可調諧激光器

可連續改變激光波長的激光器

在一定範圍內可以連續改變激光輸出波長的激光器(見激光)。這種激光器的用途廣泛,可用於光譜學、光化學、醫學、生物學、集成光學、污染監測、半導體材料加工、信息處理和通信等。

目錄

正文


實現激光波長調諧的原理大致有三種。大多數可調諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質。構成激光器的諧振腔只在很窄的波長範圍內才有很低的損耗。因此,第一種是通過某些元件(如光柵)改變諧振腔低損耗區所對應的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(如磁場、溫度等)使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應實現波長的變換和調諧(見非線性光學、受激喇曼散射、光二倍頻,光參量振蕩)。屬於第一種調諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調諧高壓氣體激光器和可調諧準分子激光器。
染料激光器 工作物質是有機染料,其能級由單重態(S)和三重態(T)組成。S和T又分裂成許多振動-轉動能態,在溶液中這些能態還要明顯加寬,因此能發出很寬的熒光。
可調諧激光器
可調諧激光器
可調諧激光器
可調諧激光器
圖1、圖2為染料激光器的典型結構示意圖和幾種染料的典型調諧範圍。圖1中用Nd:YAG激光經過倍頻之後產生的 5320埃激光作為泵浦源去激勵染料。在振蕩器部分,條紋間距為d 的衍射光柵和輸出鏡構成諧振腔。這時,只有波長滿足2dcosθ=mλ,m=0,1,2,… 的光束才具有低的損耗,能形成激光振蕩。因此,旋轉光柵(改變θ角),就能改變輸出激光的波長。在諧振腔內還插入一個放在壓力室中的標準具。改變壓力室中的氣壓,可使標準具中氣體的折射率隨之而變,從而獲得輸出波長的精細調諧。圖中還有一級放大,以增加輸出激光的功率。
一般染料激光器的結構簡單、價廉,輸出功率和轉換效率都比較高。環形染料激光器的結構比較複雜,但性能優越,可以輸出穩定的單縱模激光。
染料激光的調諧範圍為0.3~1.2微米,是應用最多的一種可調諧激光器。
金綠寶石激光器 一種固體可調諧的激光器。金綠寶石中Cr3+的能級見圖3。發射激光的波長取決於哪個振動能級是激光躍遷的終端。振動能級帶與激光的可調諧範圍相對應。金綠寶石激光器的閾值低,效率高,輸出功率高,可在室溫下工作,調諧範圍7000~8000埃。
可調諧激光器
可調諧激光器
色心激光器 色心是晶體中正負離子缺位引起的缺陷。已獲得激光工作的色心主要有
可調諧激光器
可調諧激光器
、FA(Ⅱ)、FB(Ⅱ)、(
可調諧激光器
可調諧激光器
)A、(
可調諧激光器
可調諧激光器
)* 等,屬四能級工作,由於晶格振動的影響而有很寬的熒光線寬。色心激光器調諧範圍寬(0.6~3.65微米)、線寬窄,但大都只能在低溫下工作。
可調諧高壓氣體激光器 CO2激光器是研究得最多的一種紅外可調諧激光器。當激光器內的壓力增加時,由於碰撞加寬,CO2分子的振動-轉動能級中的支線都加寬以致重疊,因而獲得連續調諧的性能。高壓CO2激光器已實現9~12.5微米的寬頻可調諧輸出。
可調諧激光器
可調諧激光器
可調諧準分子激光器 準分子是一種在激發態複合成分子、在基態離解成原子的不穩定碲合物。由其能級示意圖(圖4)可以看出,對應於核間距為R0的基態分子是極不穩定的,會很快分解成獨立的原子。因此,在R0附近,激發態與基態之間很容易建立起粒子數反轉而產生激光振蕩。準分子激光器已實現了紫外波長可調諧輸出。
參考書目
A.Mocradiun et al., eds., Tunable Lasers and Applications, Springer-Verlag, New York,1976.