第一节　基本原理

一、激光的产生

1.自发辐射和受激辐射

物质与光的相互作用与组成物质的基本粒子（分子、原子或离子）的运动状态有关，即基本粒子的内能变化有关。一定的运动状态具有确定的能量，对应一定的能级。基本粒子的能级是不连续的，这是一切微观粒子所共有的属性。基本粒子的能级中，能量最低的能级称为基态，其他能级称为激发态。处于基态的基本粒子吸收能量后，将被激发跃迁至激发态。激发态不稳定，将会在很短的时间（约10-8秒）内返回基态，产生辐射。激发态返回基态产生的辐射有自发辐射（spontaneous radiation）和受激辐射（stimulated radiation）两种。

自发辐射：

受激发的粒子完全不受外界作用，仅由其本身运动导致的由高能级向低能级的跃迁称为自发跃迁。伴随自发跃迁而产生的辐射称为自发辐射。自发辐射是随机发生的，与外界条件无关，过程无法控制。日常接触到的各种普通光源，如电灯、高压汞灯、日光灯、氙灯等发出来的光，都是由自发辐射跃迁产生的。在普通光源中，许多粒子各自进行自发辐射，发出的光方向不一致，初相位也不同，相干性很差（图10-1）。

受激辐射：

用一个具有一定能量的光量子照射已经处于激发态的粒子，会诱使粒子从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一个光子。这种辐射称为受激辐射（图10-2）。受激辐射是由外来光子带动而产生的，所以受激辐射跃迁产生的光子与外来光子具有完全相同的特征，即方向、频率、相位及偏振特性完全相同。受激辐射的发光机制有两个特点：一是系统中各发光中心是相互关联的；二是每发生一次受激辐射，光子数目就增加一倍，即所谓的受激放大。受激辐射和受激放大是形成激光的重要基础。

只有外来光子的频率和粒子的相应能级相当时，才能发生受激辐射。此外，受激辐射的概率还与粒子的能级寿命有关。粒子停留在激发态的平均时间称为粒子在该能级的平均寿命，简称能级寿命，用τ表示。由于粒子的内部结构不同，其各能级的能级寿命不同。有的能级寿命很短，约10-9秒，有的却很长，达几毫秒。寿命很长的能级称为亚稳态能级（metastable level）。能级寿命短，自发跃迁的概率大；能级寿命长，自发跃迁的概率小。显然，只有具有亚稳态能级的粒子才有可能产生激光。在氦原子、氖原子、氩离子、铬离子、钕离子、二氧化碳分子及许多有机染料分子中都有这种亚稳态能级。

2.粒子数反转分布

在吸光介质中，光的吸收和受激辐射这两个相互矛盾的过程共存。前者使光子的数目减少，后者使光子的数目增加。光吸收过程和受激辐射过程何者占支配地位，主要取决于粒子按能量的分布情况。在正常情况下，根据玻尔兹曼分布，处在基态的粒子数目总是远远大于处在激发态的粒子数目。因此，光吸收占主导地位。欲使受激辐射占优势，就必须采取某种方法使粒子在能级上的正常分布倒转过来，也就是使激发态的粒子数目大于基态的粒子数目，实现所谓的粒子数反转分布（inverted population）。这种使粒子数的正常分布发生反转的过程称为光抽运（optically pumped）或激励（也称泵浦）。常用的光抽运方法有用光照射工作物质，或用电能、化学能来激励工作物质。例如，气体激光器一般采用2000～4500V的直流电使气体放电进行光抽运。

下面以红宝石激光器为例说明激光器的激发、跃迁及粒子数反转的建立。红宝石是由少量氧化铬掺入氧化铝晶体组成，当用脉冲氙灯作为激励能源照射红宝石时，大量处于基态能级（E₀）的铬离子被激发到激发态能级（E₂），由于E₂的能级寿命很短，发生自发跃迁的概率很大，很快以无辐射跃迁的形式跃迁到能量较低的激发态能级（E₁），E₁是亚稳态，寿命很长，自发跃迁概率很小，因此，大量铬离子处于该能级。当氙灯的光足够强时，就可能使处于E₁的铬离子数超过处于E₀的铬离子数，这样就实现了粒子数的反转分布（图10-3）。

粒子数的反转分布是使受激辐射占主导地位的前提，也就是受激放大的条件。当一定特征的光通过粒子数反转分布的工作物质（称为增益介质）时，由于受激辐射占主导地位，产生了大量特征完全相同的光子，使输出的光强超过入射的光强，产生了受激放大。这种放大作用可表示为

式中，I₀为初始光强；I为通过长度L的增益介质后的光强；G为增益系数，即通过单位长度增益介质后光增强的百分数，由增益介质的性质和激励能源的能量或功率所决定；L为增益介质的长度。

由上式可知，增益系数G越大，增益介质长度L越长，激励光强越强，受激放大作用越显著。

3.激光振荡

在增益介质两端装上反射镜，光就在反射镜之间来回多次反射，相当于增加了增益介质的长度，使受激发射光强I急剧增大，形成光放大，这种现象称为激光振荡。要产生激光振荡，两个反射镜之间的光必须是驻波，波节在两个反射镜处。此外，光在反射镜之间来回所产生的增益必须超过由于偏离光轴、反射镜的漫反射和吸收等造成的损失，也就是超过激光产生的阈值条件。这也就是产生激光的必要条件之一。

二、激光器

如果采取适当的方法和装置，使受激辐射以一定的方式持续进行，形成一种光的受激辐射振荡器，就可以持续发射大量特征相同的光子（激光），这种装置就是激光器。

（一）激光器的组成

一般激光器由激励能源（泵浦源）、工作物质（增益介质）和光学谐振腔三部分组成（图10-4）。

激励能源：将处于低能级的粒子泵浦到高能级上去，实现粒子数反转分布。激励能源的种类很多，有光能（如氙闪光灯、氮分子激光器等）、电能、化学能、热能和电子束等。

工作物质：能够实现粒子数反转分布的物质。它可以是固体（如晶体、半导体等）、液体或气体。

光学谐振腔：由两块相互平行的反射镜组成，置于工作物质两端。这两块反射镜相对面上镀有多层介质膜，一块是全反射，另一块是部分反射。谐振腔的两块反射镜使受激辐射的光在平行于腔轴的方向上反馈和振荡，使光强反复放大，最后通过部分反射镜输出激光。谐振腔在保证激光的强度、方向性和单色性方面具有重要作用。

（二）激光器的类型

激光器种类很多。按工作物质可分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器和光纤激光器等。

1.固体激光器

以固体为工作物质，以光能为激励能源。固体激光器的工作物质由能产生受激发射作用的金属离子（激活离子）掺入晶体或玻璃体等基质制成。激活离子主要有：过渡金属离子（如Cr3+）、稀土元素离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）、锕系元素离子（如U3+）。固体激光器常用的工作物质有：红宝石、钕玻璃、掺钕的钇铝石榴石（YAG）等。固体激光器常用的激励能源有：脉冲氙灯、氪弧灯等。固体激光器多以脉冲氙灯作为激励光源。其工作方式可以是连续的，也可以是脉冲的，输出波长范围从2.69μm的红外波段到550nm的可见区域。固体激光器具有体积小、使用方便、输出功率大的特点。缺点是输出激光的单色性和稳定性方面不如气体激光器。

2.气体激光器

以气体为工作物质，以电能为激励能源。通过气体放电使电子与原子（离子或分子）相互碰撞实现粒子数反转而产生激光。气体激光器又可分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器四种。

（1）原子气体激光器：

包括各种惰性气体和金属蒸汽激光器。其中以氦氖（He-Ne）激光器最为成熟。氦氖激光器是以氦、氖混合气体为工作物质，利用电激励方式，首先把氦原子由基态激发到激发态，由于氦原子的激发态能级寿命较长，可以与基态的氖原子发生碰撞，使氖原子激发并实现氖原子的反转分布。氖原子在谐振腔中通过受激辐射过程主要发出3.39μm、1.153μm和632.8nm三个波长的激光。

（2）离子气体激光器：

主要包括氖、氩、氙、氯、氮、氧、碘、汞等离子。其中以氩离子（Ar+）激光器最常用。氩离子激光器可以产生10种波长的激光，其中最强的是488nm（蓝光）和514.5nm（绿光）。Ar+激光器是可见光波段上的大功率连续波激光器，除可直接利用这些谱线外，常被用作染料激光器和其他激光器的泵浦源。

（3）分子气体激光器：

是一类效率比较高（可达10%～25%）、能量比较大（可获得几百瓦乃至更高的激发功率）的激光器，其中以红外波段的二氧化碳（CO₂）激光器最为重要。二氧化碳激光器的工作原理和氦氖激光器类似，在其放电管里充入二氧化碳、氦和氮的混合气体，这里二氧化碳和氮是主要工作物质。给放电管通以几十毫安或几百毫安的直流电，将混合气体中的氮分子激发到激发态，激发态的氮分子通过碰撞把激发能传给二氧化碳分子，将二氧化碳分子激发到较高的振动能级上，并实现二氧化碳分子的反转分布。氦原子可以使处于低振动能级的二氧化碳分子数减少，增加二氧化碳分子的反转分布程度，提高激光器输出激光的功率。同时，氦还对二氧化碳有冷却作用，可用来防止二氧化碳气体温度的升高。二氧化碳激光器的输出功率很高，激光波长为10.6μm，属中红外激光。

（4）准分子激光器：

准分子（excimer）是由excited（被激发的）和dimer（二聚体）两个单词组成，意思是受激的二聚体。它是一类特殊条件下的分子，只在电子激发态时处于束缚态，在基态时不稳定会产生离解。作为工作物质的准分子基本可分为多种类型：稀有气体、稀有气体氧化物、稀有气体卤化物、金属蒸汽准分子及金属卤化物准分子等。如稀有气体卤化物准分子包含稀有气体和卤素两种元素。基态下的稀有气体原子电子壳层已被充满，从而保持其化学惰性。当这些原子被激发，由于电子被激发到更高的轨道上而打破了最外层的满壳层电子分布，此时可以与其他原子形成寿命极短（10-13～10-8秒）的分子——准分子。不同稀有气体与卤素的二聚体在解离时会释放不同波长的准分子激光。

与其他激光器相比，准分子激光器的发光机制有其自身的特点。一般激光器是利用工作物质的长寿命激发亚稳态，通过激励使粒子数反转分布而产生激光。而准分子激光器是使基态（或低能态）的粒子数恒为零或保持非常少的粒子达到粒子数反转的目的。如KrF激光器，处于基态的稀有气体Kr不会和其他原子结合，而在激发态可很快和其他原子结合成准分子KrF*。准分子以6纳秒的短自发辐射寿命从激发态回到基态并放出光子。由于基态存在互斥势能，两原子间有强烈的互相排斥力而直接离解。因为工作物质的基态粒子数恒为零，很容易实现粒子数的反转分布。由于采用了这种技术，尽管在紫外范围内激发态能级的寿命极短，仍能制成高效率的准分子激光器。改变准分子激光器的充入气体，可以获得不同波长的激光。准分子激光器发射的激光波长可以从红外一直到真空紫外，但最有实用价值的是高功率、高效率的紫外准分子激光器。

3.染料激光器

以溶解在乙醇、甲醇或水等溶剂中的一些有机染料作为工作物质。其工作原理是：将浓度为10-5～10-3mol/L的染料溶液置于染料池中。当激励光源照射染料溶液时，染料分子从基态跃迁到激发态的较高振动能级上，分子在这些能级的寿命非常短（只有10-12秒），很快把一部分能量传给周围的溶剂分子，本身则无辐射地弛豫到此激发态的最低振动能级上。当分子再从该能级跃迁到基态的较高振动能级时，由于室温时这些能级上的粒子分布几乎为零，因此，形成了粒子数反转分布，产生激光。

影响染料激光器对激光输出的因素很多，在粗略地选择激光波长时，可通过选择不同的染料、溶剂、浓度、温度、酸度、谐振腔的Q值等条件来实现。但要精细地调谐和获得较窄的线宽时，就需要用有波长选择装置的谐振腔。

染料激光器突出优点是输出的激光在很宽的波长范围内连续可调。与其他可调谐激光器相比，染料激光器的设备简单，易于推广。广泛应用于高分辨率光谱学、激光光谱分析、同位素分离、污染物质探测等方面。

4.半导体激光器

以半导体为材料制成的激光器，常用的工作物质有砷化镓（GaAs），砷铝镓（GaAlAs）等。半导体激光器体积小、效率高。其激励方式有电子束照射、光激发及向激光二极管的P-N节注入电流等。半导体激光器多为脉冲式，峰值功率可达几十瓦。它可在0.32～45μm的范围内获得可调谐的激光输出。近年来，半导体激光器在光度分析研究中以其价格低廉、性能优良和操作方便等特性，颇受分析化学家的青睐。

5.光纤激光器

指以掺杂光纤为介质的激光器。激光器的激活粒子是掺杂的稀土元素电离形成的三价离子如铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镱（Yb3+）等。常采用的泵浦源为二极管激光器或钛宝石、YAG等固体激光器。如掺镱（Yb3+）光纤输出波长和调谐范围为0.9～0.95μm、1.06μm、1.07～1.14μm。

此外，按工作方式分，激光器还可以分为连续式、脉冲式、Q突变等几类。脉冲式工作时间短，一般为毫秒数量级，因此输出的脉冲功率很大。连续式由于器件被加热、温度升高，因此输出功率受到限制。Q突变激光器（或称Q开关激光器）是一种脉冲更短、功率更高的激光器，脉冲时间可短至纳秒数量级，其输出功率可达数千兆瓦。它在激光雷达、光学方法产生高温等离子体及许多新型的科学实验中都有重要的应用价值。

随着光谱技术的发展，这些激光器的输出波长不止局限于一个或几个波长，而是所发射的激光波长可以连续改变，可在一定范围内进行调节，称为可调谐激光器，又称波长可变激光器或调频激光器。如半导体激光器、色心激光器和振动能级固体激光器是应用最为广泛的可调谐红外激光器；各种类型的染料激光器和掺钛蓝宝石激光器是可见光区最重要的可调谐激光器；近年来发展的自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。尤其随着非线性光学混频技术的发展，涌现了一些性能良好、更宽波长范围的可调谐激光器，如光学参量振荡器、可调谐拉曼激光器、X射线激光器等（图10-5）。但这些激光器大部分处于实验室阶段，有待于进一步商品化和实际应用。

光学参量振荡器是基于非线性光学混频技术的可调谐激光器，其工作物质为非线性晶体，是以三个光波在合适的非线性材料中的非线性相互作用为基础而获得较大波长范围的可调谐激光器。如果三个波的频率和波矢量满足能量和动量匹配条件，即ω₁=ω₂+ω₃，K₁=K₂+K₃，则一个强的波（ω₁K₁）就能产生并放大其他两个较低频率的波（ω₂K₂、ω₃K₃）。将反射镜放在非线性晶体两端就能构成频率为ω₂或ω₃，或同时有这两个频率的光学谐振腔。利用非线性晶体的双折射特性改变折射率（倾斜或加热晶体）就能够使匹配的频率发生改变并能调谐输出。例如，用较短波长的辐射激励以LiNbO₃晶体为主的光参量振荡器，将温度改变200℃即可获得0.6～3.7μm的可调谐激光。选择透射光谱范围宽且具备充分高参量放大作用的非线性晶体，可获得更大波长范围的可调谐激光。

由于光谱分析是建立在物质的各种光谱基础上，有了波长可以连续改变的激光，就能获得物质的各种激光光谱。因此，可调谐激光器拓展了激光光谱分析的应用范围，对于激光光谱学和激光光谱分析法的研究十分重要。

三、激光的特性

激光器作为一种光源，可发射不同波长的紫外光、可见光和红外光。与普通光相比，激光具有如下特性：

1.单色性好

由于激光产生于受激辐射，而且要符合激光振荡器的条件，所以激光器发射出来的光具有很好的单色性。在普通光源中，以氪同位素（86Kr）灯发出的波长（λ）为605.7nm的谱线的单色性最好，在低温下其谱线宽度（Δλ）为0.00047nm，而氦氖激光器发出的波长（λ）为632.8nm的激光，其谱线宽度（Δλ）小于10-8nm，单色性比氪同位素灯提高了10万倍。

2.方向性强

激光可以看作是一束方向性极强的平行光。这是由于只有在光轴方向往返的光才能被放大。所得到的光束沿光轴方向直线传播，而且发散角很小。

3.相干性好

在普通光源中，各发光中心相互独立，它们之间基本上不存在相位相关关系，相干性很差。相反，激光是受激辐射产生的，各发光中心是相关的，所以激光的相干性很好。

4.亮度高

激光的方向性好，发射光的立体角极小，所以亮度高。例如，红宝石巨脉冲激光器比高压脉冲氙灯的亮度提高了37亿倍。

由于激光的上述特点，以其作为光源的激光光谱分析法为研究原子、分子等物质的含量和精细结构提供了强有力的工具和手段。