紅寶石激光器論文

1、 紅寶石激光器原理及應(yīng)用教學(xué)學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 屆 別 2012屆 專 業(yè) 材料化學(xué) 學(xué) 號(hào) 120843077 姓 名 田靜 完成日期 2015.5.9 目 錄1摘要12激光與激光器12.1激光12.2激光器23固體激光器33.1工作原理和基本結(jié)構(gòu)33.2紅寶石激光器53.3紅寶石激光器的優(yōu)缺點(diǎn)64固體激光器的應(yīng)用74.1固體激光器在軍事國(guó)防上的應(yīng)用74.2紅寶石激光器的應(yīng)用9參考文獻(xiàn)1112 摘要世界上第一臺(tái)激光器紅寶石激光器（固體激光器）于1960年7月誕生了，距今已有整整五十年了。在這五十年時(shí)間里固體激光的發(fā)展與應(yīng)用研究有了極大的飛躍，并且對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響。固體激光器從

2、其誕生開始至今，一直是備受關(guān)注。其輸出能量大，峰值功率高，結(jié)構(gòu)緊湊牢固耐用，因此在各方面都得到了廣泛的用途，其價(jià)值不言而喻。正是由于這些突出的特點(diǎn)，其在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、科研等方面得到了廣泛的應(yīng)用，給我們的現(xiàn)實(shí)生活帶了許多便利。未來的固體激光器將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：a) 高功率及高能量b) 超短脈沖激光c) 高便攜性d) 低成本高質(zhì)量現(xiàn)在，激光應(yīng)用已經(jīng)遍及光學(xué)、醫(yī)學(xué)、原子能、天文、地理、海洋等領(lǐng)域，它標(biāo)志著新技術(shù)革命的發(fā)展。誠(chéng)然，如果將激光發(fā)展的歷史與電子學(xué)及航空發(fā)展的歷史相比，你不得不意識(shí)到現(xiàn)在還是激光發(fā)展的早期階段，更令人激動(dòng)的美好前景將要來到。2激光與激光器2.1激光2.1.1激光（L

3、ASER）激光的英文名LASER，是英語詞組Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射的光放大）的縮寫1。2.1.2產(chǎn)生激光的條件產(chǎn)生激光有三個(gè)必要的條件2：1) 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；2) 有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；3) 有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。2.1.3激光的特點(diǎn)與普通意義上的光源相比較，激光主要有四個(gè)顯著的特

4、點(diǎn)：方向性好、亮度極高、單色性好、相干性好。2.2激光器激光器的發(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)光過程，從而獲得產(chǎn)生放大相干的紅外線、可見光線和紫外線（以至射線和射線）的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。2.2.1激光器的誕生史 激光器的誕生史大致可以分為以下三個(gè)階段3：理論基礎(chǔ)階段、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)階段和激光器產(chǎn)生（競(jìng)賽）階段。2.2.2激光器的分類1960年，梅曼首次在實(shí)驗(yàn)室用紅寶石晶體獲得了激光輸出，開創(chuàng)了激光發(fā)展的先河。此后，激光器件和技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了種類繁多的激光

5、器。如下表1所示，分別從激光的工作物質(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式和輸出波長(zhǎng)范圍等四個(gè)方面進(jìn)行分類。分類方式工作物質(zhì)激勵(lì)方式運(yùn)轉(zhuǎn)方式輸出波長(zhǎng)氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器光泵式激光器核泵浦激光器化學(xué)激光器化學(xué)激光器其他激光器連續(xù)激光器單次脈沖激光器鎖模激光器可調(diào)諧激光器紅外激光器可見激光器紫外激光器X射線激光器 表一3 固體激光器3.1 工作原理和基本結(jié)構(gòu)在固體激光器中，由泵浦系統(tǒng)輻射的光能，經(jīng)過聚焦腔，使在固體工作物質(zhì)中的激活粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過諧振腔，從而輸出激光。如圖1所示,固體激光器的基本結(jié)構(gòu)（有部分結(jié)構(gòu)沒有畫出）。固體激光器主要由工作物質(zhì)、泵浦

6、系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、光學(xué)諧振腔及冷卻與濾光系統(tǒng)等五個(gè)部分組成4。圖1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)1) 工作物質(zhì) 工作物質(zhì)激光器的核心，是由激活粒子（都為金屬）和基質(zhì)兩部分組成，激活粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了激光的光譜特性和熒光壽命等激光特性，基質(zhì)主要決定了工作物質(zhì)的理化性質(zhì)。根據(jù)激活粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)形式，可分為三能級(jí)系統(tǒng)（例如紅寶石激光器）與四能級(jí)系統(tǒng)（例如Er：YAG激光器）。工作物質(zhì)的形狀目前常用的主要有四種：圓柱形（目前使用最多）、平板形、圓盤形及管狀4。2) 泵浦系統(tǒng) 泵浦源能夠提供能量使工作物質(zhì)中上下能級(jí)間的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要滿足兩個(gè)基本條件：有很高的發(fā)光效率和輻射光的光譜特

7、性應(yīng)與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。常用的泵浦源主要有惰性氣體放電燈、太陽能及二極管激光器。其中惰性氣體放電燈是當(dāng)前最常用的，太陽能泵浦常用在小功率器件（尤其在航天工作中的小激光器可用太陽能最為永久能源），二極管(LD)泵浦是目前固體激光器的發(fā)展方向，它集合眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，已成為當(dāng)前發(fā)展最快的激光器之一。LD泵浦的方式可以分為兩類，橫向：同軸入射的端面泵浦（如下圖2 a）；縱向:垂直入射的側(cè)面泵浦（如圖2 b）。圖2 LD泵浦方式結(jié)構(gòu)示意LD泵浦的固體激光器有很多優(yōu)點(diǎn)，壽命長(zhǎng)、頻率穩(wěn)定性好、熱光畸變小等等，當(dāng)然最突出的優(yōu)點(diǎn)是泵浦效率高，因?yàn)樗闷止獠ㄩL(zhǎng)與激光介質(zhì)吸收譜嚴(yán)格匹配。3.2紅寶石激光器（

8、：）紅寶石是由藍(lán)寶石（）中摻入少量的氧化鉻（）而形成。紅寶石激光器的工作物質(zhì)是:，其中，作為基質(zhì)晶體，是發(fā)光的激活粒子，光譜特性與的能級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)，它是三能級(jí)系統(tǒng)。如下圖4所示為紅寶石晶體能級(jí)圖5。在室溫情況下，紅寶石激光器一般輸出694.3nm的紅光。圖3 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)紅寶石激光器的有一些非常突出的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度好，高功率密度，大尺寸晶體，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，高能量單模輸出。當(dāng)然也有一些很明顯的缺點(diǎn)：閾值高，溫度效應(yīng)明顯。所以只能在低溫下連續(xù)與高重復(fù)率運(yùn)行。3.2.1紅寶石激光器的工作原理紅寶石棒兩個(gè)端面精磨拋光，其中一個(gè)端面鍍銀，成為全反射面，另一個(gè)端面平鍍銀，成為透射率10% 的部分

9、反射面。激勵(lì)能源是光源螺旋形脈沖氙燈（現(xiàn)經(jīng)常采用直管氙燈），由氙閃光燈發(fā)出的光照射到紅寶石的側(cè)面，外有聚光器加強(qiáng)照射效果，閃光燈通常一次工作幾毫秒，輸入能量1000-2000J，閃光燈的大部分輸入能量耗散為熱，只有一部分變成光能為紅寶石所吸收，并轉(zhuǎn)移到其中的相應(yīng)能級(jí)上。當(dāng)由氙燈輸入的能量超過激光器的閾值時(shí)，則每激勵(lì)一次，就有一束相干光從紅寶石的半鍍銀面射出，其波長(zhǎng)為694.3nm紅光。 當(dāng)氙燈射紅寶石時(shí)，基態(tài)能級(jí)上的吸收（360450）nm和（510600）nm的光躍遷到和能級(jí)。在和能級(jí)上的壽命s很短，因而迅速通過無輻射躍遷到能級(jí)。該能級(jí)是壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)能級(jí)上可以積累較多的，可以實(shí)現(xiàn)

10、在和上的粒子束反轉(zhuǎn)。而有兩個(gè)能級(jí)間隔為29的子能級(jí)2和組成。粒子由2和向躍遷產(chǎn)生694.3nm和692.9nm的熒光譜線，稱為線和線。 由于能級(jí)集居數(shù)較2的多，所以易于產(chǎn)生線，線形成后，抽空的粒子很快由2的粒子補(bǔ)充，在2與很難形成粒子束反轉(zhuǎn)，則激光器只能輸出線。3.3紅寶石激光器的優(yōu)缺點(diǎn)紅寶石激光器主要優(yōu)點(diǎn)： 1）從應(yīng)用觀點(diǎn)看紅寶石是很有吸引力的，因?yàn)樗妮敵鲈诳梢姽夥秶蠖鄶?shù)稀土四能級(jí)激光器的輸出則在近紅外。 2）從光譜角度看紅寶石具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：較窄的線寬、長(zhǎng)熒光壽命、高量子效率以及寬的而位置優(yōu)越的泵浦吸收帶。這可以非常有效的利用閃光燈發(fā)射出泵浦輻射。3）輸出694.3nm波長(zhǎng)的

11、可見激光。光譜線寬0.010.1nm，光斑直徑為36mm。易于接收和檢測(cè)。紅寶石激光器主要缺點(diǎn)：1）溫度效益比較嚴(yán)重，發(fā)熱量大。正是由于輸出能量大，峰值功率高，導(dǎo)致熱效應(yīng)非常明顯，因此紅寶石激光器不得不配置冷卻系統(tǒng)，才能保證固體激光器的正常連續(xù)使用。2）轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，紅寶石激光器的轉(zhuǎn)換效率在0.5%1%左右。3）紅寶石激光器屬三能級(jí)系統(tǒng)，具有較高的泵浦能量閾值，通常只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)。4固體激光器的應(yīng)用固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。它常用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息

12、照相以及激光核聚變等方面。4.1軍事國(guó)防在激光器軍事應(yīng)用的過程中，固體激光器可算是后起之秀。直到20世紀(jì)90年代，由于激光技術(shù)的發(fā)展，固體激光器才在各種軍事應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角，并成為絕對(duì)的主角。1) 常規(guī)的固體激光武器激光測(cè)距儀是部隊(duì)中使用最普遍的激光系統(tǒng)，他們被裝備在主站坦克、火炮和步兵戰(zhàn)車上等。裝備之后，可以大大的提高攻擊命中率。相比傳統(tǒng)的光學(xué)瞄準(zhǔn)裝備，命中率提高數(shù)倍。目前，服役的激光測(cè)距儀大多數(shù)是1.06mm的摻釹釔鋁石榴石（:）激光測(cè)距儀。但由于長(zhǎng)期使用該固體激光器容易讓人眼膜損壞，目前正在轉(zhuǎn)向?qū)θ搜郯踩?.54mm摻鉺（Er）的磷酸玻璃激光器。當(dāng)然，還有一些被大量使用的常規(guī)激光武器，

13、例如激光目標(biāo)指示器（LD泵浦的固體激光器），激光雷達(dá)等6。2) 激光導(dǎo)彈防御系統(tǒng) 激光導(dǎo)彈防御或稱激光反導(dǎo)的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毀聲速運(yùn)行的導(dǎo)彈或其它飛行固體。我們可以說這方面是LD泵浦的固體激光器的天下，因?yàn)樗幸恍┩怀龅膬?yōu)點(diǎn)。目前在陸軍中采用的陸基小型激光反導(dǎo)系統(tǒng)、空軍采用的機(jī)載激光反導(dǎo)系統(tǒng)和海軍采用的艦載激光反導(dǎo)系統(tǒng)中都是使用LD泵浦的固體激光器7。3) 未來的激光武器未來的固體激光武器主要的方向是超高功率和高便攜性。高能激光器是未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的重要組成部分，將在反監(jiān)視、主動(dòng)保護(hù)、防空和清除暴露地雷等方面做出貢獻(xiàn)。高便攜性將使單兵作戰(zhàn)的能力大極大的提高，充分發(fā)揮每一個(gè)兵的作用

14、，當(dāng)然目前這個(gè)想法還是僅僅處于理論階段。目前各國(guó)的激光武器都朝著這兩個(gè)目標(biāo)發(fā)展，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)還需很漫長(zhǎng)的等待。如下圖7所示，為美軍未來車載激光武器效果圖8：圖4 美軍未來車載激光武器效果圖如下圖59所示為諾思羅普·格魯曼公司研制出的高功率固體激光器，起功率達(dá)到100千瓦，可以說這個(gè)功率的出現(xiàn)是固體激光器向高功率方向發(fā)展邁出的非常有意義和非常重要的一步。圖5諾思羅普·格魯曼公司研制出的高功率固體激光器4.2紅寶石激光器的應(yīng)用 紅寶石激光器對(duì)玉石進(jìn)行加工的研究為國(guó)內(nèi)的首創(chuàng),在國(guó)內(nèi)尚無現(xiàn)成的理論和產(chǎn)品。隨著時(shí)代的發(fā)展,玉石加工的技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代。我希望把激光這種先進(jìn)的

15、技術(shù)引進(jìn)到玉石加工中來,以之代替現(xiàn)有的機(jī)械加工和超聲波加工的方法,達(dá)到提高玉石加工的效率和質(zhì)量的目的。然而,對(duì)于玉石來說,大部分激光器發(fā)出的激光吸收率并不高,這就造成了玉石加工中激光器應(yīng)用能力不強(qiáng)的特殊性問題。這時(shí),以紅寶石(ruby)為工作物質(zhì)的紅寶石激光器發(fā)出的激光由于其在玉石上相對(duì)來說較高的吸收率而被重視起來 。如下圖6是紅寶石激光器激光打孔。圖6 紅寶石激光器激光打孔眼科：用于視網(wǎng)膜的焊接，治療青光眼，虹膜的切除等；激光的首次在醫(yī)學(xué)上的成功應(yīng)用是進(jìn)行眼內(nèi)手術(shù)，無需要切開眼球。早在1962年，一臺(tái)紅寶石激光器將病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，使他恢復(fù)了視力。如圖7所示： 圖7 視網(wǎng)膜的焊

16、接紅寶石激光器波長(zhǎng)為694.3nm的可見紅光，這種波長(zhǎng)的激光最不易被氧合血紅蛋白吸收，而黑色素對(duì)其吸收率較高，尤其適用于各種色素性疾病 黑色素細(xì)胞對(duì)532nm的激光的吸收較強(qiáng)，加之皮膚組織對(duì)該波長(zhǎng)的散射較強(qiáng)，照射在皮膚上的532nm激光能量被局限在皮膚表皮層，采用調(diào)Q技術(shù)后，可對(duì)表淺型黑色素細(xì)胞增生，如咖啡斑、老年斑、雀斑等達(dá)到較好的治療效果12。參考文獻(xiàn)1 蔡樞,吳銘磊.大學(xué)物理(當(dāng)代物理前沿部分專題).北京:高等教育出版社,1996:282 陳家壁,彭潤(rùn)玲.激光原理與應(yīng)用(第二版).北京:電子工業(yè)出版社,2008.8:273 單振國(guó),干福熹.當(dāng)代激光之魅力.北京:科學(xué)出版社,2000:5-104 克希奈爾著,孫文,江澤文,程國(guó)祥譯.固體激光工程.北京:科學(xué)出版社.2002.5:76-775 陳家壁,彭潤(rùn)玲.