干长度Lc具有如下简单关系：
Lc??c/c (1.45)
式中，c是光的传播速度。
激光束的时间相干性与激光的单色性有关，相干时间?c与单色性(即带宽?v)间存在如下的简单关系：
?c?1/?? (1.46)
可见，单色性越高，激光的相干时间越长。
由于激光的单色性很好，所以它的时间相干性也非常好，它是目前发现的各种光源中相干性最好的光源，如He-Ne激光的时间相干长度达到几百公里。
3. 常见激光器及其特性
激光器可有以下不同的分类：
① 按激光工作物质分： 有固体激光器(包括晶体和玻璃激光器，)，气体激光器(包括原子、离子、分子、准分子激光器)，液体激光器(包括聚合物、无机液体和有机染料激光器)，半导体激光器。
② 按光学谐振腔的设置分：有非稳定腔、共焦腔、平面腔以及配有调Q装置或锁模装置的激光器。
③ 按泵浦源分：有电泵浦、热泵浦、光泵浦、化学泵浦、核泵浦、太阳泵浦等。
此外，按激光输出的特性分又有单横模、多横模、单纵模、多纵模等；还可分为波长可调谐与不可调谐，输出光辐射在时间上是连续方式还是脉冲方式等等。
已有的激光器系统种类十分繁多，根据不同的用途，同类系统又有差别极大的品种型号，并随着对激光理论和应用研究的深入，各类新型的激光器系统还在不断出现，激光器的发展，对激光技术的研究和应用起着十分重要的推进作用。
(1) 固体激光器
固体激光器以掺杂离子型绝缘晶体或玻璃体作为工作物质。最常见的有红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等三种。按其工作方式又有单脉冲式、重复脉冲式、连续方式、调Q脉冲方式和锁模脉冲方式五类。
以红宝石激光器为例，其基本结构、工作原理和主要性能如下： 图1.16是红宝石激光器的构成示意图。激光物质红宝石棒和泵浦激励脉冲氙灯放在聚光腔的中心，由高压电源使电容器充电，在触发器作用下，脉冲氙灯发出的强光被聚光器聚光并照射到红宝石棒上以获得粒子数反转，相互平行的全反射镜和半反射镜构成的光学谐振腔使受激跃迁形成的受激辐射在光学谐振腔的多次往返反射中形成振荡而最后导致激光的输出。红宝石由加有少量(万分之五)氧化铬的氧化铝晶体组成，它产生粒子数反转分布是由于铬离子的存在。图1.17是它的能级图。
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图1.16 红宝石激光器的构成示意图 图1.17 红宝石激光器能级图
在泵浦氙灯光的激励下，能量相当于吸收带4F2和4F1的光子被吸收使铬离子转移到这些能级，然后以平均时间50×10-8s衰变到能级2E。2E能级由两个分开的能级2A和E组成， 较低的能级E即激光高能级， 低能级是基态A2， 原子在高能级E的寿命是3×10-3 s，从E到基态A2的跃迁辐射即形成0.6943?m光输出。由图1.17可以看出，红宝石激光器是一个三能级系统。
(2) 气体激光器
气体激光器是目前应用最广泛的一类激光器，它们大多数能够连续工作，输出的激光波长有数千种，分布在光谱波长从0.2?m真空紫外至4?m远红外波段内。气体激光器的特点是单色好，可长时间稳定工作，并且结构简单，造价低廉，使用操作方便。常见的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器、CO2分子激光器等。
① 氦氖激光器
图1.18是常用的氦氖激光器的结构示意图, 激光物质采用He-Ne气体，它充满整个激光器内，但工作区仅限于毛细管内，泵浦源采用电激励的方式，它由管内钼筒与电极间的高压放电而使He-Ne气体产生粒子数反转，激励电压除直流方式外，有时也用交流或射频电源。反射镜和玻璃管密封在一起，构成光学谐振腔，通常将这种结构称为内腔式。有的氦氖激光器采用外附光学腔，称为外腔式。
图1.18 氦氖激光器结构
图1.19是氦氖激光系统的能级图。管内He-Ne气体放电时，He原子首先被电子碰撞激发到21S和23S能级，这两个能级是亚稳态，从它们到基态的辐射跃迁是被禁止的，处在这两个亚稳态的He原子与Ne基态的Ne原子碰撞，将Ne原子激发，而He原子无辐射地回到基态，这就是共振转移。当Ne原子的3S、2S能级上的粒子被激发到足够多时，3S、2S能级与3P、2P能级之间就会出现粒子数反转。在2P与3P能级上的Ne原子通过自发跃迁很快落到1S能级，再通过和管壁碰撞，将能量交换给管壁而回到基态。
氦氖激光器产生的激光谱线有三条，它们是：
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3S→2P 0.6328μm 2S→2P 1.15μm 3S→3P 3.39μm ② 二氧化碳激光器
二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。它的突出优点是可获得大激光功率和较高的能量转换效率，并有丰富的激光谱线，甚至可做到9?m~11?m波长间连续可调谐的光辐射输出。CO2激光器输出的光束光学质量好，线宽窄，相干性好，工作稳定。因此二氧化碳激光器广泛用于材料加工、通信、雷达以及激光武器等许多方面。
二氧化碳激光器是分子激光器的代表，与其有关的能级涉及到分子振动和组成分子的原子间的相对运动，图1.20是二氧化碳分子激光器的能级图。
图1.19 氦氖激光器的能级系统 图1.20 二氧化碳激光器的能级图
二氧化碳激光器中除了二氧化碳气体外，还加有适量的N2和He(即辅助气体)。在激光放电管中，氮分子由于放电电流中电子撞击被激发到激发态，处于激发态的氮分子又通过和二氧化碳分子的碰撞，把能量传递给二氧化碳分子，使二氧化碳分子处于高能态的001能级上(001是两个氧原子沿分子轴向相同方向振动，而碳原子向相反方向振动的一组非对称振动的能级)。当大多数二氧化碳分子被激发到001能级上时，在001能级与100(两氧原子沿分子轴对称振动的能级)、010与020(形变振动能级)之间形成分子数的反转分布状态。从001能级跃迁到020能级，则发射出9.6?m的激光。不过两种跃迁中，10.6?m跃迁的几率大，因此，二氧化碳激光器输出的激光辐射主要是10.6?m的激光束。
③ 氩离子激光器
氩离子激光器是利用气体放电过程中使氩原子电离并被激发,从而实现粒子数反转而产生激光的。它发射的激光谱线十分丰富,分布在绿光区,其中以0.5145?m和0.4880?m谱线最强。氩离子激光器输出的连续功率可达500W，也可以在脉冲方式下工作。
(3) 染料激光器
染料激光器是液体物质作为激光介质的一种液体激光器。它的突出优点是输出激光波长可以调谐，其次是具有均匀良好的光学质量。
作为激光介质使用的染料分子由许多原子组成，结构比较复杂，常见的有若丹明，花菁类中的二乙基噻化菁以及香豆素中的7-羟基香豆素等。
染料激光器输出激光波长可以调谐是由于染料分子中的自吸收现象可以使荧光光谱峰值发生位移，从而发生在荧光光谱峰值的激光波长也就有相应变化。通过改变染料溶液
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的浓度、温度或光程等因素来改变染料分子吸收带与荧光带间的重迭程度，吸收带长波部分对荧光再吸收的结果导致荧光峰值向长波方向移动，从而调谐了激光波长。采用光栅、棱镜、F-P标准具、双折射滤光片以及电抗元件对光腔的有效长度的调变，也可达到激光输出波长的调谐作用。
(4) 半导体激光器
半导体激光器的特点是体积小、重量轻、结构简单。半导体激光器有一个P-N结，可使用电源直接调制激光的发射，具有较高的效率，与其他激光器相比，光束发散角比较大，易受环境温度的影响，输出功率较小。尽管如此，半导体激光器还是在光通信、测距、信息处理等许多方面得到了广泛的应用。
最简单的半导体激光器是由一个P-N结构成的。当有正向电流通过P-N结时，电子或空穴在结区复合释放出能量，这种能量可以用光子的形式释放出来，称为复合辐射。在这个辐射过程里，包含有自发辐射、受激辐射和受激吸收。利用半导体晶体本身天然解理面构成的光学谐振腔，当注入足够大的电流时，可以形成粒子数反转，使受激辐射增益超过受激吸收和损耗，并形成激光输出。
半导体激光器有同质结和异质结两类，如果构成P型与N型半导体的基质相同，则P-N结称为同质结，同质结半导体激光器的阈值电流较高，不宜在室温下连续工作。如果P-N结的基质由不同材料构成，由此形成的P-N结称为异质结，异质结半导体激光器可在室温下连续工作。
比较常见的典型的半导体激光器是砷化镓注入式激光器，它具有与半导体二极管相同的单向导电伏安特性。当注入P-N结的电流较低时，只有自发辐射，随着电流值的增加，介质对光的增益也增加，当增益等于损耗时，P-N结就发出激光。半导体激光器上每平方厘米需要的电流值称为阈值。它的大小随晶体中的杂质浓度增大而减小，随腔的损耗减小而降低，也随腔的增长而在一定范围内变低。但在低温和室温条件下，阈值随温度变化的关系不大明显。由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角较大，可达20~30，在结的平面内，也有十几度。
同质结GaAs激光器的波长约为0.904?m，线宽度约几纳米，单色性较差；异质结GaAs激光器的波长为0.810?μm。在GaAs中掺入磷，可使波长移向可见光；加入铟，则可使波长移到1.1?m近红外波段。
半导体激光器也有连续工作和脉冲工作两种方式。同质结激光器阈值电流大，结温升快，因此多采用脉冲工作方式。输出光功率的大小与激光材料、制作工艺、结构形状以及工作时的脉冲重复频率和脉冲宽度等有关。表1.6介绍了一些激光器的特性。
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表1.6 某些激光器的特性比较
类型 激光工作物质 红宝石 固体 激光器 Nd:YAG Nd:玻璃 Nd:YAG Nd:YAG He-Ne 气体 激光器 A+ CO2 CO2 半导体 激光器 染料 激光器 0.44~0.76 0.1~5W 连续 GaAs 0.85 3~1800W(pp) 10-2~10-4 脉冲 波长/??m 0.6943 1.06 1.06 1.06 0.53 0.633 1.15 3.39 0.488 0.515 0.45~0.53 10.6 10.6 激光能量或功率 0.02~100J 0.1~20J 1~100J 0.1~1000W 0.25~2W 100mW~1W 10mW~100W 1mW~9000W 0.1~400W 脉冲宽度/?m 10-2~103 10-2~102 0.05~500 0.1~0.2 工作方式 脉冲 脉冲 脉冲 连续 连续 连续 连续 连续 脉冲 效率(%) 0.5~1.0 1.0~3.0 6.0~7.0 0.5~1.0 0.01~0.2 1~20 1.4.5 半导体发光二极管工作原理及特性
1．工作原理
LED(Light Emitting Diode)，即发光二极管，是一种常用的半导体固体发光光源。 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如图1.21所示。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为半导体发光器件，又称为注入式场致发光光源，通常称为LED。
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