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1、第5章典型激光器按工作波段分类远红外、红外激光器可见光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按运转方式分类连续激光器脉冲激光器超短脉冲激光器按工作物质分类固体激光器气体激光器染料激光器半导体激光器5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。图5-1固体激光器的基本结构示意图5.1固体激光器二、红宝石激光器（1）红宝石晶体红宝石的化学表示式为Cr3+:Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体(化学成分
2、是A12O3)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶体。红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr3+密度为ntot=1.58x1019cm-3。红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3后失去外层三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电子组态为3d3。红宝石的光谱特性就是Cr3+的3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子完全暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。Cr3+在很强的晶格场作用下,
3、其能级发生很大的变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析,已确定红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。如图5-3所示。4A2是基态又是激光下能级,其简并度g1=4,2E是亚稳态,它是由能量差为29cm的2A和E二能级组成,其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收能带。图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构红宝石的吸收光谱如图5-2所示。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近,称为紫外带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55μm附近,称为黄绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均
4、约0.1um左右。由于红宝石晶体的各向异性,它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下,其吸收曲线略有差别,见图5-2。图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。通常红宝石激光器中只有R1=0.6943μm线才能形成激光输出。应指出,红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒
5、子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占47%,E能级上约占53%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去,这就加强了R1线,而抑制了R2线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的粒子均将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。但具有
6、很多优点,如:机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器件的输出峰值功率已达
7、数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)YAG,anacronymforyttriumalum
8、inumgarnet)掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(5-
