激光器簡(jiǎn)介講解

1、亡E3目激光器能發(fā)射激光的裝置。1954年制成了第一臺(tái)微波量子放大器，獲得了 高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器 原理推廣應(yīng)用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦 氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。 以后, 激光器的種類(lèi)就越來(lái)越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、 固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類(lèi)。近來(lái)還發(fā)展了自由 電子激光器，其工作介質(zhì)是在周期性磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的高速電子束，激光波長(zhǎng)可覆蓋從微波到X射線(xiàn)的廣闊波段。按工作方式分，有連續(xù)式、

2、 脈沖式、調(diào)Q和超短脈沖式等幾類(lèi)。大功率激光器通常都是脈沖式 輸出。各種不同種類(lèi)的激光器所發(fā)射的激光波長(zhǎng)已達(dá)數(shù)千種，最長(zhǎng)的波長(zhǎng)為微波波段的0.7毫米，最短波長(zhǎng)為遠(yuǎn)紫外區(qū)的210埃，X射線(xiàn) 波段的激光器也正在研究中。除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同， 裝置的必 不可少的組成部分包括激勵(lì)（或抽運(yùn)）、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì) 和諧振腔（見(jiàn)光學(xué)諧振腔）3部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來(lái)能量 后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。 激勵(lì)方式有光 學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是 使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。諧振腔可使腔內(nèi)的光子有 一致的頻率、

3、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的定向性和相干 性。激光工作物質(zhì) 是指用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大 作用的物質(zhì)體系， 有時(shí)也稱(chēng)為激光增益媒質(zhì)， 它們可以是固體 （晶體、 玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等 媒質(zhì)。對(duì)激光工作物質(zhì)的主要要求， 是盡可能在其工作粒子的特定能 級(jí)間實(shí)現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 并使這種反轉(zhuǎn)在整個(gè)激光發(fā)射作用 過(guò)程中盡可能有效地保持下去； 為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級(jí) 結(jié)構(gòu)和躍遷特性。激勵(lì) （泵浦）系統(tǒng) 是指為使激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而 提供能量來(lái)源的機(jī)構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不 同，可以采取不同的激勵(lì)

4、方式和激勵(lì)裝置，常見(jiàn)的有以下四種。光 學(xué)激勵(lì) （光泵）。是利用外界光源發(fā)出的光來(lái)輻照工作物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個(gè)激勵(lì)裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈） 和聚光器組成。 氣體放電激勵(lì)。 是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣 體放電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的， 整個(gè)激勵(lì)裝置通常由放電電極和放 電電源組成。 化學(xué)激勵(lì)。 是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過(guò) 程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的， 通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā) 措施。核能激勵(lì)。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能 粒子或放射線(xiàn)來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。光學(xué)共振腔 通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反 射鏡按特定的

5、方式組合而成。作用為：提供光學(xué)反饋能力，使受激 輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。 對(duì)腔內(nèi)往返振蕩 光束的方向和頻率進(jìn)行限制， 以保證輸出激光具有一定的定向性和單 色性。共振腔作用，是由通常組成腔的兩個(gè)反射鏡的幾何形狀（反 射面曲率半徑）和相對(duì)組合方式所決定；而作用，則是由給定共振 腔型對(duì)腔內(nèi)不同行進(jìn)方向和不同頻率的光， 具有不同的選擇性損耗特 性所決定的。分類(lèi) 激光器的種類(lèi)是很多的。下面，將分別從激光工作物質(zhì)、激勵(lì) 方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長(zhǎng)范圍等幾個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)介紹。 按工作物質(zhì)分類(lèi) 根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為 以下幾大類(lèi)：固體（晶體和玻璃）激光器，這類(lèi)激光器所采用

6、的工 作物質(zhì)，是通過(guò)把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃 基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的； 氣體激光器， 它們所采用的工作物 質(zhì)是氣體，并且根據(jù)氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用之工作粒子性質(zhì)的 不同，而進(jìn)一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體 激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；液體激光器，這類(lèi)激光器所采用的 工作物質(zhì)主要包括兩類(lèi)， 一類(lèi)是有機(jī)熒光染料溶液， 另一類(lèi)是含有稀 土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物溶液，其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作 用，而無(wú)機(jī)化合物液體（如 SeOCI）則起基質(zhì)的作用；半導(dǎo)體激 光器，這類(lèi)激光器是以一定的半導(dǎo)體材料作工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射 作用，其原理是通過(guò)一定的激勵(lì)

7、方式 （電注入、光泵或高能電子束注 入），在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間，通過(guò)激發(fā)非 平衡載流子而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 從而產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用； 自由 電子激光器， 這是一種特殊類(lèi)型的新型激光器， 工作物質(zhì)為在空間周 期變化磁場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)的定向自由電子束， 只要改變自由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從 X 射 線(xiàn)波段過(guò)渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。按激勵(lì)方式分類(lèi) 光泵式激光器。 指以光泵方式激勵(lì)的激光器， 包 括幾乎是全部的固體激光器和液體激光器， 以及少數(shù)氣體激光器和半 導(dǎo)體激光器。 電激勵(lì)式激光器。 大部分氣體激光器均是采用氣體放 電（直流放

8、電、交流放電、脈沖放電、電子束注入）方式進(jìn)行激勵(lì)， 而一般常見(jiàn)的半導(dǎo)體激光器多是采用結(jié)電流注入方式進(jìn)行激勵(lì)， 某些 半導(dǎo)體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵(lì)。 化學(xué)激光器。 這 是專(zhuān)門(mén)指利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)的激光器， 反 希望產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)可分別采用光照引發(fā)、放電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)。 核泵浦激光器。指專(zhuān)門(mén)利用小型核裂變反應(yīng)所釋放出的能量來(lái)激勵(lì)工 作物質(zhì)的一類(lèi)特種激光器，如核泵浦氦氬激光器等。按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類(lèi) 由于激光器所采用的工作物質(zhì)、 激勵(lì)方式以及應(yīng)用 目的的不同， 其運(yùn)轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應(yīng)有所不同， 從而可區(qū)分為 以下幾種主要的類(lèi)型。 連續(xù)激光器， 其工作特點(diǎn)是工作物質(zhì)的

9、激勵(lì) 和相應(yīng)的激光輸出， 可以在一段較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn) 行，以連續(xù)光源激勵(lì)的固體激光器和以連續(xù)電激勵(lì)方式工作的氣體激 光器及半導(dǎo)體激光器， 均屬此類(lèi)。 由于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中往往不可避免 地產(chǎn)生器件的過(guò)熱效應(yīng)， 因此多數(shù)需采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。 單次脈 沖激光器，對(duì)這類(lèi)激光器而言，工作物質(zhì)的激勵(lì)和相應(yīng)的激光發(fā)射， 從時(shí)間上來(lái)說(shuō)均是一個(gè)單次脈沖過(guò)程， 一般的固體激光器、 液體激光 器以及某些特殊的氣體激光器， 均采用此方式運(yùn)轉(zhuǎn)， 此時(shí)器件的熱效 應(yīng)可以忽略，故可以不采取特殊的冷卻措施。重復(fù)脈沖激光器，這 類(lèi)器件的特點(diǎn)是其輸出為一系列的重復(fù)激光脈沖， 為此，器件可相應(yīng) 以重復(fù)脈沖的方式激勵(lì)

10、， 或以連續(xù)方式進(jìn)行激勵(lì)但以一定方式調(diào)制激 光振蕩過(guò)程 ,以獲得重復(fù)脈沖激光輸出 ,通常亦要求對(duì)器件采取有效的 冷卻措施。調(diào)激光器，這是專(zhuān)門(mén)指采用一定的 開(kāi)關(guān)技術(shù)以獲得較高 輸出功率的脈沖激光器， 其工作原理是在工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài) 形成后并不使其產(chǎn)生激光振蕩 （開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài) ），待粒子數(shù)積累 到足夠高的程度后， 突然瞬時(shí)打開(kāi) 開(kāi)關(guān)，從而可在較短的時(shí)間內(nèi) （例 如1010秒）形成十分強(qiáng)的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出（見(jiàn)技 術(shù)C lass=link激光調(diào)技術(shù)）。鎖模激光器，這是一類(lèi)采用鎖模 技術(shù)的特殊類(lèi)型激光器， 其工作特點(diǎn)是由共振腔內(nèi)不同縱向模式之間 有確定的相位關(guān)系， 因此可獲得一系

11、列在時(shí)間上來(lái)看是等間隔的激光 超短脈沖（脈寬 1010秒）序列，若進(jìn)一步采用特殊的快速光開(kāi)關(guān) 技術(shù)，還可以從上述脈沖序列中選擇出單一的超短激光脈沖 （見(jiàn)激光 鎖模技術(shù)）。單模和穩(wěn)頻激光器，單模激光器是指在采用一定的限 模技術(shù)后處于單橫?；騿慰v模狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器， 穩(wěn)頻激光器是指采 用一定的自動(dòng)控制措施使激光器輸出波長(zhǎng)或頻率穩(wěn)定在一定精度范 圍內(nèi)的特殊激光器件， 在某些情況下， 還可以制成既是單模運(yùn)轉(zhuǎn)又具 有頻率自動(dòng)穩(wěn)定控制能力的特種激光器件（見(jiàn)激光穩(wěn)頻技術(shù)）?？?調(diào)諧激光器，在一般情況下，激光器的輸出波長(zhǎng)是固定不變的，但采 用特殊的調(diào)諧技術(shù)后， 使得某些激光器的輸出激光波長(zhǎng)， 可在一定的 范圍

12、內(nèi)連續(xù)可控地發(fā)生變化， 這一類(lèi)激光器稱(chēng)為可調(diào)諧激光器 （見(jiàn)激 光調(diào)諧技術(shù)）。按輸出波段范圍分類(lèi) 根據(jù)輸出激光波長(zhǎng)范圍之不同， 可將各類(lèi)激光 器區(qū)分為以下幾種。遠(yuǎn)紅外激光器，輸出波長(zhǎng)范圍處于251000微米之間 , 某些分子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即 落入這一區(qū)域。中紅外激光器，指輸出激光波長(zhǎng)處于中紅外區(qū)（2.525 微米）的激光器件 ,代表者為 CO 分子氣體激光器 （10.6 微米）、 CO分子氣體激光器（56微米）。近紅外激光器，指輸出激光波 長(zhǎng)處于近紅外區(qū)（ 0.752.5 微米）的激光器件，代表者為摻釹固體 激光器（ 1.06 微米）、 CaAs 半導(dǎo)體二極管激光器 （約

13、 0.8 微米）和某 些氣體激光器等。 可見(jiàn)激光器， 指輸出激光波長(zhǎng)處于可見(jiàn)光譜區(qū) （4 0007000 ?；?0.40.7 微米）的一類(lèi)激光器件，代表者為紅寶石 激光器 （ 6943 埃）、 氦氖激光器（ 6328 埃）、氬離子激光器（ 4 880 埃、5145 埃）、氪離子激光器（ 4762 埃、5208 埃、5682 埃、 6471埃）以及一些可調(diào)諧染料激光器等。近紫外激光器，其輸出 激光波長(zhǎng)范圍處于近紫外光譜區(qū)（ 2000 4000 埃），代表者為氮分 子激光器（3371埃）氟化氙（XeF）準(zhǔn)分子激光器（3511埃、3531埃）、 氟化氪（KrF）準(zhǔn)分子激光器（2490埃）以及某些可調(diào)

14、諧染料激光器等真空紫外激光器 ,其輸出激光波長(zhǎng)范圍處于真空紫外光譜區(qū) （502 000埃）代表者為（H）分子激光器（16441098埃）、氙（Xe）準(zhǔn)分 子激光器（1730埃）等。X射線(xiàn)激光器，指輸出波長(zhǎng)處于X射線(xiàn) 譜區(qū)（ 0.01 50 埃）的激光器系統(tǒng)，目前軟 X 射線(xiàn)已研制成功，但 仍處于探索階段激光器的發(fā)明 激光器的發(fā)明是 20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、 數(shù)量極大、 運(yùn)動(dòng)極混亂的分子和 原子的發(fā)光過(guò)程，從而獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光線(xiàn)和紫 夕卜線(xiàn)（以至X射線(xiàn)和丫射線(xiàn)）的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類(lèi) 對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。 激

15、光器的誕生史大致可以分為幾個(gè)階段，其中 1916 年愛(ài)因斯坦提出 的受激輻射概念是其重要的理論基礎(chǔ)。 這一理論指出， 處于高能態(tài)的 物質(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩個(gè)能級(jí)之間能量差的光子的作用， 將轉(zhuǎn) 變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個(gè)光子，同第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來(lái)，這就 是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多 個(gè)光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。 此后，量子力學(xué)的建立和發(fā)展使人們對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律有 了更深入的認(rèn)識(shí)， 微觀粒子的能級(jí)分布、 躍遷和光子輻射等問(wèn)題也得 到了更有力的證明， 這也在客觀上更加完善了愛(ài)因斯坦的受激輻射理 論，為激光器的產(chǎn)生進(jìn)一步奠定了理論基礎(chǔ)。

16、20 世紀(jì) 40 年代末，量 子電子學(xué)誕生后， 被很快應(yīng)用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的 相互作用，并研制出許多相應(yīng)的器件。 這些科學(xué)理論和技術(shù)的快速發(fā) 展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。如果一個(gè)系統(tǒng)中處于高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)， 就出現(xiàn)了 粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。 那么只要有一個(gè)光子引發(fā)， 就會(huì)迫使一個(gè)處于高 能態(tài)的原子受激輻射出一個(gè)與之相同的光子， 這兩個(gè)光子又會(huì)引發(fā)其 他原子受激輻射， 這樣就實(shí)現(xiàn)了光的放大； 如果加上適當(dāng)?shù)闹C振腔的 反饋?zhàn)饔帽阈纬晒庹袷帲?從而發(fā)射出激光。 這就是激光器的工作原理。 1951 年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地造成了粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒

17、 50 千赫的受激輻射。稍后，美國(guó)物理學(xué)家查爾 斯?湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子 和分子的受激輻射原理來(lái)產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)。 然而上述的微波波譜學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究大都屬于 “純科學(xué) ”，對(duì)于激光 器到底能否研制成功，在當(dāng)時(shí)還是很渺茫的。 但科學(xué)家的努力終究 有了結(jié)果。 1954 年，前面提到的美國(guó)物理學(xué)家湯斯終于制成了第一 臺(tái)氨分子束微波激射器， 成功地開(kāi)創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波 輻射相干放大器或振蕩器的先例。 湯斯等人研制的微波激射器只產(chǎn)生了 1.25 厘米波長(zhǎng)的微波，功率很 小。生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展的需要推動(dòng)科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機(jī)理， 以產(chǎn)生新的性能優(yōu)異的

18、光源。 1958 年，湯斯與姐夫阿瑟 ?肖洛將微波 激射器與光學(xué)、 光譜學(xué)的理論知識(shí)結(jié)合起來(lái)， 提出了采用開(kāi)式諧振腔 的關(guān)鍵性建議， 并預(yù)防了激光的相干性、 方向性、線(xiàn)寬和噪音等性質(zhì)。 同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大的原理 性方案。 此后，世界上許多實(shí)驗(yàn)室都被卷入了一場(chǎng)激烈的研制競(jìng)賽， 看誰(shuí)能成 功制造并運(yùn)轉(zhuǎn)世界上第一臺(tái)激光器。1960 年，美國(guó)物理學(xué)家西奧多 ?梅曼在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究實(shí)驗(yàn) 室里，勉強(qiáng)贏得了這場(chǎng)世界范圍內(nèi)的研制競(jìng)賽。 他用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管來(lái)刺激在紅寶石水晶里的鉻原子， 從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅 色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽(yáng)還高的溫度?！懊仿O(shè)計(jì) ”引起了科學(xué)界的震驚和懷疑，因?yàn)榭茖W(xué)家們一直在注視和 期待著的是氦氖激光器。盡管梅曼是第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家， 但在法庭上， 關(guān)于 到底是誰(shuí)發(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)的爭(zhēng)論， 曾一度引起很大爭(zhēng)議。 競(jìng)爭(zhēng)者之一 就是“激光”（受“激輻射式光頻放大器 ”的縮略詞 ）一詞的發(fā)明者戈登 ?古 爾德。他在 1957 年