可調諧雷射器

可調諧雷射器

正文

在一定範圍內可以連續改變雷射輸出波長的雷射器(見雷射)。這種雷射器的用途廣泛，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。
實現雷射波長調諧的原理大致有三種。大多數可調諧雷射器都使用具有寬的螢光譜線的工作物質。構成雷射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雷射的波長。第二種是通過改變某些外界參數（如磁場、溫度等）使雷射躍遷的能級移動。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，光參量振盪）。屬於第一種調諧方式的典型雷射器有染料雷射器、金綠寶石雷射器、色心雷射器、可調諧高壓氣體雷射器和可調諧準分子雷射器。
染料雷射器　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，因此能發出很寬的螢光。

可調諧雷射器

可調諧雷射器

圖1、圖2為染料雷射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雷射經過倍頻之後產生的 5320埃雷射作為泵浦源去激勵染料。在振盪器部分,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，能形成雷射振盪。因此，鏇轉光柵（改變θ角）,就能改變輸出雷射的波長。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，以增加輸出雷射的功率。
一般染料雷射器的結構簡單、價廉，輸出功率和轉換效率都比較高。環形染料雷射器的結構比較複雜，但性能優越，可以輸出穩定的單縱模雷射。
染料雷射的調諧範圍為0.3～1.2微米，是套用最多的一種可調諧雷射器。
金綠寶石雷射器　一種固體可調諧的雷射器。金綠寶石中Cr3+的能級見圖3。發射雷射的波長取決於哪個振動能級是雷射躍遷的終端。振動能級帶與雷射的可調諧範圍相對應。金綠寶石雷射器的閾值低，效率高，輸出功率高,可在室溫下工作,調諧範圍7000～8000埃。

可調諧雷射器

色心雷射器　色心是晶體中正負離子缺位引起的缺陷。已獲得雷射工作的色心主要有、FA(Ⅱ)、FB(Ⅱ)、()A、()* 等,屬四能級工作，由於晶格振動的影響而有很寬的螢光線寬。色心雷射器調諧範圍寬(0.6～3.65微米)、線寬窄,但大都只能在低溫下工作。
可調諧高壓氣體雷射器　 CO2雷射器是研究得最多的一種紅外可調諧雷射器。當雷射器內的壓力增加時，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雷射器已實現9～12.5微米的寬頻可調諧輸出。

可調諧雷射器

可調諧準分子雷射器　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雷射振盪。準分子雷射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.

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