第一章  激光器原理

可以肯定地說：本世紀(jì)最后的偉大發(fā)明之一是激光技術(shù)。它自一九五八年問世以來，已經(jīng)逐步地然而是堅(jiān)定地滲透到了科研、軍事、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。不是嗎？看看我們的周圍，你就可以輕易地找到它應(yīng)用的實(shí)例：醫(yī)院中的激光診斷及激光治療機(jī)、商店中的條碼識(shí)別器、辦公室中的激光打印機(jī)、把我們與世界各地聯(lián)結(jié)在一起的光纖等等，就是在我們的家中也有它的身影：激光唱機(jī)、激光影碟機(jī)。

人類發(fā)明了多種多樣的激光器。諸如：氣體激光器（He-Ne激光器、CO2激光器等）、固態(tài)晶體激光器（紅寶石激光器、釹玻璃激光器等）、離子激光器（氪離子激光器、氬離子激光器等）、染料激光器（甲酚紫激光器、螢光素激光器等）、超輻射激光器（氮分子激光器等）以及半導(dǎo)體激光器（砷化鎵半導(dǎo)體二極管等）等等。

在世界的許多地方，幾乎所有的商品激光器都在制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。CO2激光器的主要用途就是各類工業(yè)激光加工設(shè)備，作為固態(tài)晶體激光器的Nd: YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器的最大應(yīng)用便是在激光打標(biāo)領(lǐng)域。

1.1 激光原理

我們知道，物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成的（見圖1.1）。每一個(gè)電子都沿著自己特定的軌道繞原子核高速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定于電子所處的能級(jí)。原子吸收能量后，電子的旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)增加，電子的能級(jí)就會(huì)提高；原子釋放能量后，電子的旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)減小，電子的能級(jí)就會(huì)降低。每個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的能量。電子所具有的能量是不連續(xù)的，也就是說原子的能級(jí)是量子化的。原子只有吸收了兩個(gè)能級(jí)之間差值的能量才會(huì)提高一個(gè)能級(jí)，電子在能級(jí)之間的變動(dòng)現(xiàn)象稱為躍遷。同樣，當(dāng)原子躍遷到較低能級(jí)時(shí)，會(huì)釋放出兩個(gè)能級(jí)之間差值的能量。原子的最低能級(jí)為E0，高的能級(jí)依次為E1、E2、E3、……，高的能級(jí)稱為上能級(jí)，低的能級(jí)為下能級(jí)。處在能級(jí)E0的原子稱為基態(tài)原子，其它能級(jí)稱為激發(fā)態(tài)（見圖1.2）。

原子可以吸收光子來獲得能量，當(dāng)然這個(gè)光子必須具有與原子能級(jí)差相等的能量（例如：E1-E0）原子只能吸收帶有幾個(gè)能量的光子。光子的能量決定于光子本身的波長。所以，原子只能吸收幾個(gè)特定波長的光子。

正常情況下，原子吸收能量后會(huì)在上能級(jí)停留一段時(shí)間（這一時(shí)間被稱為原子的上能級(jí)壽命），然后向任意一個(gè)方向發(fā)射一個(gè)光子并返回基態(tài)。這一現(xiàn)象稱為原子的自發(fā)發(fā)射。對(duì)這一現(xiàn)象，圖1.3作了形象的描述。

圖1.1 原子的結(jié)構(gòu)

圖1.2 原子的能級(jí)

若在激發(fā)態(tài)原子的附近，恰巧有一個(gè)光子經(jīng)過，這個(gè)光子又恰好具有原子上下能級(jí)之差的能量，那么這個(gè)原子就有可能受到外來光子的激勵(lì)而發(fā)出一個(gè)光子，原子自身則在發(fā)射后返回基態(tài)。原子的這種因受到外來激勵(lì)而發(fā)射的情況，稱為原子的受激發(fā)射（圖1.4）。原子受激發(fā)射所放出的光子與外來的激勵(lì)光子在能量、波長、相位等方面完全相同。

以上是單個(gè)原子能級(jí)的變化情況。

對(duì)于大量原子的情況，在通常條件下，大多數(shù)原子總是分布在基態(tài)上，其余原子總是從低能級(jí)到高能級(jí)遞減分布。這一分布規(guī)律就是通常所說的波爾茲曼分布。在圖1.5中，縱坐標(biāo)表示原子的能級(jí)，橫坐標(biāo)表示在各能級(jí)上原子的分布數(shù)量。如果我們加熱這些原子，會(huì)使處于上能級(jí)的原子數(shù)量有所增加。但不管如何加熱這些原子，在原子群達(dá)到新的熱平衡后，上能級(jí)的原子數(shù)量總是少于下能級(jí)的原子數(shù)量。若我們想辦法強(qiáng)迫下能級(jí)的原子躍遷到上能級(jí)，而同時(shí)保證上能級(jí)的原子不很快地發(fā)射而返回到下能級(jí)，就會(huì)人為地造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)再用激勵(lì)光子去激勵(lì)上能級(jí)原子，使其產(chǎn)生受激

圖1.5 原子在各能級(jí)上的分布

發(fā)射。在受激發(fā)射的同時(shí)，要設(shè)法使下能級(jí)的原子持續(xù)地躍遷到上能級(jí)，以維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射能夠持續(xù)地進(jìn)行下去。受激發(fā)射所產(chǎn)生的光子都具有相同的波長、方向及相位，所以受激發(fā)射的光是很強(qiáng)的。這就是激光。激光這個(gè)詞是從英文原文“LASER”一詞翻譯過來的，它的完整的英文原文是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (光輻射受激發(fā)射放大)，“LASER”是它的縮寫。簡單地說：激光器的實(shí)質(zhì)是一個(gè)光放大器。

在實(shí)踐中，要想產(chǎn)生激光，就必須滿足兩個(gè)條件：首先找到能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，也就是激光介質(zhì)；第二要建立一個(gè)諧振腔，使某一個(gè)頻率的能量源（可以是諧振腔外的，也可以是諧振腔內(nèi)的）在腔內(nèi)諧振，在激光介質(zhì)中多次往返時(shí)，有足夠的機(jī)會(huì)去激勵(lì)（泵浦）處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)

圖1.6 激光的產(chǎn)生示意圖

的激光介質(zhì)。只有這樣，才能產(chǎn)生激光。這些受激發(fā)射的光子又去激發(fā)其它原子，一個(gè)變兩個(gè)、兩個(gè)變四個(gè)、四個(gè)變八個(gè)、……，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，光強(qiáng)被雪崩似地放大。因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光。

通常是在激光介質(zhì)的兩端各放置一個(gè)反射鏡來組成諧振腔，以形成光學(xué)反饋。它的作用是將那些沿介質(zhì)長軸發(fā)射的光子反射回介質(zhì)中。兩個(gè)反射鏡中的一個(gè)被有意作成可以透過一個(gè)很小百分比的光強(qiáng)（在激光器中被稱為前鏡，相應(yīng)的另外一個(gè)反射鏡被稱為后鏡），這就是激光輸出（見圖1.6）。

1.2  激光器原理

1.2.1  Nd: YAG激光器原理

Nd: YAG激光器是固態(tài)晶體激光器的一種，它采用Nd: YAG晶體棒作激光介質(zhì)。Nd: YAG晶體是將激光介質(zhì)釹(Nd)原子摻在生晶體釔鋁石榴石(YAG)中，Nd原子在YAG中的最佳含量約為總重量的1％。所以，Nd: YAG晶體的全稱是摻釹釔鋁石榴石晶體。Nd: YAG晶體一般被制作成棒狀，這種材料的制作是很困難的，且價(jià)格昂貴。但由于它具有良好的光學(xué)性能、機(jī)械性能和熱學(xué)性能，所以是高功率激光器的最佳選材之一。

之所以采用氪燈作為激勵(lì)用的泵浦源，因?yàn)樗梢园l(fā)出波長為0.73μm和0.8μm的光線，用這一波長的光來激勵(lì)Nd原子是最為有效的。

將Nd: YAG晶體棒與氪燈并排放置在一個(gè)橢圓型的光學(xué)腔內(nèi)，光學(xué)腔的內(nèi)表面形狀是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，以便保證氪燈發(fā)出的泵浦光能夠全部聚集到Nd: YAG晶體棒的中心軸上。由一個(gè)反射率為100％的反射鏡作后鏡，前鏡的反射率為精心設(shè)計(jì)的90％（透過率為10％），它們共同組成光學(xué)諧振腔，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)諧振。

Nd（釹）原子的能量轉(zhuǎn)移過程分為四步(在圖1.7中對(duì)這一過程有詳細(xì)

圖1.7 Nd: YAG激光器原理圖

的描述)，第一步：Nd原子在氪燈發(fā)出的波長為 0.73μm和 0.8μm泵浦光的激勵(lì)下，處于基態(tài)的Nd原子躍遷到兩個(gè)上能級(jí)中的一個(gè)，原子在這里的上能級(jí)壽命非常短，大約只有10-7 秒，這里稱這一能級(jí)為激發(fā)態(tài)；第二步：原子在激發(fā)態(tài)迅速地進(jìn)行一次無發(fā)射的躍遷，到達(dá)另一個(gè)上能級(jí)，原子在這里的上能級(jí)壽命較長，大約為10-4 秒，這一能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)，原子在這里形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；第三步：當(dāng)原子在這里受激而躍遷到達(dá)下能級(jí)時(shí)，就會(huì)發(fā)射出波長為 1.06μm的光子，這就是激光；第四步：原子在這里再發(fā)生一次無發(fā)射的躍遷到達(dá)基態(tài)，準(zhǔn)備重復(fù)上述過程。

1.2.2  CO₂激光器原理

CO2是三原子結(jié)構(gòu)的線性分子，它有三種振動(dòng)方式，如圖1.8所示。第一種叫做對(duì)稱振動(dòng)（如圖1.8a所示），其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)能量叫做對(duì)稱振動(dòng)能量，其能級(jí)相應(yīng)地稱為對(duì)稱振動(dòng)能級(jí)。第二種叫做反對(duì)稱振動(dòng)（如圖1.8b所示），其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)能量叫做反對(duì)稱振動(dòng)能量，其能級(jí)相應(yīng)地被稱為反對(duì)稱振動(dòng)能級(jí)。第三種叫做形變振動(dòng)，又叫彎曲振動(dòng)（如圖1.8c及c^,所示），這種振動(dòng)有上下、前后兩種形式，這種振動(dòng)的能量叫做形變振動(dòng)能量，能級(jí)被稱為形變振動(dòng)能級(jí)。

圖1.8 CO2分子的振動(dòng)方式

CO2分子有幾個(gè)上能級(jí)，其中只有一個(gè)上能級(jí)在躍遷時(shí)可以產(chǎn)生波長為10.6μm的激光，我們不妨把這一能級(jí)叫做激光能級(jí)（屬于反對(duì)稱振動(dòng)能級(jí)）。由于CO2分子的上能級(jí)壽命長，而且CO2激光器的激光能級(jí)與基態(tài)靠得很近，從而使它有高的效率、低的激勵(lì)能量，并且很容易獲得并積聚大量的受激分子，從而得到高功率、高效率的激光器。

建立CO2激光器能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，把分子激發(fā)到高能級(jí)，一般有以下幾個(gè)基本過程：

⒈電子直接激勵(lì)：放電中具有一定動(dòng)能的電子同處于基態(tài)的CO2分子碰撞，把分子從基態(tài)直接激發(fā)到激光能級(jí)。

⒉串級(jí)躍遷：處于比激光能級(jí)更高的其它反對(duì)稱上能級(jí)也和基態(tài)能級(jí)有聯(lián)系，因此動(dòng)能較高的電子和基態(tài)的CO2分子相碰撞時(shí)，也能把分子激發(fā)到這些能級(jí)上去，在這些能級(jí)上的分子很容易躍遷到激光能級(jí)上來，這是因?yàn)樗鼈兌际欠磳?duì)稱振動(dòng)能級(jí)，而激光能級(jí)又是其中最低的一個(gè)。在較高能級(jí)的分子是不穩(wěn)定的，它們總是力圖向較低能級(jí)躍遷，因此在激光能級(jí)就會(huì)積聚大量的粒子，這就是所謂串級(jí)躍遷。

⒊諧振碰撞：處于更高反對(duì)稱振動(dòng)能級(jí)上的分子還可以通過與基態(tài)CO2分子的碰撞，把能量交給后者使其激發(fā)到激光能級(jí)，而自己成為低一級(jí)的反對(duì)稱振動(dòng)能級(jí)分子。這一類碰撞是諧振的，發(fā)生的幾率很大，對(duì)增加激光能級(jí)的粒子數(shù)有很大的貢獻(xiàn)。

⒋復(fù)合過程：在CO2分子放電過程中，有部分CO2分子分解為CO和O，同時(shí)也存在部分CO和O復(fù)合成CO2分子的過程，在它們復(fù)合時(shí)會(huì)把原來分解時(shí)吸收的能量放出，因此復(fù)合而成的CO2分子就會(huì)被這部分能量激發(fā)到激光能級(jí)。

以上這四種基本過程是CO2分子被激發(fā)到激光能級(jí)去的四條途徑。另外，為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以便產(chǎn)生受激輻射，還必須抽空下能級(jí)。

CO2激光器按激勵(lì)方式可分為橫向激勵(lì)激光器、氣動(dòng)激光器、化學(xué)激勵(lì)激光器、射頻激勵(lì)激光器，等等。

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