激光器原理

導(dǎo)讀：激光器相信大家都認(rèn)識(shí)過不少，有氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器等四大類。但萬變不離其宗它們的工作原理幾近相同，本文將講述激光器是如何產(chǎn)生激光，如何進(jìn)行工作的，快來學(xué)習(xí)吧。

激光器原理——介紹

激光器顧名思義就是能發(fā)射激光的裝置。從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。一直到現(xiàn)在，激光器的種類就越來越多。

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，近來還發(fā)展了自由電子激光器。

其工作介質(zhì)是在周期性磁場中運(yùn)動(dòng)的高速電子束，激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。按工作方式分，有連續(xù)式、脈沖式、調(diào)Q和超短脈沖式等幾類。

除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同。產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(lì)(或抽運(yùn))源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(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。

激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔( 見光學(xué)諧振腔)并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔長度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式(即選模)，所以一般激光器都具有諧振腔。

激光器原理——結(jié)構(gòu)

激光器一般包括三個(gè)部分。

Ⅰ：激光工作介質(zhì)

激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)世非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。

Ⅱ：激勵(lì)源

為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì);也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì);還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。

Ⅲ：諧振腔

有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用。人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。

激光器原理——固體激光器

固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石(YAG)晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。

激光器原理——半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅(jiān)固。常用材料有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。

半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。這種激光器的特點(diǎn)是體積小，能耗低，功率低(因此對(duì)人眼相對(duì)安全一些)，能在常溫下運(yùn)行。

激光器原理——氣體激光器

氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低;操作方便;工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好;以及能長時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點(diǎn)。

工作物質(zhì)主要以氣體狀態(tài)進(jìn)行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是氣體，有的物質(zhì)在通常條件下是液體(如非金屬粒子的有水、汞)，及固體(如金屬離子結(jié)構(gòu)的銅，鎘等粒子)，經(jīng)過加熱使其變?yōu)檎魵?，利用這類蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器，統(tǒng)歸氣體激光器之中。氣體激光器中除了發(fā)出激光的工作氣體外，為了延長器件的工作壽命及提高輸出功率，還加入一定量的輔助氣體與發(fā)光的工作氣體相混合。

氣體激光器大多應(yīng)用電激勵(lì)發(fā)光，即用直流，交流及高頻電源進(jìn)行氣體放電，兩端放電管的電壓增壓時(shí)可加速電子，帶有一定能量，在工作物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的電子與粒子(氣體的原子或分子)碰撞時(shí)將自身的能量轉(zhuǎn)移給對(duì)方，使分子或原子被激發(fā)到某一高能級(jí)上而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光。氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以氣體激光器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單得多，造價(jià)較低，操作簡便，但是輸出功率常較小。因氣體激光器中的工作物質(zhì)不同。因此分中性(惰性)原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。

激光器原理——液體激光器

常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中(乙醇、丙酮、水等)中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光(在可見光范圍)。

染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng)用。

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