激光器知識講解

1、激光器基本知識激光的意思是光受激發(fā)射，激光器的意思就易理解了吧！類似于放大鏡聚焦火柴，不過激光能量大，可連續(xù)和脈沖 ，分類激光器的種類就越來越多。按工作物質(zhì)的性質(zhì)分類，大體可以分為氣體激光器、固體激 光器、液體激光器；按工作方式區(qū)分，又可分為連續(xù)型和脈沖型等。其中每一類激光器又包 含了許多不同類型的激光器。按激光器的能量輸出又可以分為大功率激光器和小功率激光 器。大功率激光器的輸出功率可達(dá)到兆瓦量級，而小功率激光器的輸出功率僅有幾個(gè)毫瓦。 如前所述的He-Ne激光器屬于小功率、連續(xù)型、原子氣體激光器。紅寶石激光器屬于大功 率脈沖型固體材料激光器。自由電子激光器，其工作介質(zhì)是在周期性磁場中運(yùn)動的

2、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。大功率激光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所 發(fā)射的激光波長已達(dá)數(shù)千種， 最長的波長為微波波段的 0.7毫米，最短波長為遠(yuǎn)紫外區(qū)的 210 埃，X射線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，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)

3、激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占 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。激光器工作原理激光器廣泛用于各種產(chǎn)品和技術(shù)，其種類之多令人驚嘆。從 CD播放機(jī)、牙鉆、高速金屬切割機(jī)到測量系統(tǒng)，似乎所有東西都有激光器的影子，它們都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手電筒光束的區(qū)別何在

4、呢?NASA供圖美國國家航空航天管理局蘭利研究中心(La ngley ResearchCenter)的光學(xué)損傷閥值測試裝置有三部激光器：高能脈沖釹-釔鋁石榴石激光器、鈦-藍(lán)寶石激光器和諧振氦氖激光器。整個(gè)宇宙中大約只有100多種不同的原子。我們看到的所有東西都 是由這100多種原子以窮極無限的方式組合而成。 這些原子之間排列組 合的方式?jīng)Q定了構(gòu)成的物體是一杯水、一塊金屬或是汽水瓶中的泡沫！原子是永恒運(yùn)動著的。它們不停地振動、移動和旋轉(zhuǎn)，就連構(gòu)成我們座椅的原子也是不斷運(yùn)動著的。 固體實(shí)際上也在運(yùn)動！原子有幾種不 同的激發(fā)狀態(tài)，換言之，它們具有不同的能量。如果賦予原子足夠的能 量，它就可以從基態(tài)能

5、量層級上升到激發(fā)態(tài)能量層級。激發(fā)態(tài)能量層級的高低取決于通過熱能、光能、電能等形式賦予原子的能量有多少。下圖可以很好地闡釋原子的結(jié)構(gòu)：最簡單的原子模型由原子核和沿軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成。簡單原子由原子核（含有質(zhì)子和中子）和電子云組成。我們可以把電子云中的電子想象成沿多個(gè)不同軌道環(huán)繞原子核運(yùn)動。想一想上一頁中的原子結(jié)構(gòu)圖。即便以現(xiàn)代技術(shù)觀察原子，我們也 無法看到電子的離散軌道，但把這些軌道設(shè)想成原子不同的能級會對我 們的理解有所幫助。換言之，如果我們對原子加熱，處于低能量軌道上 的部分電子可能受激發(fā)而躍遷到距離原子核更遠(yuǎn)的高能量軌道。原子可以吸收熱能、光能、電能等形式的能量。然后電子可以從低 能量軌道

6、躍遷至高能量軌道。盡管這種描述很簡單，但它確實(shí)揭示了原子形成激光的核心原理。電子躍遷至更高能軌道后，最終仍要回到基態(tài)。在此過程中，電子 以光子（一種光線粒子）的形式釋放能量。您會發(fā)現(xiàn)，原子不斷地以光 子形式釋出能量。例如，烤箱中的加熱元件變成亮紅色，其中的紅色就 是由于原子受熱激發(fā)而釋放的紅色光子。 觀看電視屏幕上的圖像時(shí)，您 看到的其實(shí)是磷原子受高速電子激發(fā)所釋放的各種不同顏色的光線。任 何發(fā)光物體，包括熒光燈、煤氣燈、白熾燈，都是通過改變電子軌道并 釋放光子來發(fā)光的。激光器是控制受激原子的光子釋放方式的設(shè)備?！癓aser”是lightamplificati on by stimulated

7、 emissi on of radiati on（受激輻射光放大）的簡稱。這一名稱簡要的描述了激光器的工作原理。雖然激光器種類繁多，但它們都有一些基本特征。激光器中，激光 介質(zhì)須經(jīng)過泵激使原子處于激發(fā)狀態(tài)。一般來說，高強(qiáng)度閃光或放電可以泵激介質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生大量激發(fā)狀態(tài)的原子（含高能電子的原子）。而 激光器要有效運(yùn)行就必須要有大量處于激發(fā)狀態(tài)的原子。一般來說，原 子必須受激上升到基態(tài)以上兩到三個(gè)能量層級。這就提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指處于激發(fā)態(tài)的原子和處于基態(tài)的原子之間的數(shù) 量比。激光介質(zhì)受到泵激后，其中就包括一批帶有激發(fā)態(tài)電子的原子。受 激電子所含能量比低層級電子的能量高。就像電子可

8、以吸收一定能量達(dá)到激發(fā)態(tài)一樣，電子也可以釋放這種能量。如下圖所示，電子只要向低 層級躍遷，就會釋放部分能量。釋放的能量轉(zhuǎn)化為光子（光能）的形式。 發(fā)射出的光子具有特定的波長（顏色），這取決于釋出光子時(shí)電子的能 量狀態(tài)。兩顆擁有相同電子狀態(tài)的原子會釋放出相同波長的光子。能蜀釋取激光和普通光區(qū)別很大。它具有以下特性:發(fā)射的激光具有單色性。激光含有一種特定波長（即特定顏色）的 光線。光線的波長由電子回到低能軌道時(shí)釋放的能量決定。發(fā)射的激光具有良好的相干性。激光的組織結(jié)構(gòu)較好，每個(gè)光子都緊跟其他光子運(yùn)動。也就是說，所有光子的波前完全一致。激光具有良好的指向性。激光光束緊密、集中且能量極高。相反， 手電

9、筒發(fā)出的光線朝多個(gè)方向散射，光線能量弱，集中度低。為了實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)特性， 需要經(jīng)過一個(gè)稱為受激發(fā)射的過程。 這種 現(xiàn)象不可能在普通手電筒中出現(xiàn)， 因?yàn)樗脑邮请S機(jī)釋放光子。 而受 激發(fā)射時(shí)，原子是有組織地發(fā)射光子。原子釋放的光子具有特定的波長， 此波長取決于激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間 的能量差。如果光子（擁有一定能量和相位）碰到另一個(gè)原子；且該原子擁有處于相同激發(fā)狀態(tài)的電子， 即可引起受激發(fā)射。第一個(gè)光子可以 激發(fā)或引導(dǎo)原子發(fā)射光子，而后發(fā)射的光子（即第二個(gè)原子發(fā)射的光子） 按與進(jìn)入光子相同的頻率和方向振蕩。激光器的另一個(gè)關(guān)鍵部件是一對反光鏡，分別位于激光介質(zhì)的兩端。特定波長和相位的光子通過兩端反光鏡

10、的反射，在激光介質(zhì)之間來 回穿行。在此過程中，它們會激發(fā)更多的電子由高能軌道向低能軌道跳 躍，從而發(fā)射出更多相同波長和相位的光子， 隨后將產(chǎn)生“瀑布”效應(yīng)， 進(jìn)而在激光器內(nèi)迅速聚集起大量相同波長和相位的光子。激光介質(zhì)某一端的鏡面采用“半反射”鍍層，也就是說它只會反射部分光線，而其他 光線則可以穿透。穿透的光線就是激光。您可在下一頁旨在介紹簡易紅寶石激光器工作原理的插圖中，了解所有這些激光器組件。紅寶石激光器包括類似相機(jī)閃光燈的閃光管、紅寶石棒和兩面反射鏡（其中一面為半反射鏡面）。紅寶石棒是激光介質(zhì)， 閃光管是泵激源。嚴(yán) H閃光管反光表面部分反光表1. 未發(fā)射狀態(tài)的激光器2. 閃光管閃光并將光線

11、射入紅寶石棒。 光線激發(fā)紅寶石內(nèi)的原子。3. 其中的部分原子釋放出光子4. 部分光子沿紅寶石軸的平行方向運(yùn)動，因而在兩塊反光鏡之間來回反彈。它們經(jīng)過紅寶石晶體時(shí)，還會繼續(xù)激發(fā)其他原子。5. 單色、單相柱狀光線通過半反射鏡射出紅寶石棒，形成激光!以下是真實(shí)的三級激光器的工作原理示意圖。將電子泵激泵激級別電子下降至到更高能級不穩(wěn)定，較低能量狀電子快速態(tài)并釋放一處于激發(fā) 態(tài)能級的 電子跳至稍低 個(gè)光子 能級錯(cuò)面反射 光子生成波長和相 位相同的2個(gè) 光子激光器分為許多不同種類。激光介質(zhì)可以是固體、氣體、液體或半導(dǎo)體。我們通常按照用于發(fā)出激光的介質(zhì)對其進(jìn)行分類：固態(tài)激光器的發(fā)光材料分布在固態(tài)基質(zhì)中（如紅

12、寶石激光或釹-釔 鋁石榴石激光）。釹-釔鋁石榴石激光器可以發(fā)出波長為 1064納米（nm） 的紅外激光，其中1納米等于1x10-9米。氣態(tài)激光器主要輸出紅色的可見光束，最常見的氣態(tài)激光器包括：氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以發(fā)射遠(yuǎn)紅外能量，用于切割高 硬度物質(zhì)。準(zhǔn)分子（Excimer）激光器使用由氯、氟等活性氣體和氬、氪、氙等惰性氣體組成的混合物，其英語名稱取自“ excited ” （受激發(fā)的）和“ dimers ” （二聚體）兩個(gè)單詞。通電激發(fā)時(shí)，可產(chǎn)生準(zhǔn)分子（即二聚體）。發(fā)射激光后，二聚體可產(chǎn)生紫外波段的光線。染料激光器使用羅丹明6G等合成有機(jī)染料的溶液或懸濁液作為激光介質(zhì)。染料激

13、光器具有極為寬廣的波長調(diào)節(jié)范圍。半導(dǎo)體激光器，有時(shí)也稱為二極管激光器，屬非固態(tài)激光器。這種電子設(shè)備通常體積小、功率低。它們可以內(nèi)置到大型激光二極管陣列 （如 激光打印機(jī)或CD播放機(jī)的寫入源）中。紅寶石激光器（如前所述）屬固態(tài)激光器，其釋放的波長為694納 米。根據(jù)所需發(fā)射的波長（參閱下表）、功率、脈沖持續(xù)時(shí)間，可以選擇其他激光介質(zhì)。有些激光器功能非常強(qiáng)大，例如二氧化碳（CO2激 光器可以切割。二氧化碳激光器如此危險(xiǎn)的原因在于其發(fā)射的激光處于 光譜的紅外和微波區(qū)域。紅外輻射就是熱量，因此二氧化碳激光器基本 上可以熔化其對準(zhǔn)的所有物體。其他激光器，如二極管激光器，功率較弱，通常用于現(xiàn)在的便攜式 激

14、光指示器。這些激光器通常能發(fā)出波長在 630納米至680納米之間的 紅色光束。激光器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研領(lǐng)域，例如，使用強(qiáng)激光激發(fā) 其他分子，以觀察其反應(yīng)。以下是一些常見的激光器及其激光波長：激光種類波長（納米）氬氟激光（紫外光）193氪氟激光（紫外光）248氙氯激光（紫外光）308氮激光（紫外光）337氬激光（藍(lán)光）488氬激光（綠光）514氦氖激光（綠光）543氦氖激光（紅光）633羅丹明6G染料（可調(diào)光）570-650紅寶石（CrAIOs）（紅光）694釹-釔鋁石榴石（近紅外光）1064一氧化碳（遠(yuǎn)紅外光）10600激光警示標(biāo)志根據(jù)可能造成的生理傷害，激光器可分為四個(gè)廣泛的種類。每套激 光設(shè)備都應(yīng)具有以下四種標(biāo)志之一：I級：這種激光器不會構(gòu)成任何已知程度的傷害。I.A.級：這是一個(gè)特殊的級別，指“不適宜用眼睛直接觀看”的激光器，比如超市使用的激光掃描器。此級別激光器的最高限定功率為 4.0毫瓦。II級：指低功率可見光激光