第三章 激光与光电子器件 激光器的分类： ① 按工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光器、 半导体激光器、自由电子激光器等 ② 按运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激 光器、稳频激光器、可调谐激光器、单模激光器、多 模激光器、锁模激光器、Q开关激光器 ③ 按激光波长：红外激光器、可见光激光器、紫外激光 器、毫米激光器、x射线激光器、γ射线激光器 ④ 按泵浦方式：电激励激光器、光泵浦激光器、核能激 光器、热激励激光器、化学激光器、拉曼自旋反转激 光器、光参量振荡器等 ⑤ 按谐振腔结构：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激 光器、折叠腔激光器、光栅腔激光器、光纤激光器、 薄膜激光器、波导激光器、分布反馈激光器等。

3.1 气体激光器 气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器。 它是目前种类最多、波长分步区域最宽、应用最广 的一类激光器，有近万条激光谱线，波长覆盖从紫外到红 外的整个光谱区，目前已经扩展到X射线和毫米波波段。 气体激光器的输出光束质量非常高，其单色性和发 散性均优于固体和半导体激光器，也是目前连续输出功率 最大的激光器。具有转换效率高、结构简单、造价低廉等 优点，得以广泛应用。

一、气体激光器的激励方式 大部分气体激光器是采用电激励的方式，在某 些特殊的情况下，也采用热激励、化学能激励、光激 励等其他激励方法。电激励主要有气体放电和电子束 激励两种形式，其中的气体放电是气体激光器最主要 的激励方式。 1.气体放电激励方式 气体放电激励过程是指：在高压电场下，气体粒子 发生电离而导电，在导电过程中，快速电子与气体粒子(原 子、分子、离子)碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子反 转。气体放电可分为直流或交流连续放电、射频放电和脉 冲放电等多种形式。

气体放电中，决定放电情况的基本物理因素是 电子、原子、分子和离子之间的碰撞过程。 有两种基本的碰撞过程决定着气体粒子数反转 分布和维持，第一种过程是电离，这是为了维持放电 必不可少的。第二种过程是激光能级的激发和消激发， 这是建立粒子数反转的必要过程。 气体粒子的电离过程的实现主要决定于参与碰 撞的电子能量.当电子能量达到电离能时，粒子便发 生电离，而气体粒子的激发过程可以是多种碰撞能量 转移形式，主要有能量共振转移、电荷转移和潘宁电 离等。这些形式也称为气体放电中的选择激发过程。 ① 能量共振转移是激发态粒子A*将能量转移给中性粒子 B的碰撞过程，可表示为 式中， E表示A*和B之间的激发能态差，

值 愈小，表明共能量碰撞转移的共振特性愈好。 He—Ne、CO2等激光器的激发过程主要是基于这种激发态粒 子间的能量共振转移。

②

电荷转移是离子A+与中性粒子B的碰撞过程，离子A+获得 电子而成为中性粒子A,中性粒子B则成为正离子B+。其 过程为：

这里， E是A+与B之间的位能差， E愈小，这种能量 转移过程进行得愈顺利，(B+)*表示离子激发态，表明 电荷转移反应往往会同时激发和电离，这种过程是许 多离子激光器的主要激励机制。 ③ 潘宁电离效应是利用激发态粒子间的碰撞，使中性气体粒 子产生电离或电离激发的过程 A*和(B+)*分别是粒子的激发态和离子激发态。潘宁效应的 最大特点是只要A*的激发态能大于中性粒子B的电离或电离激发能， 反应就能顺利进行，这是因为反应的生成物—慢电子把碰撞体系反 应前后的能量差以动能形式所带走。 许多金属蒸气离子激光器的粒子数反转机制，就是基于这种 过程。

④ 直接利用高速电子的碰撞，建立气体粒子的粒子数 反转，是常用的选择激励方式。

这种反应的进行过程取决于电子能量和电子碰撞 激发截面σ的大小。 金属蒸气原子激光器、N2分子激光器、Ar+激光器 等都是采用直接电子碰撞机制作为激励手段的。

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激光器的放电电流对输出功率影响很大。 He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。 激光器的放电电流对输出功率影响很大

11) ① 图(5-11)表示输出功率与放电电流 的关系曲线。曲线表明:在气压比为定值时, 的关系曲线。曲线表明:在气压比为定值时, 每个总气压都存在一个输出最大的放电电 其大小随着总气压的升高而降低, 流,其大小随着总气压的升高而降低,这是 因为气压升高, 因为气压升高,只需要较小的放电电流就能 得到相同的电子密度。 得到相同的电子密度。 在最佳充气条件下， 在最佳充气条件下，使输出功率最大的放 电电流叫最佳放电电流 ② He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳 充气总压强，即存在最佳充气条件。 充气总压强，即存在最佳充气条件。 实验发现，氦气与氖气的分压比为7:1 7:1时是 实验发现，氦气与氖气的分压比为7:1时是 最佳分压比。而总压强在100Pa 400Pa。 100Pa~ 最佳分压比。而总压强在100Pa~400Pa。

图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线

选用He气作辅助气体的原因:Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能 选用He气作辅助气体的原因:Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能 He气作辅助气体的原因 He*与Ne*能级极相近 能级极相近, 级 ；He*与Ne*能级极相近, 易发生能量共振转移 。

③若放电毛细管的直径为d,充气压强为p,则存在一个使输出功率最大的最 佳pd值。

右图给出了在不同的毛 细管内径d和长度l 细管内径d和长度l时, 输出功率与充气总气压 和气压比的实验曲线。 和气压比的实验曲线。 由图可见,内径d不同, 由图可见,内径d不同, 最佳充气压和气压比也 不同。计算可得: 不同。计算可得:当取 最佳充气条件时, 最佳充气条件时,最佳 气压P 气压Popt与毛细管内径 的乘积约为一常数, 的乘积约为一常数,一 般Poptd=480~533Pamm.

在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。 ④在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。