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1、=71激光器的基本原理激光器是20世纪60年代出现的一种新型光源。激光具有四大特性：单色性好、 方向性好、相干性好、能量集中。1.1激光激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。处于激发态的原子 是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。而在 有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。激光是通过受激 辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、 受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。为了 能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多 于低能态的原子数。我们把这种不同于平
2、衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分 布。也就是，要产生激光，必须实现粒子数反转分布。1.2激光器的基本结构与工作原理粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产 生激光还必须满足三个条件：第一、要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活 介质（这类物质具有合适的能级结构）；第二、要有必要的能量输入系统给激活 介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一 系统称作激励能源（或泵浦源）；第三、要有光的正反馈系统一一光学谐振腔， 当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于 受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以
3、一个副长光子感 应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性 和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。因此，如图1所示，常用激光器由 三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐振腔。漱励能源圏1激光器的基本组成结构只有具有亚稳态的物质才有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。因此， 激活介质中必须存在一种特殊的能级亚稳态能级。如图2所示，在外界能源的激励下，基态E1上的粒子被抽运到激发态E3上，因而基态E1上的粒子数 N1减少，由于激发态E3的寿命很短，粒子将通过碰撞，很快地以无辐射跃迁的 方式转移到亚稳态E2上，由于亚稳态E2寿命较长，其上就积累了大量粒子， N2不断增加
4、。一方面N1不断减少，另一方面N2不断增加，以致N2大于N1, 于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。利用处在亚稳态下的激 活物质制成放大器，当有外来光信号输入时，光就被放大。受激辐射后产生的放 大是杂乱无章的，要使它变成激光，需要选取一定传播方向和一定频率的光信号, 在最优越的条件下进行放大，同时将其它方向和频率的光信号抑制，使获得方 向性和单色性很好的强光激光。因此可以在激活介质两端安放具有选择性的光学谐振腔来达到这一目的。1 ;L*11F3无辐射跃迅7_（小三级能圏1无辐射趾迁A2i万12r1r*E2E_血）四级能圏圏2漱话介质的两种工作模式1.3激光产生的条件综上所述可知，
5、产生激光的条件有工作物质在激励能源的激励下实现粒子数 反转分布和光学谐振腔使受激辐射不断放大。除此之外，还必须满足增益条件。我们用增益系数G来描述介质对光的放大能力，只有在谐振腔中实现激光振荡 不断加强才能产生激光，而要实现激光振荡不断加强的必要条件是：RlR2e2Gll 其中Rl，R2为谐振腔两镜的反射率，11为发出光强，1为腔长。对于给定的光 学谐振腔Rl，R2和1固定，因此，要想实现激光振荡加强，增益系数G必须大 于R1R2e2G1 =1时的增益系数Gm,即GGm。2飞秒激光脉冲的产生飞秒光脉冲是指持续时间为10-12s10-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有 极高的峰值功率，很宽的光谱
6、宽度和极短的激光发射时间等特点。2.1飞秒激光脉冲技术211锁模技术产生飞秒激光的通用技术是激光锁模技术。一般来说，激光跃迁有一个有 限的线宽，在这整个线宽内它能提供光增益，所以激光发射同样也有一个有限光 谱宽度/v。在增益带宽内含有大量模频率，如果激光器在许多频率上独立运转, 则由于相位的随机性而无法产生超短脉冲。为了产生超短脉冲，各个模式必须相 位锁定，使它们在空间的某点相长相加，而在别处相消相加。如图4所示，通常, 锁模方法有两种：主动锁模和被动锁模。主动锁模技术是在激光腔内放置一个激 光调制器，该调制器的调制信号是与激光束往返时间匹配的时钟信号，因此激光 经过这种调制器后，其光电场幅度
7、或相位受到调制，从而实现激光锁模；被动锁 模技术是通过放置在激光腔内的与光强有关的非线形器件对激光场本身产生自 动调制来实现锁模的。$ * 预大器 调制器 锁大器 非线形损耗 RlMK1冏逗)0)圏：主动锁複倒和碱动锁模(b)212选模技术基模与咼阶模相比，具有亮度咼、发散角小、径向光强分布均匀等特点。谐 振腔内达到振荡条件的纵模数决定激光的单色性，在某些重要的应用当中，都要 求纵模数被限制在某一范围内，以保证足够的单色性和空间相干性。然而，大多 数激光器的输出总是多模的，为了达到某些特定的使用要求,必须采用选模技术， 以获得单基模输出。横模选择技术激光振荡的条件是增益系数G必须大于损耗系数a
8、。横模选择的实质是使基 横模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡受到抑制。对稳定腔来说，一般的选横 模措施是合理地选择腔的几何结构参数，并在谐振腔中插入一个适当光孔尺寸的 光阑，以抑制高阶横模振荡，获得基横模输出。而非稳定腔，它不仅具有模体积 大的优点，而且其自身的横模选择能力较强，相邻横模之间有较大的损耗差异， 因此容易实现大模体积的基横模运转。纵模选择技术为了达到纵模选择的目的，一般可采取两种方法：干涉选模法和纵模选择增 强法。前者利用腔内的法布里一珀罗（F-P ）标准具或复合腔等措施，使得激光 器主振荡模得以加强，而抑制其它纵模达到振荡阀值，后者是采用改变系统的某 些参数的方法进一步增强谐振
9、腔中已具备的选模作用。213调Q技术调Q技术是激光发展史上的重要突破之一，其特点是将激光能量压缩在很 短的时间内发射，从而很大的提高了激光脉冲的亮度和功率。调Q技术是借助 某种措施，调节谐振腔的损耗，使受激辐射迅速地形成和增强，从而输出强大的 激光脉冲。这种调节谐振腔的损耗实际上是调节谐振腔的品质因数Q值，因此， 使腔内损耗突变以形成巨脉冲的技术称为调Q技术。214稳频技术在许多实际应用中，不仅要求激光器实现单频输出，还要求输出光脉冲的频 率本身稳定，为了达到这一目的，就必须采用稳频技术。通常用频率的稳定性和 复现性这两个物理量来描述激光频率稳定的程度。激光频率的稳定方法大体上分被动式稳频和主
10、动式稳频两大类。前者是将激 光器谐振腔反射镜之间的间隔器采用膨胀系数小的材料制作，同时对整个激光器 谐振腔系数进行恒温控制。也可选用膨胀系数分别为正和负的两种材料以一定长 度比例组合成谐振腔间隔器，在一定的温度范围内，两种材料的长度变化相互补 偿。后者是在稳频激光器中安放一个反射镜，当激光器的频率偏离特定的标准频 率时，通过一伺服控制系统，将频率的偏离变成驱动压电陶瓷的误差信号，由压 电陶瓷的伸缩来控制腔长，使其振荡频率重新靠近特定的标准频率，以达到稳频 的目的。2.2飞秒激光脉冲的产生现在以掺钛蓝宝石飞秒激光器为例，讨论飞秒激光脉冲的产生原理。飞秒钛宝石激光振荡器，或简称“飞秒激光器”，是利
11、用钛宝石的增益特性 产生飞秒量级超短脉冲激光的装置。一台典型的飞秒激光器的主要结构包括泵浦 源、增益介质和光谐振腔三个组成部分，如图1中所示；由泵浦源所发射的泵浦 激光入射到钛宝石晶体上，产生反转粒子；平面镜M1和半透镜0C构成谐振 腔,腔内两个曲率半径相同的凹面镜M2、M3起到聚焦的作用；此外，在激光腔 内还要有专门的色散补偿装置-切成布儒斯特角的棱镜对P1、P2。图1飞秒钛宝石激光振荡器3飞秒激光器的基本特点飞秒激光器的主要特点是超高速和超强电场。飞秒激光脉冲的峰值功率非常 高，一旦将这种光聚焦到很小的范围内就有可能无热影响地照射材料使其直接电 离，从而产生强大的电场和磁场。飞秒激光照射在
12、材料上时，材料对光子的吸收 机理与普通激光加工时的光子吸收机理不同。如图8所示，在普通激光加工当中, 能量低时光子则不被吸收，而飞秒激光的光子密度较大，即使单光子的能量比吸 收光谱的能量小也可能被材料吸收。飞秒激光加工通过聚光透镜的聚光点产生多 光子吸收，从而实现对材料内部的加工。而且飞秒激光照射时不会产生热变形和 热变质等损伤，也不会对随温度升高而产生物理变化的半导体材料、脆性材料造 成损伤，并可实现高精密加工。4飞秒激光器的发展现状与前景4.1飞秒激光器目前主要存在四大类别：其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。不同染料可以输出不同波长的 飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红外波段,但最有
13、效的还是集中在红光波段。 随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段 已经失去了竞争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间 分辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。其二是以掺钛蓝宝石，Li： SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒固体 激光器。由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量和 更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染料激光器，加 之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使得飞秒固体激光器在很短 的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。其三是以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激
14、光器。超短脉冲半导体激光器 的研究在很长时间里始终没有跨越皮秒级，直到将多量子阱材料引入到短脉冲半 导体激光器中，才使超短脉冲半导体激光器成为飞秒激光家庭中的重要成员。飞 秒半导体激光器主要应用于高比特多路通信，超长距孤子光纤通信等领域。其四是以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光纤激光器。其主要特点 是结构紧凑，小巧，高效率，低损耗，负色散和全光学，其波长适用于光通信， 特别适用于孤子传输的研究。4.2飞秒激光器的发展方向飞秒激光器的发展主要有两个方向：一个是脉冲宽度的进一步压缩；另一个 是增益介质的选取。而目前的发展主要体现在增益介质的选取上。5飞秒激光器的应用飞秒激光的最直接应用是人
15、们利用它作为光源,形成多种时间分辨光谱技术 和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研 究进入微观超快过程领域，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒化学、量子控制 化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合，使人们可以研究 半导体的纳米结构（量子线、量子点和纳米晶体）中的载流子动力学。在生物学方 面，人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术,研究光 合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的 传输、处理与存贮方面飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说， 持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加 工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有 几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔 融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生 物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。 一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷 油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。
