新特简介荣誉资质公司新闻合作伙伴

什么决定了激光的波长?

时间:2025-10-09 来源:新特光电 访问量:1043

前言

为什么(大多数)氦氖(HeNe)激光器发出红光,氩离子激光器发出绿光和蓝光,而二氧化碳(CO₂)激光器却发出红外光呢?若不借助复杂的数学知识(如量子力学等,这些内容可能会让你昏昏欲睡),很难在简短的讨论中给出完整答案,但我们仍可概述激光能在特定波长下输出所需满足的部分条件。

激光器的波长并非由单一因素决定,而是由其核心物理机制(受激辐射)和具体结构设计共同决定,核心取决于工作物质的能级结构,同时受谐振腔、泵浦方式等因素辅助调控。

    激光器

激光工作物质

以氦氖激光器中常用的氦氖混合气体(比例 7:1)为例。当这种混合气体被电火花激发时,会产生明亮的线状光谱,其形态与 “氦和氖的明线光谱” 中所示的类似。每条彩色谱线都对应着氦原子或氖原子中特定的能级跃迁(本例中二者谱线相互独立,混合后的整体光谱会略有不同)。有人可能会认为,光谱中最亮、强度最高的谱线最有可能产生激光作用,但事实并非如此。以氦氖激光器为例:氦原子光谱中的所有谱线都不会直接参与相干光的产生,氦的作用仅仅是激发氖原子,原因在于氦原子的一组高能级与氖原子的能级相匹配,且通过电激发氦原子,再将能量传递给氖原子的过程,比直接激发氖原子的效率高得多。即便对于氖原子,其光谱中也只有少数几条谱线可用于激光产生。事实上,在红色氦氖激光器中,最终产生 632.8 纳米波长输出的那条关键谱线,与其他许多谱线相比,强度其实相当弱。

    激光器

产生激光的条件

要使激光器产生激光(即 “激光振荡”),激光谐振腔的往返增益(LRG)初始值必须大于 1。随后,激光振荡会逐渐增强,直到非线性效应和有限的泵浦输入使往返增益降至恰好等于 1。若往返增益初始值小于 1,最多只会在振荡衰减的过程中发射出微弱的光脉冲,激光能否满足 “往返增益大于 1” 这一条件,由其自身的基本特性决定,具体包括:

对于目标波长(对应特定光子能量),其一对能级之间必须存在粒子数反转,这是产生受激辐射的前提条件。

谐振腔的反射镜必须在目标波长下具有高反射率,且需精确对准、曲率(或平面度)符合要求,以形成稳定的谐振腔,确保腔内能够建立起激光振荡。

对于连续波(CW)激光器,泵浦输入的能量必须大于激光产生过程中消耗的能量,同时中间能级不得出现 “堵塞”(即粒子无法正常跃迁)的情况。

    激光器

可用于选择激光波长的激光器物理特性

激光工作物质的成分:以氦氖激光器为例,混合气体的实际配比和气压会在一定程度上影响谱线的相对强度。显然,完全不同的混合气体组合会产生截然不同的可能激光波长,甚至可能无法产生激光。

反射镜涂层:激光器中使用的介质反射镜仅在窄波长范围内具有最佳反射效果,这一特性可在镀膜制造过程中进行高精度控制。事实上,这可能是选择 “其他颜色” 氦氖激光器(非红色)输出颜色的最重要参数。除常见的红色氦氖激光器外,还存在黄色、橙色和绿色的型号(以及输出红外波长的型号),这些激光器管内的放电现象与红色氦氖激光器完全相同,差异仅在于反射镜的涂层。

腔内棱镜或光栅:由于棱镜或光栅会使不同颜色的光发生不同角度的衍射,因此可通过设置这类元件,使反射镜仅在单一波长下精确对准,从而在多种可能的输出颜色中选择一种。这种选择方式通常是可调节的。氩离子激光器和氪离子激光器的高反射端(HR 端,非输出端)通常会配备谱线选择棱镜。

    激光器

不同位置的磁铁:尤其对于气体激光器,可利用磁铁通过 "塞曼分裂" 效应改变不同能级跃迁的相对强度。例如在长腔氦氖激光器中,可利用磁铁抑制红外谱线,从而优先输出可见光。

有些激光器(最典型的是氩离子、氪离子激光器以及混合气体 "白光" 离子激光器)能够实现多谱线输出,即同时输出多种不同波长的激光。对于这类激光器,其往返增益需在所有目标波长下均大于1。这意味着,除其他条件外,反射镜的涂层需在所有目标波长范围内均具有高反射率,且激发过程需能维持所有对应能级跃迁的粒子数反转,同时避免某一强谱线的增益过高而压制其他谱线。

影响激光波长的因素有哪些?

以下因素会影响激光的波长:激光以多种激光介质为基础,如气体、固体、半导体或掺杂光纤。每种激光介质都具有独特的特性,这些特性会影响其可能的发射波长。

增益介质是激光系统内发生受激辐射的活性物质。增益介质的特性(如能级、电子跃迁和带隙)决定了可被放大的波长范围。

泵浦源的作用是为增益介质提供初始能量,以启动激光产生过程。泵浦源的波长会影响增益介质的激发状态和能级,进而对发射波长产生影响。

部分激光器配备了调谐机制,可对输出波长进行调节,从而在特定范围内改变发射波长。

激光谐振腔的设计(包括反射镜及其他光学元件)会通过改变共振模式和相长干涉条件,对波长的选择产生影响。

非线性光学效应(如倍频、和频或差频产生以及参量过程)可能会产生谐波,或生成激光介质无法直接产生的新波长。

温度、压力等因素也会影响激光波长,这在气体激光器中尤为明显。增益介质受到的热效应可能导致发射波长发生偏移。

总结

总结:波长的 “决定逻辑链”

根本:工作物质的能级差决定激光的 “基础波长范围”(如 Nd:YAG 必然围绕 1064 nm,CO₂必然围绕 10.6 μm);

筛选:光学谐振腔从工作物质的多个可能波长中,筛选出满足谐振条件的 “单一目标波长”;

保障:激励与外部条件确保工作物质能有效实现目标能级跃迁,稳定输出筛选后的波长。

简言之,“工作物质定范围,谐振腔定具体值,激励条件保输出”,共同决定了激光器最终的输出波长。


本文内容转载自,公众号“光谱大侦探”《什么决定了激光的波长?》,版权归原作者所有,仅用于学习、交流用途。如涉及版权问题或侵权内容,请及时联系我们(手机|微信:13697356016),我们将第一时间处理或删除。

您可能感兴趣的文章