受激发射现象优化：浅谈光子放大发射原理

激光的神秘之处在于它的工作方式，这完全是由于受激发射现象形成的，在1916年^[2]爱因斯坦用数学的方法预言了受激发射现象的存在。受激发射似乎是一个非常深奥的物理现象，直到1928年Ladenburg证实了该现象的存在，他在进行光谱分析工作时观察到了负吸收的现象。然而我们现在意识到这种现象是比较普遍的，每一个发出辐射的物体都存在这种现象。

爱因斯坦通过对高温物体的热辐射分析，假定存在一个辐射项，该项是基于辐射的光子冲击一个激发态的物质，从而导致它释放出激发能，该假定已经被证明是正确的。激光的产生是由于激发态与低能态之间存在能量差，如果能量的改变发生在电子状态或振动量子态之间，那么它发出的激光将会相当地纯，若能降到低能态就有可能产生一波长范围（如准分子激光、钛蓝宝石激光以及其他类型的激光）。

很多材料都表现出受激发射现象，但是只有比较少的材料具有非常大的功率容量，鉴于激光产生的进一步条件是要求粒子数反转，根据这一点，激发态的原子或分子须多于低能态的原子或分子，由此可以获得光放大。为了达到光放大的目的，就要求激发态物质的寿命必须长于低能态物质的寿命。

当前，在材料加工领域已经投入使用的激光器主要有：CO₂激光器，CO激光器，掺钕钇铝石榴石激光器（Nd-YAG），钕玻璃激光器，准分子激光器（KrF、ArF、XeCl）和半导体激光器（GaAs、GaAlAs、InGaAs、GaN和其他激光器）等，在以下几节将对驱动这几种工业激光器的能量状态进行介绍。

1.1.2.1 CO₂激光器

考虑到CO₂分子的结构，其能量状态取决于CO₂分子的振动或转动形式，而且是量子化了的，它们只存在于特定的能级上或者根本不存在。CO₂激光可能存在的基本能级如图1.3所示。CO₂激光中的低压（通常为35～50托^[1]）混合气体在气体放电的作用下形成等离子体，在等离子中的CO₂分子产生了不同的受激态，不同的受激态分子数符合玻尔兹曼分布（n_i=Ce^-E/kT，其中n_i为i能态下的分子数，E为i能态下的能量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，C为常数）。一些分子处于上能级00⁰1上，该能级为非对称的振动模式，处于该能级的分子会因为和谐振腔壁碰撞释放出能量，或者通过自发发射的方式释放能量。通过自发发射，处于上能级的分子会跃迁到对称振动模式（10⁰0），波长10.6μm的光子发射出来，并随机地向任意方向传播，这些光子中的一部分随机地沿谐振腔的光轴进行传播，光子将开始在反射镜之间进行振荡。在振动过程中，这些光子可以被处于10⁰0能态的分子吸收，也可以通过衍射的方式逸出系统，也可以冲击已经处于00⁰1能态的分子，这时它将激励激发态的分子释放出能量，并跃迁到低能态，于是又将发射出另一个同样波长的光子，并将以相同的相位沿同一方向传播，可以想象入射光子通过某种共振的形式来释放能量。现在，以相同方向相同相位运动的两光子在谐振腔内前后弯曲振荡，从其他受激分子中获得更多的光子。

图1.3 CO₂分子的振荡能级图

字符表示每一振荡模式能量的量子数，“100”为对称模振荡一个量子的能量，“010”为弯曲模式的量子数，“001”为非对称模式的量子数。对旋转模式而言，上标0或1表示弯曲模式的附加量子数。

事实上，如果详细地讨论激光器，当今的CO₂激光器既不是特殊的也不是功率最大的激光器，借助氮气的弯曲特性可以提高CO₂激光的功率，氮气是双原子分子，且只能以一种方式振动，不同的振动量子之间存在能量间隙，只需几赫兹的频率就可以使常温的CO₂振动，注入N₂形成非对称振动模式——高能态（00⁰1），因此通过与处于激发态氮气分子的碰撞，可以使CO₂分子变成受激态。在1964年，Patel在最初的一次试验中注意到这种现象，He对氮气分子进行激励，并将能量传输给CO₂气体，即使CO₂气体不处在等离子体态也可以激发出激光。能使氮气分子发生能量损失的唯一途径就是通过管壁碰撞，或者存在吸收能量的分子，这样处于激发态分子的寿命很长，CO₂激光的效率比较高（达到15%～20%），然而它是气体温度的函数，只有在CO₂气体冷却后才会和氮气发生这种反应。

因此，CO₂激光器的设计要求有冷却的CO₂气体。首先，CO₂激光的混合气体中He约占78%，He具有较好的热传导能力，使等离子体稳定化，13%的氮气主要起到耦合效应，10%的CO₂是工作物质。除了气体中所含的某些杂质外，激光的效率与气体的成分之间没有明显的函数关系。其次，慢流激光（SF）是通过谐振腔内壁的热传导冷却气体，快速轴流（FAF和AF）和横流激光器（TF）是通过对流的方式进行冷却。

CO₂激光器主要产生10.6μm波长的激光，但是由于旋转状态的CO₂分子产生附加的能量，因此CO₂激光器能产生波长为9～11μm的激光。

CO₂激光的量子效率为45%（存在{[A-B]/A}之比），见图1.3，到目前为止，该激光器的电光转换效率可以达到15%～20%，但是对插头能效（输出的光能/输入到系统中总的电能）只能达到12%左右。表1.2给出了主要工业激光器的插头能效值。

表1.2 主要工业激光器的插头能效值

1.1.2.2 CO激光器

CO激光器和CO₂激光器的结构有些类似，两者都是气体激光器。CO分子的振动能级图如图1.4所示。CO的量子效率接近100%，因此CO激光的插头能效有可能达到CO₂激光插头能效的2倍，尽管CO激光的冷却要求严重减少它的插头能效。对于高功率的激光来说，提高激光器的效率是非常重要的，一个100kW的CO₂激光器至少需要提供0.83MW的能量，这已经接近于一个小型发电站的功率水平，如果只需要一半的能量将是非常可行的。然而，现在CO激光器只能在一个非常低的温度下运行，大概在150K（液氮的温度）左右，这就需要为额外的冷却设备提供能量，这部分额外的能量会给CO激光效率高的优点带来负面影响。通过在混合气体中加入氙气可以使激光器在较高的温度范围运行。据报道，当前CO激光的运行效率为19%左右，如果把冷却设备消耗的能量考虑在内，CO激光的运行效率就会下降到8%左右。

图1.4 CO分子的振动能级图

图1.5 钕的能级图

1.1.2.3掺钕钇铝石榴石激光器

纯Y₃Al₅O₁₂是一种无色的晶体，在光学上表现出各向同性，并具有石榴石的立方结构。如果大约1%的稀土元素钇被另一种稀土元素钕所取代，钇铝石榴石晶格中将包含Nd³⁺离子，这些离子可能的跃迁途径如图1.5所示。Nd³⁺离子对特定吸收光谱带进行吸收后衰变到一个亚稳态，从亚稳态跃迁到终态就会有激光产生，从终态到基态需要对晶体进行冷却。去离子水在固定YAG棒和处于不同聚焦的闪光灯上的椭圆形的孔道中流动，从而对YAG晶体棒和闪光灯进行冷却。Nd-YAG激光的量子效率为30%～50%，使用氪泵浦灯的运行效率比较低，接近于2%（见表1.2）。由于泵浦灯的光谱频带比较宽，其中仅有一部分会对晶体中的钕离子产生激励作用（见图1.6），因此Nd-YAG激光缺少如CO₂激光中那样的氮气分子的自然耦合作用，这就意味着要向晶体棒中泵浦更多的能量，会带来严重的冷却问题。由于温度的影响会使光束产生严重畸变，甚至导致晶体棒破裂，正因为如此，目前YAG激光晶体棒的出光量被限制在400W/100mm的范围。因此，这也是研究不同形状晶体的理由，如圆片状、板条状和管形状晶体。如图1.7所示，可以使用主控振荡器的功率放大器（MOPA），或者通过光纤把多光束耦合在一起的方法来提高系统的功率输出。更有效的泵浦系统是采用合适频率的二极管激光对钕离子进行更加精确的泵浦（见1.2.3.2）。采用这种泵浦系统的Nd-YAG激光可以使运行效率提高到8%～10%。Nd-YAG激光首选的泵浦频率为0.809μm波段的频率（见图1.6），二极管泵浦的另一个优点是二极管的寿命比较长，二极管的寿命是闪光灯寿命的10倍（当前闪光灯的寿命为1000h，二极管的寿命为10000h）。(www.xing528.com)

在材料加工中还可以使用其他固体激光器，其中包括Nd-YVO₄（掺钕钇钒酸盐）和波长为1.03μm的Yb-YAG（掺钕钇铝石榴石）。这些激光器已经得到了发展，由于采用半导体泵浦，这些激光器似乎要比Nd-YAG更理想。

图1.6 Nd-YAG激光的吸收谱与Kr闪光灯或GaAs半导体激光发射谱之间的对比

图1.7 功率超过1kW的Nd-YAG激光的可能布局图

a）振荡器/放大器 b）光纤耦合器

1.1.2.4 钕玻璃激光器

钕玻璃激光器中的Nd³⁺离子和Nd-YAG激光中的Nd³⁺离子具有相同的能谱结构，但钕玻璃激光的能量转化效果更好，而冷却问题更严重，因此钕玻璃激光的重复频率被限于低频范围（约1Hz）内。较高频率的钕玻璃激光具有发散性，这对材料加工来说是不可接受的。钕玻璃激光产生的激光束比YAG激光产生的激光束的峰值更高，如图1.8所示。钕玻璃激光更倾向于在触发模式下工作。

图1.8 钕玻璃激光脉冲与Nd-YAG激光峰值特性的比较

图1.9 准分子激光的能级

1.1.2.5 准分子激光器

准分子激光的能级如图1.9所示。由于产生激光的物质为受激的二聚物分子（严格地说是受激的复合分子），所以被叫做准分子激光。准分子激光器使用的是几种气体组成的混合气体，另外还有惰性气体卤化物，见表1.3。

这些激光在增益上稍有不同，准分子激光的增益非常高，可以不使用振荡器，尽管采用振荡器可以提高其性能。对Kr、F₂、Ne和He组成的混合气体进行放电，混合气体的工作压力约为4个大气压，形成了激发态的二聚物Kr⁺+F^-，它的寿命为5～15ns，这就完成了激励发射过程。每次电容器组向混合气体放电时，在主脉冲中都会产生紫外光子，光子的工作波段约为0.4nm。脉冲时间通常很短，约为20ns，但是功率非常高，一般可以达到35MW（每个脉冲的能量为0.2J）。由于缺少谐振振动，这些准分子激光的模式非常少。与激光振动系统相比，该过程更注重于放大自发辐射和超辐射。

表1.3 准分子激光中不同气体混合物发出激光的波长范围

1.1.2.6 半导体激光^[3]

当前半导体激光光电转换效率是最高的，它的插头能效可以达到50%。与位于价带中的电子相比，半导体激光中位于导带中的电子处于激发态。在半导体材料中导带与价带之间通过p-n结隔离。由于导带与价带之间的费米能级不同，所以在电流的驱动下电子从导带跃迁到价带会释放出辐射能量（hv）。半导体激光的基本结构是双异质结结构，如图1.10所示。费米能级内存在能量分布，费米能级是温度的函数，因此半导体激光器要具有非常好的温度稳定性。要使产生激光载流子的密度大于某个临界值（接近于10¹⁸cm^-3），对于材料为GaAs的异质结来说，如果要开始产生激光，所需要达到的电流密度为50000A/cm²，这必然会带来严重的热问题，因此半导体激光通常采用双异质结的多层结构，这样可以减小临界电流密度，使半导体激光在室温下就可以操作。例如，具有不同或相同掺杂水平且以外延方式相接触的两块半导体材料就构成一个p-n结，该p-n结就形成了一个活化区，这种结构通常在外层用外延生长法制作涂层（用增强铝或类似的组合）。这种外层既限制了电子传向一个区域，也限制了产生的辐射返回波导管，而辐射振动于两块单晶结构分开的尾端，分开的尾端对空气约有40%的反射率，这就使得二极管的作用类似于激光器。光发射二极管（LED）也是类似的，但必须在临界电流以下操作，并且不能用分开的反射尾端。

图1.10 限于电子传输范围内的双异质结结构的半导体能级