第四节 红宝石激光器

　　红宝石激光器是世界上最早实现激光输出的器件，它是一种输出波长为694.nm（红光）的脉冲器件。它具有输出能量大、峰值功率高、结构紧凑、使用方便等优点。目前已广泛应用于打孔划片、动态全息、信息存储等方面。

一、红宝石激光器结构

　　固体红宝石激光器通常由工作物质、谐振腔、泵浦光源和聚光腔所组成，图19－16是红宝石激光器结构示意图。



图19－16

　　1．工作物质。红宝石激光器以掺杂离子型绝缘晶体红宝石棒为工作物质。红宝石激光晶体是以刚玉（或称白宝石）单晶为基质，掺入金属铬离子（Cr³⁺）为激活粒子所组成的晶体激光材料。呈淡红色，其掺杂波度一般为0.05％（重量）。工作物质要求有较好的光学质量。

　　在红宝石晶体中，Cr³⁺的吸收带有两个，分别在410nm和560nm波长附近，吸收带宽度约为100nm波长左右。

　　2．光泵。红宝石激光器采用光激励，脉冲激光器中一般采用发光效率较高的脉冲氙灯。

　　脉冲氙灯用石英管制成，两端用过渡玻璃封以钍钨电极，管内充以300-500Torr氙气。灯管由高压充电电源和高压触发器控制点燃。



图19－17

　　3．聚光腔。为了使光泵的光更集中地照射在激光棒上，常用的聚光腔有：圆柱面聚光腔、单椭圆柱面聚光腔、双椭圆柱面聚光腔，见图19-18(a)、(b)、(c)。为提高对光线的反射率聚光腔常采用黄铜或不锈钢材料制成，内壁经抛光处理后镀银。



图19－18

　　4．光学谐振腔。红宝石激光器谐振腔多采用平行平面镜腔，全反射镜是反射率为99％以上的多层介质膜，输出镜透过率为50％以上。近年来，为了减小激光光斑尺寸，也有采用平凹腔结构的，全反射镜采用凹球面镜，其曲率半径约为腔长的3－4倍。

二、红宝石激光器的激发机理

　　红宝石晶体中发射荧光并由此形成激光的是铬离子Cr³⁺，称为激活离子。其参与激光作用的能级结构，如图19－19所示。图中4A₂是基态（对应三能级系统的E₁），2E能级是亚稳态（对应于三能级系统的E₂），4F₁和4F₂是两个吸收带能级（对应三能级系统的激发态E₃）。从4A₂向4F₁、4F₂的跃迁，对应两个强吸收带，中心波长分别约为410nm和560nm，吸收带宽约为100nm。



图19－19

　　红宝石晶体中Cr³⁺的亚稳态2E能级，实际由2A和E两能级组成。在强光照射下有两条荧光谱线R₁和R₂（见图19－20）。R₁和R₂分别对应于E→4A₂2A→4A₂的跃迁。R₁和R₂对应的谱线波长为694.3nm和692.9nm；相对强度7：5，线宽都为11cm^-1。



图19－20

　　红宝石晶体在光泵激励下，处于其态4A₂的Cr³⁺，吸收能量后跃迁到激发态4F₁和4F₂上，粒子在4F₁和4F₂上的寿命很短，约为10^-9s。由于晶体内部晶格振动，大部分粒子通过无辐射跃迁，到达亚稳态能级2E上，因其能级寿命较长，约为3×10^-3s。因此2E上积累大量粒子，在2E与4A₂（基态）间形成粒子数反转分布，受激辐射将产生694.3nm和692.nm的谱线输出。由于R₁线（λ=694.3nm）比R₂线（λ=692.9nm）的荧光强度大，R₁线先达阈值输出激光。因此，通常红宝石激光器的输出波长为694.3nm。

三、红宝石激光器的工作特性

　　1．温度对输出特性的影响。激光器工作过程中，由于各种原因会造成工作物质温度升高，红宝石晶体的荧光量子效率（η_F）会随温度的升高而降低。低温时，η_F接近1，红宝石晶体室温时η_F=0.7，一般为0.5；在300℃时η_F下降到0.1。η_F减小，激光增益减少，阈值升高，效率会降低。

　　另外晶体温度的变化会引起激光波长的变化，造成谱线加宽，导致激光工作的不稳定。因此，通常在腔内需采用冷却降温措施。

　　2．时间特性。红宝石激光器在氙灯点燃约0.5ms后开始产生激光，一直要持续到氙灯闪光脉冲结束，持续时间约为毫秒量级。在激光脉冲中将出现一尖峰。脉冲系列，各尖峰的时间间隔约为微秒量级（图19－21）。



图19－21

　　3．偏振特性。当红宝石晶体的棒轴方向与晶体光轴c方向平行时，输出激光为自然光。

　　若棒轴与c轴成90°或60°夹角时，输出激光为电矢量垂直c轴的线偏振光。

[时间：2001-12-11  作者：许鑫　杨皋  来源：《印刷应用光学》·第十九章 印刷中常用的激光器]