激光原理與技術(shù)-第五章 激光的特性

激光的特性

激光具有亮度高、單色性好、方向性好、相干性好的特點。1亮度高一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個數(shù)量級(幾千萬倍〕連續(xù)發(fā)光激光器功率：幾毫瓦，幾百瓦，幾瓦，十幾瓦目前可達幾千瓦，幾萬瓦脈沖激光器：毫焦耳，焦耳，幾十焦耳，目前可達幾千焦耳，幾萬焦耳時間，空間都得到壓縮的激光，其功率密度比會聚的太陽光高幾十億倍！激光的高強度和高亮度發(fā)散角小：傳播相同距離時，光斑直徑小α光束發(fā)散角=2αsr2方向性好3單色性強-激光的顏色極純連續(xù)光譜-太陽光譜線狀光譜-霓虹燈單一顏色譜線-激光單色性：/λ或氪燈——10-6普通氦氖激光——10-12單色光具有單一頻率的光波稱為單色光。任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率〔或波長范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率〔或波長〕所對應(yīng)的強度是不同的。波長所對應(yīng)的波長范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強度下降到的兩點之間的波長范圍：譜線寬度是標志譜線單色性好壞的物理量4激光的相干性強相干長度：單色性越好，相干長度越長普通光源——幾厘米激光可達——105千米激光器激光器是產(chǎn)生激光的裝置。它主要由工作物質(zhì)、鼓勵源和諧振腔三局部組成。激光形成示意圖脈沖Nd：YAG激光器正在運行激光器的種類現(xiàn)在人們已經(jīng)按照實際應(yīng)用的需求，造出了各種各樣的激光器。通?？梢园垂ぷ魑镔|(zhì)、鼓勵方式、運轉(zhuǎn)方式、輸出波長范圍等幾方面來進行分類。一．按工作物質(zhì)分類1.固體激光器工作物質(zhì)〔有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石〔YAG〕等〕是均勻地摻入少量離子〔稱為激活離子〕的晶體或玻璃材料。產(chǎn)生激光發(fā)射作用的是摻入的離子。可作為激活離子的有過渡族金屬離子如鉻離子(Cr3+)、稀土金屬離子如釹離子(Nd3+)、錒系離子等。一般來說固體激光器具有器件體積小，鞏固，使用方便，輸出功率大的特點。

2.氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便、光束質(zhì)量好以及能長時間較穩(wěn)定連續(xù)工作的特點，是目前品種最多應(yīng)用最廣泛的激光器。

3.半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，產(chǎn)生激光的方法有p-n結(jié)注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。它體積小重量輕，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單而鞏固，特別適于飛機、車輛、宇宙飛船之用?，F(xiàn)在的光驅(qū)、VCD、DVD的激光頭都是一個小型半導(dǎo)體激光發(fā)射器。4.液體激光器常用有機染料作工作物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽狀工作的。液體激光器的工作原理比較復(fù)雜，但輸出的波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬。

5.自由電子激光器以自由電子為工作物質(zhì)。把但凡利用自由電子與電磁波相互作用所產(chǎn)生的從微波到X射線的受激輻射均稱為自由電子激光。這是一種特殊類型的新型激光器，被電子加速器加速的電子流注入周期變化的磁場。只要改變電子束的速度就可產(chǎn)生波長連續(xù)變化的相干電磁輻射，原那么上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域，其峰值功率和平均功率高且可調(diào)，相干性好，可獲得偏振輸出，因此具有很誘人的前景。其它還有光纖激光器、化學(xué)激光器、單原子激光器、X射線激光器等。二．按運轉(zhuǎn)方式分類可分為連續(xù)激光器、單次脈沖激光器、重復(fù)脈沖激光器，調(diào)Q激光器、鎖模激光器、單模和穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器等等。三．按鼓勵方式分類可分為光鼓勵、電鼓勵、熱鼓勵、化學(xué)鼓勵和核鼓勵激光器等。四．按輸出激光的波段范圍分類可分為遠紅外激光器、中紅外激光器、近紅外激光器、可見激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射線激光器等。一般講解中，都按照激光工作物質(zhì)將激光器進行分類。一、固體激光器。用固體材料作為激光器的工作物質(zhì)。這類激光器的特點是小而鞏固，功率較高。固體激光器1960-5-17，TedMaiman創(chuàng)造第一臺激光器固體激光器工作物質(zhì)-各種激光晶體和玻璃輸出波長-由工作物質(zhì)中激活元素決定。輸出方式-連續(xù)燈泵浦——連續(xù)光脈沖燈泵浦——脈沖光固體激光器特點固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖第一臺紅寶石激光器的拆卸圖紅寶石中Cr3+的能級示意圖紅寶石激光器結(jié)構(gòu)摻釹釔鋁石榴石〔Nd:YAG〕1064nm1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm:醫(yī)學(xué)和通信摻鈦(Ti)藍寶石激光器670nm~1100nm固體激光器常用于產(chǎn)生強激光，連續(xù)輸出~幾千瓦,脈沖輸出~幾萬焦耳Nd3＋:YAG的能級結(jié)構(gòu)1.固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦鼓勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。2.常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。

3.橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)外表被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓。橢圓柱聚光腔4.固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍

5.泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。

泵浦系統(tǒng)在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其他固體激光器作泵輔源也可產(chǎn)生可調(diào)諧激光。用摻鉺光纖作成的光纖激光器，是光纖通信中不可缺少的局部。摻鉺光纖激光器二、氣體激光器用氣體作為激光器的工作物質(zhì)。其特點是能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作。外腔式氣體激光器示意圖氣體激光器He-Ne激光器的幾種結(jié)構(gòu)形式：內(nèi)腔式、外腔式、半內(nèi)腔式與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條:3S

2P0.6328

2S

2P1.15

3S

3P3.39

3分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機械加工方面，還用于測距，通信。CO2激光器結(jié)構(gòu)圖與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖4準分子激光器：特點—發(fā)光都在紫外波段。用途—多用于微細加工，光刻及醫(yī)學(xué)。原理—不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當兩種元素的原子被高能量的電脈沖鼓勵時，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。三、液體激光器工作物質(zhì)主要是有機染料。其特點是工作波長連續(xù)可調(diào)(波長分布在0.32～1.3微米)，主要用于科研領(lǐng)域。染料，多為粉末狀染料溶于有機溶劑中，方可產(chǎn)生激光，它可以用閃光燈泵浦，或激光泵浦。特點：從紅外到紫外范圍調(diào)諧任意波長(幾十到幾百納米〕的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的應(yīng)用。四、半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體作為激光器的工作物質(zhì)。其最大的特點是體積小、種類多、效率高、使用方便。激光束的空間分布示意圖

工作物質(zhì)：砷化鎵等半導(dǎo)體材料。工作原理：砷化鎵等半導(dǎo)體材料只允許電流沿著一個方向流動。當穿過介質(zhì)的光遇到一個被激發(fā)的原子時，它將使這個原子以相同的波長和頻率釋放能量，光在來回傳播的過程中，不斷地被加強，直到從反射鏡面上逃逸出去，形成激光。二極管激光器〔半導(dǎo)體激光器〕

半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡稱激光二極管，英文縮寫為LD(LaserDiode)，是實用中最重要的一類激光器。優(yōu)點：體積小、效率高、壽命長，可采用簡單的電流注入方式來泵浦；其工作

電壓和電流與集成電路兼容，因而有可能與之單片集成；并且還可用高

達GHZ的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出，可實行溫度調(diào)諧和電流調(diào)諧。

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

……信息存儲與處理科學(xué)研究軍事應(yīng)用光通信半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用二極管激光器〔半導(dǎo)體激光器〕半導(dǎo)體激光器開展很快，在微型化方面進展迅速。整個器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒還小。用于：光通信，光盤，激光打印，光計算機，微量氣體探測等方面。五、自由電子激光器工作物質(zhì)是電子束。其特點是輸出功率高，因此而成為戰(zhàn)略激光武器的首選器件。原理：自由電子激光器是利用自由電子在真空磁場中的周期性擺動產(chǎn)生激光。特點：自由電子通過很多對極性彼此相反的磁鐵組成的交變磁場，磁場的周期取決于這些磁鐵的大小與間距。發(fā)射激光的波長由交變磁場的周期及入射電子的能量決定。用途：自由電子激光器可連續(xù)工作，輸出功率幾百瓦。也可脈沖式工作，平均最高功率幾兆瓦。用于材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，外表科學(xué)，化學(xué)，生物及生命科學(xué)等。六、化學(xué)激光器通過化學(xué)反響提供能量，形成受激輻射的激光器。其特點是：頻率高，光子能量大，穿透力強，破壞效能高。七、X射線激光器X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射線波長已到達4.483nm水窗范圍〔因為水是吸收X射線的，只有在4.483nm附近，水分子有個不吸收區(qū)，X射線可順利通過，損耗很小，故稱水窗〕，由于生物細胞活性組織內(nèi)均含有很多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，生命科學(xué)的研究。已經(jīng)用波長4.483nmX射線激光制成了X射線顯微鏡，并成功地得到了老鼠精子內(nèi)核的圖象,用于DNA在精子細胞內(nèi)排列的研究。八、生物微腔激光器

砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細胞介質(zhì)膜反射鏡玻璃基底一種研究活體生物細胞的手段和方法，將一含有被測細胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光外表，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃片。細胞置于激光共振腔中，當激光在腔內(nèi)往返數(shù)百次后，細胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過這些信息的識別，由發(fā)射激光的脈沖形狀，