對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入光子h30，定義原子的量子效率為atomic21/30

(10.1-其中

抽運(yùn)效（為使原子抽運(yùn)到能級(jí)3的有效功率與總抽運(yùn)功率的比值pumpquantum抽運(yùn)量子效（由能級(jí)3向能級(jí)2躍遷的效率）由Nd3+:YAG固體激光器的1%到CO2激光器的30%左右GaAsp-n結(jié)激光器效率接近紅寶石激光第一臺(tái)激光Al2O3Cr3+0.05%）。0.6943三能級(jí)結(jié)構(gòu)：如圖10.2所示，激光下能級(jí)為基抽運(yùn)方式：光泵浦（強(qiáng)閃光燈）使Cr3+離子由基態(tài)1激發(fā)到激發(fā)態(tài)2（4F能級(jí)4F1）2 為5108 處于激發(fā)態(tài)3的離子弛豫到能級(jí)2上(2E)受激躍遷（激光）：2E2AE兩個(gè)能級(jí)組成，其間隔為29厘米-122離子處于激光上能級(jí)E的 為t23103秒，熒光效率接近1，因此t2tspont圖10.2紅寶石激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的能)() g2N g g1其中12( 為吸收截面

12由(9.3-15)和

PeNt ()g()

spont

（

為與I無(wú)關(guān)的部分可見(jiàn)較大的吸收截面有利于激光振蕩激光躍遷中心處的吸收截面：12()1.2210

厘米2紅寶石晶體在光泵激勵(lì)下，處于基態(tài)4

的鉻離子吸收光能后躍遷到激發(fā)

4F4F上。處于激發(fā)態(tài)能4F4F上的鉻離子極不 由于晶體內(nèi)部晶格振動(dòng)，很快向能級(jí)2E躍遷 轉(zhuǎn)移給其周?chē)木Ц瘛Ｓ捎谀芗?jí)2E是具 為A2A

3103

秒的亞穩(wěn)所以極易在能級(jí)2E上得以積聚。在鉻離子從能級(jí)2E

回到基態(tài) 時(shí)2其中R1的強(qiáng)度比R2 2摻釹釔鋁石榴石（Nd3+:YAG）最常用的激光圖10.8YAG中的Nd3+能級(jí)N3+：6四能級(jí)結(jié)構(gòu)：如圖10.8所示，激光下能級(jí)為E2,不是基態(tài)E2高于基態(tài)2111厘米-1，室溫下處于E2能級(jí)的粒子數(shù)比基態(tài)exp(E2kT)e10倍，可以忽略不計(jì)，于是

具有這種特性的激光器被稱(chēng)作四能級(jí)激抽運(yùn)方式：光泵浦（強(qiáng)閃光燈）使Nd3+離子由基態(tài)4I

激9/到激發(fā)態(tài)3(4F5

2

9/

及更高的能級(jí)) 無(wú)輻射躍遷：激發(fā)態(tài)3極短，迅速弛豫到能級(jí)2上（亞穩(wěn)態(tài)4F3/23/11/受激躍遷（激光）：激光上下能級(jí)分別為能級(jí)2（4 ）和能級(jí)1（3/11/F離子處于激光上能級(jí)F3/

的為t

5.5

秒（t2tspont）該激光上下能級(jí)之間的自發(fā)輻射光譜如圖10.9室溫下譜線(xiàn)線(xiàn)寬為 6厘米-1激光躍遷中心處的吸收截面12(9

厘米2比紅寶石的12(1.221020厘米2大近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)給反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Nd3+:YAG的增益常數(shù)比紅寶石大75倍，因而振蕩（指閾值輸入能量或閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度）顯著降（由(9.3-12)式的

8n8n

g()N012 圖10.9YAG中Nd3+1.064微米的自發(fā)輻射光舉例：Nd3+:YAG激光器的閾已知下列參數(shù)l=20厘米（腔長(zhǎng)L=4（單程損耗tcl/Lc1.6=1.064

秒（諧振腔光 tspont5.510 秒（自發(fā)輻 6厘米-1（譜線(xiàn)線(xiàn)寬將上述數(shù)據(jù)代入(9.1-16)式，可得N2tNt 厘 cc考慮影響激光效率的幾個(gè)激發(fā)光能在有效吸收帶內(nèi)的比例晶體實(shí)際吸收光能的比率激光頻率與抽運(yùn)頻率的平均比值泵浦閃光燈的電能轉(zhuǎn)換成光能的效率總的效率約為則閃光燈的閾值能量ElampN2thlaser0.0060.31焦耳/厘米因此，較低的閾值使得Nd3+:YAG晶體也容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)（CW）運(yùn)轉(zhuǎn)圖10.10利用橢圓柱面聚光腔將燈光會(huì)聚到激光棒釹玻璃激釹玻璃激光器和Nd3+:YAG激光器類(lèi)似主要區(qū)別N3+Nd3+（，而Nd3+:YAG的6厘米-1）這使得釹玻璃激光的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增c N2tNt c

9

厘米-而Nd3+:YAG

N2t1.0310

厘米-3釹玻璃激光器的特點(diǎn)氦-氖（He-Ne）激光是第一臺(tái)連續(xù)激光器，也是第一臺(tái)氣體激光器在He子輸出波長(zhǎng)：0.6328抽運(yùn)方式：通過(guò)在1.0毫米高的He和0.1毫米高的Ne的氣體放電氣體放電：通常情況下，氣體是很好的絕緣體，當(dāng)激光管電壓增加這種氣體放電有：輝光放電、弧光放電氣體激光器大多是利用這些放電形式來(lái)激勵(lì)氣體使之產(chǎn)生激光激發(fā)機(jī)放電中的高能電子將He原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上，這些受激原子向正常級(jí)聯(lián)躍遷的過(guò)程中，許多原 在 的亞穩(wěn)態(tài)23S和21S 分別為104秒和5106秒）。He原子的這兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的能量與Ne原子的2S和3S能級(jí)的能量幾乎相同，所以當(dāng)激發(fā)態(tài)的He*(23S21S)和基態(tài)的Ne發(fā)生碰撞時(shí)，He*(23S、21S)的能就轉(zhuǎn)移到Ne使其激發(fā)到Ne*2S3S)。能量的微小差別可以He*(23S1,or21S0)Ne(1S0)He(1S0)Ne*(2S,or3S)圖 He-Ne能級(jí)及激勵(lì)原理一個(gè)能級(jí)3S2，激光下能級(jí)為 能級(jí)組中的 3S2

。屬于典型的四能級(jí)激光系統(tǒng)3S2的 約為10-7秒；2P4的 因此3S22P4的躍遷滿(mǎn)足(9.3-10)式給出的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件t1t2 圖10.16典型的氣體激 產(chǎn)生激光振蕩，垂直于紙面偏振的光因反射損耗無(wú)法產(chǎn)生激光振蕩二氧化碳（CO2）激2CO2分子的結(jié)構(gòu)原子沿原子核間的軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)地振動(dòng)—分子沿垂直原子核間軸線(xiàn)的一個(gè)軸作對(duì)稱(chēng)振動(dòng)—原子沿原子核間的軸線(xiàn) 稱(chēng)振動(dòng) 稱(chēng)拉伸能級(jí)的表在一級(jí)近似下可以假定，三種簡(jiǎn)征模彼此是獨(dú)立的，這時(shí)CO2分子的能可以用三個(gè)整數(shù)(v,vlv)來(lái)描述,它們分別對(duì)應(yīng)于上述三種模式 激勵(lì)程度，其中 右上角上的l為角動(dòng)量量子數(shù)l=0的能級(jí)E(v,v,v)h(v1)h 1)h 1) (10.6-

式中1,2

分別表示對(duì)稱(chēng)拉伸模、彎曲模 稱(chēng)拉伸模的頻率He：10.6微米的受激躍遷（激光）：在CO2的(001)能級(jí)和(100) tspont 在常溫下，低氣壓（

托）時(shí)的激光躍遷 譜寬度

60兆赫茲抽運(yùn)方式：和He-Ne激光器類(lèi)似， 體放電激發(fā)機(jī)理：CO2的氣體放電激發(fā)(001)能級(jí)有三種基本過(guò)程1、電子碰撞激慢速電子通過(guò)和CO2分子碰撞直接激發(fā)其至(001)2、串級(jí)被放電激發(fā)至(00v3)能級(jí)的CO2分子，通過(guò)與基態(tài)CO2碰撞逐級(jí)地弛豫到(001)CO2(000v3)CO2(0000)CO2(000v1)CO2(003、振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)N2和CO2的振動(dòng)能級(jí)非常接近N2(v

的較長(zhǎng)所以被放N2至CO2使其激發(fā)至(001)

碰撞可以將其能量能量的微小差別可以由原子碰撞后動(dòng)能的變化予以補(bǔ)償N2(v1)CO2(0000)N2(v0)CO2(0001)2。:激光能級(jí)都靠近基態(tài)，且原子量子效率21/30 較大（約45%）大部分被放電激發(fā)的CO2，對(duì)激發(fā)態(tài)(001) N2分子都可以通過(guò)碰撞，將其能量轉(zhuǎn)移至CO2分子使其躍遷至激發(fā)態(tài)(001)能級(jí)。大功率除了上述高效率和采用長(zhǎng)的放電還由于激光下能級(jí)(100)的短使得其很快回到基態(tài)獲得重新激發(fā)的機(jī)會(huì)振-轉(zhuǎn)躍由分子光譜可知，CO2分子的紅外譜并不是一條單一的振動(dòng)譜線(xiàn)量子數(shù)V外，還需要用轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)J。對(duì)于一給定的振動(dòng)能級(jí)i，純轉(zhuǎn)動(dòng)能量為

EiJBJ(J1)DJ2(J (10.6- DCO2分子在10.6微米的激光躍遷的振-轉(zhuǎn)能級(jí)如圖10.19P(J)支躍遷：JJ1的躍遷R(J)支躍遷JJ1的躍遷Q(J)支躍JJ的躍遷（由選擇電子態(tài)時(shí)Q(J)為禁戒躍遷圖10.19CO2分子在10.6 有機(jī)激光分子的能級(jí)、吸收和發(fā)圖10.37給出了一種典型的有機(jī)（Rhodamine6G）分子的能級(jí)示意圖圖基態(tài)單重激發(fā)態(tài)：S1，S2（總自旋S0，因而為單重態(tài)2S11)）三重激發(fā)態(tài)：T1，T2（總自旋為S1，因而為三重態(tài)2S13)）4-，101。圖10.38若丹明6G的單態(tài)吸收和熒光圖10.38若丹明6G的單態(tài)吸收和熒光光激光的四能級(jí) ，能級(jí)2b 躍遷過(guò)

AbBa泵浦抽運(yùn)：S0v0,J0)hpumpS1(vnJ無(wú)輻射弛豫：S1(vnJmS1(v0,J0)發(fā)光（激光

S1(v0,J0)S0(vn,Jm)發(fā)射頻(EBEa無(wú)輻射弛

S0(vn,Jm)S0(v0,J0)三重態(tài)的陷阱作用和解決系際交叉：激發(fā)態(tài)分子也可以通過(guò)系際交叉弛豫到三重態(tài)T1,此過(guò)程是自旋躍遷，所以躍遷幾率較?。ㄏ鄬?duì)自發(fā)輻射幾率1），約為 三重態(tài)的陷阱作用：由于三重態(tài)T1的T較長(zhǎng)（可長(zhǎng)到10-3秒），分子容易T1態(tài)上積累并產(chǎn)T1T2吸收躍遷，增加激光損耗，克服三