能量(103cm1) 12
4F
其激光上能级E3 3/2，激光下能 级为4I13/2 、 4I11/2，荧光谱线波长为 1.35m、1.06m。
4I 11/2相应于基态E1。
为4F
10
1.06m
1.35m
3/2
8
6
4I 15/2 4I 13/2 4I 11/2 4I 9/2
4
2
0
由于 1.06m 比 1.35m 波长的荧光强 约4倍，所以在激光振荡中，将只产 生1.06m的激光。
§6.2 电泵浦气体激光器
CO2有三种振动方式：对称、弯曲、反对称振动，如图。 l 3 表示 用量子数 1 2
O C O
ν1
O
C O
ν2
O C
ν3
O
图示为与激光有关的振动能级
00011000: 10.6 m 几率大 00010200: 9.6 m
3000
ΔE18cm-1
0001 能 量 2000 / (102m-1) 1000
YLF的主要缺点是机械性能和热性能较差，晶体生长的工艺 难度较大。
4. 五磷酸钕(NdPP)
五磷酸钕是适应固体激光器小型化的需要而发展起来的一种高 掺杂浓度的激光晶体。
特点是Nd3+既是基质的一部分，又是激活离子，最佳掺钕浓度 比Nd3+:YAG高出30倍，且浓度淬灭的影响很小，具有高效、低 阈值等优点。 一种国产的五磷酸钕染料调 Q手持式激光器，五磷酸钕晶体尺寸 为2.5×2.5×2.5(mm3)，激光头重量只有46克，输出脉冲峰值功率 达3MW。 还有其他晶体材料，数量有数十种，各有优缺点。

He:Ne~5:1
§6.2 电泵浦气体激光器
相关激光产生的He、Ne能级如图 633nm：3S22P4 1.15m：2S22P4 3.39m：3S23P4 He-Ne多产生 633nm激光 阴极发射e向阳极运动 同时被电场加速
170
He
21S0
23S1
共振能 量转移
Ne
3S 2S
集居数翻转途径：
a. 基态Ar+直接与电子碰撞4P
再级联辐射4P
15
10 5
Ar+ 基态
3P5
b. 基态Ar+与电子碰撞高于4P能级
Ar
c. 基态Ar+电子碰撞低于4P的亚稳态
再与电子碰撞4P
§6.2 电泵浦气体激光器
Ar电离能量(15eV)和激光上能级的激发能量(20eV)较高，激光运转
碰撞
10.6m
ν=1
9.6m
激发过程：


1000
0200
0000态CO
2与e碰撞直接
0001
0
碰撞
0000态CO2与e碰撞 000n 0001 =0 e碰撞 =1 亚稳态 0000态CO2与N2(=1)碰撞 0001
0110 碰撞 0000 ν=0
§6.2 电泵浦气体激光器
CO2激光器种类
CO2种类较多，主要有4种： 纵向流动、横向流动、封离型、波导
§6.2 电泵浦气体激光器
1. 纵向慢流CO2激光器 结构类似于内腔式He-Ne激光器，气体从放电管的一端流入， 另一端抽出。气流、放电电流均和光轴方向一致。 气体流动的目的是排除 CO 2 与电子碰撞是分解出来的 CO 气 体，并补充新鲜气体。 放电电流密度和气体压强均有一使输出功率最大的最佳值。 在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为50~60W/m。 2. 横向流动CO2激光器 气流方向与光轴垂直，气体流动截面大，流动路径短，因
激光原理与技术
西安电子科技大学 物理与光电工程学院
刘继芳
第六章 典型激光器简介
§6.1 激光器分类
一、按激光器工作物质的状态
1. 固体激光器 红宝石(世界上第一台激光器)、 YAG、钛宝石
2. 气体激光器 He-Ne、Ar+、N2、He-Cd、铜蒸汽
3. 半导体激光器 4. 光纤激光器 GaAs、IP、GaN、
二、Ar 激光器
§6.2 电泵浦气体激光器 +
Ar原子电子组态3P6
b
Ar原子与电子碰撞
基态Ar+
(3P5)
35 30
c 亚稳态 a
3P44P
激光
Ar+ 激发态3P44P、 3P44S有若干 电子组态，其间跃迁有9条谱线。 最强：488nm、515.5nm
3P44S
能 量 25
20
72nm
/ eV
二、按激光器输出方式 三、按泵浦方式
连续激光器、脉冲激光器
光激励、电激励、其他
第六章 典型激光器简介
§6.2 电泵浦气体激光器
一、He-Ne激光器

最早研制成功的气体激光器 在可见光和红外可产生多条谱线， 最强633nm、1.15m、3.39m 气体放电泵浦方式 输出功率依放电管长度 mW~数十mW 工作物质Ne，辅助气体He提高泵浦效率
激光下能态抽空过程：
主要是碰撞过程 1000、0200 态CO2 与0000态CO2碰撞 0100，且 1000、0200 、0100态达热平衡，满足玻尔兹曼分布

0100态CO2与 0000态CO2碰撞返回基态的概率很小 0100态CO2与 基态He碰撞大大减小该能级寿命
CO2激光器谐振腔一般采用平凹腔。高反射镜采用金属镜 输出耦合镜用Ge、GaAs等材料制成
CO2激光器工作物质：CO2、N2、He混合气体 激光跃迁发生在CO2电子基态的两个振动转动能级之间 N2提高激光上能级的激励效率 He帮助抽空激光下能级的。
分子总能量： (1) 电子绕核运动动能 (2) 原子振动动能 (3) 分子转动动能 (3) 分子平动动能 电子能级:振动能级:转动能级=104:102:1 量子化的
§6.2 电泵浦气体激光器
波长选择：
632.8nm、1.15m、3.39m那一条谱线起振，由谐振腔介质膜 反射镜的反射波长选择。
632.8nm 和 3.39 m 两条谱线有相同上能级，其间存在强烈的竞 争。由于G 3 ，较长的632.8nm He-Ne激光器，虽然反射镜对 632.8nm具有高的反射率，仍然会产生较强的3.39m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。
2 3.39m 5 2 632.8nm 5
3P 2P
能 量 /(103cm-1)
160 150 140 130 120
电 子 碰 撞 激 励 11S0
1.15m
1 4 10 1 4 10
1S
自发辐射跃迁
无辐射跃迁
基态He与e非弹性碰撞激发到21S0 21S0为亚稳态，可积累大量He
11S0
基态Ne与21S0的He(He*)非弹性碰撞激发到3S2——共振能量转移 3S2寿命100ns，2P4寿命10ns 3S22P4间形成集居数反转
Nd3+:YAG的能级结构
Nd3+:YAG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这 就使得它适于连续和高重复率工作。 YAG是目前能在室温下连续工作的惟一实用固体工作物质，在中 小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用 Nd3+:YAG的量，远远超过其它固体工作物质。
三、 其它常用的固体工作物质
冷却水
为提高放电电流密度，加 轴向磁场，利用洛仑兹力 约束电子和离子。
反射镜
钨盘 激光 放电电源 回气孔 陶瓷管
磁场Biblioteka 三、CO2激光器§6.2 电泵浦气体激光器
CO 2 激光器的特点： 输出功率大，能量转换效率高，输出波长 (10.6 m) 正好处于大气窗口。应用于激光 加工、医疗、大气通信及其它军事领域。
荧光谱线有两条：中心波长分别为0.6943m和0.6929m 。
二、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
Nd3+:YAG是将一定比例的A12O3、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中进行熔 化，并结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3+)，与 激光产生有关的能级结构如图所示，属于四能级系统。
§6.3 固体激光器
光泵浦灯结构
灯泵浦椭圆腔
§6.3 固体激光器
2. 半导体激光器(LD)泵浦
半导体激光器电光转换效率高，发射谱线正好对准某些激光 材料的吸收峰，泵浦效率高。
端面泵浦方式
如图：
LD
工作物质
M1 M2
侧面泵浦方式
全反射镜
反射板
输出镜
如图：
LD阵列 工作物质
§6.3 固体激光器
端面泵浦结构
侧面泵浦结构
一、红宝石(Cr3+:Al2O3)
红宝石是在 Al2O3 中掺入少量的 Cr2O3生长成的晶体。激活铬离 子(Cr3+)与激光产生有关的能级结构如图所示，属三能级结构。
图2.4-3红宝石中Cr3+的能级结构
能级结构
图2.4-4红宝石中Cr3+的吸收光谱曲线
Cr3+吸收光谱
其激发态E3为4F1和4F2能带，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2 。
§6.3 固体激光器
泵浦方式：
一般采用光泵浦方式！但又可细分为：
全反射镜
工作物质 聚光镜
部分反射镜
1. 灯泵浦

脉冲激光器采用脉冲氙灯 连续激光器采用氪灯或碘钨灯
灯
激光
通常采用椭圆或紧包聚光腔

椭圆聚光腔的结构如图所示：内壁镀有高反射层的 椭圆柱聚光腔中，激光棒和激励灯置于两个焦点上 紧包腔中，激光棒和激励灯贴近平行放置，外裹一 紧包圆柱腔，内壁镀高反射层。
此较低的流动速度就可达到纵向快流的同样冷却效果。而且其