激光器的簡介以及發(fā)展歷程

1、激光器的工作原理激光器的工作原理納米實驗室（NPNS）激光是20世紀人類的重大科技發(fā)明之一，它對人類的社會生活產生了廣泛而深刻影響。作為高技術的研究成果，它不僅廣泛應用于科學技術研究的各個前沿領域，而且已經在人類生產和生活的許多方面得到了大量的應用，與激光有關的產業(yè)已在全球形成了超過千億美元的年產值。激光的發(fā)展史應該追溯到1917年，愛因斯坦提出光的受激輻射的概念，預見到受激輻射光放大器誕生，也就是激光產生的可能性。20世紀50年代美國科學家湯斯及前蘇聯(lián)科學家普羅科霍羅夫等人分別獨立發(fā)明了一種低噪聲微波放大器，即一種在微波波段的受激輻射放大器Maser（Microwave amplificat

2、ion by stimulated emission of radiation ).1958年美國科學家湯斯和肖洛提出在一定條件下，可將這種微波受激輻射放大器的原理推廣到光波波段，制成受激輻射光放大器Laser（Light amplification by stimulated emission of radiation）.1960年7月美國的梅曼宣布制成了第一臺紅寶石激光器。1961年我國科學家鄧錫銘、王之江制成我國第一臺紅寶石激光器，稱其為“光學量子放大器”。隨后我國科學家錢學森建議統(tǒng)一翻譯成“激光”或“激光器”激光器的第一臺激光器的第一臺 研制成功時間研制成功時間 研研 制制 人人 紅寶

3、石激光器（我國第一臺紅寶石激光器（我國第一臺) )19611961年年1111月月鄧錫銘鄧錫銘、王之江王之江He-NeHe-Ne激光器激光器 19631963年年7 7月月 鄧錫銘等鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器摻釹玻璃激光器 19631963年年6 6月月 干福熹干福熹 GaAsGaAs同質結半導體激光器同質結半導體激光器 19631963年年1212月月 王守武王守武 COCO2 2分子激光器分子激光器 19651965年年9 9月月 王潤文等王潤文等 激光器的基本結構1.激光工作物質：能夠實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，產生受激光放大2.激勵能源：能降低能級的粒子不斷抽運到高能級，補充受激輻射減少的高能級上粒

4、子數(shù)3.光學諧振腔：提高光能密度，保證受激輻射大于受激吸收 與普通光源不同，激光是靠介質內的受激輻射向外發(fā)出大量的光子而形成的。受激輻射產生的光子與外來光子性質完全相同，使入射光得到放大。用這種原理制成的光源稱為受激輻射的光放大器，簡稱激光器，其輸出光稱為激光。 產生激光的基本條件是受激輻射大于吸收。激光的發(fā)光原理是光的受激輻射，使處在激發(fā)態(tài)的原子收到外來的光機理作用而躍遷到低能級，同時發(fā)出一個與外來激勵光子完全相同的光子，從而實現(xiàn)光的放大。但是在普通熱輻射光源的情況下，受激輻射只占很小的比例，絕大部分的輻射是自發(fā)輻射，因此在宏觀上兵不能夠產生光受激放大。欲使受輻射成為主要的發(fā)光過程，需要使發(fā)

5、光物質處于激發(fā)態(tài)的高能上的粒子多于低能級上的粒子，同時還要使這樣的介質中受激輻射占絕對優(yōu)勢。20世紀上半葉的科學技術發(fā)展提供了這樣的可能。電子技術的發(fā)展提供了激勵能源，精密加工技術制造出諧振腔，材料科學的研究提供了各種激光工作介質，在近代高科技的發(fā)展支持下，各種激光器陸續(xù)誕生。 激光形成過程：激光形成過程：泵浦（抽運）泵浦（抽運）粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉受激放大受激放大振蕩振蕩放大放大達到閾值達到閾值激光輸出激光輸出當光波經過增益介質時，引起的受激輻射就會大于吸收，且粒子數(shù)密度的差值越大（也就是上下能級粒子數(shù)的分布差異越大），相對于吸收來說，受激輻射越強，光經過增益介質時增長得也越快，這就形成了受

6、激輻射在介質中占主導地位的狀態(tài)。反轉分布 受激輻射 占主導 光放大 有增益正常分布 受激吸收 占主導 光衰減，吸收 增益介質：增益介質：處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的物質為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，要求在單位時間內激發(fā)到上能級的粒為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，要求在單位時間內激發(fā)到上能級的粒子數(shù)密度越多越好，下能級的粒子數(shù)越少越好，上能級粒子數(shù)子數(shù)密度越多越好，下能級的粒子數(shù)越少越好，上能級粒子數(shù)的壽命長些好。的壽命長些好。激光器內形成光強的過程激光器內形成光強的過程 激光諧振腔內光強由弱變強直至最后達到穩(wěn)定的過程可以用圖(2-15)來描寫。 M2是反射率 的全反射鏡，置于在 處，M1是反射率 的部分反射鏡，置于

7、 坐標處。穩(wěn)定光強在腔中傳播過程由閉合曲線 所表示。 12rLz 11r0zALILILILIA)2(),2()(),(諧振腔內光強的放大過程諧振腔內光強的放大過程 (1)由于自發(fā)輻射，在z=0處有一束強度為I1的入射光沿腔軸傳播，此時由于腔內光強很弱，此時介質的增益系數(shù)就是小訊號增益系數(shù) , 有：0GLaGIrIzaGII)exp()exp(012101內內圖中曲線 表示了這個過程。 11II 1I(2) 又經增益介質進行放大，再傳到M1處時，光強已增至 LaGIrLaGII2)exp()exp(012011內內如圖中曲線 所示 11II 3IL1r2r 1I(3) 光強在M1上一部分反射回

8、腔內繼續(xù)放大，這部分為 LaGIrrI2)exp(01212內一部分作為激光器的輸出由M1鏡透射出去，其大小為 LaGIrtIout2)exp(0121內其余部分都作為鏡面損耗而損失掉了，這部分為 LaGIraIaIh2)exp(012111內3IL1r2r(4)圖中縱軸上 代表總鏡面損耗 ， 即 21 IIhoutIILaGIrtaIIhout2)exp()(01211內(5)此時腔內光的放大倍數(shù)為 12)exp(02112LaGrrIIK內激光器的類型激光器的類型和應用和應用用固體激光材料作為工作物質的激光器（見激光）。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第

9、一臺激光器。固體激光器一般由激光工作物質、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構成。這類激光器所采用的固體工作物質，是把具有能產生受激發(fā)射作用的金屬離子摻入晶體而制成的。在固體中能產生受激發(fā)射作用的金屬離子主要有三類：過渡 固體激光器金屬離子（如Cr3+）；大多數(shù)鑭系金屬離子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；錒系金屬離子（如U3+）。這些摻雜到固體基質中的金屬離子的主要特點是：具有比較寬的有效吸收光譜帶，比較高的熒光效率，比較長的熒光壽命和比較窄的熒光譜線，因而易于產生粒子數(shù)反轉和受激發(fā)射固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學研究領域有廣泛 固體激光器的用途。它常用于測距、跟蹤、制導、打孔

10、、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調諧染料激光器的激勵源。 固體激光器的發(fā)展趨勢是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長和工作波長可調諧的新工作物質，提高激光器的轉換效率，增大輸出功率，改善光束質量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長工作壽命等。合成高能固體激光器JHPSSL是美軍繼氧碘化學激光武器之后的研發(fā)重點，固體激光器能采用功率合成的方法達到遠超過化學激光器的的功率，通過增減模塊數(shù)量可以滿足從攔截戰(zhàn)術炮彈到攔截戰(zhàn)略導彈的多層次需求。Nd:YAGNd:YVO4氣體激光器利用氣體或蒸氣作

11、為工作物質產生激光的器件。它由放電管內的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源等三個主要部分組成。主要激勵方式有電激勵、氣動激勵、光激勵和化學激勵等。其中電激勵方式最常用。在適當放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)和能量轉移激發(fā)等，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級上，從而形成與某低能級間的粒子數(shù)反轉，產生受激發(fā)射躍遷。 這是一類以氣體為工作物質的激光器。此處所說的氣體可以是純氣體，也可以是混合氣體；可以是原 氣體激光器子氣體，也可以是分子氣體；還可以是離子氣體、金屬蒸氣等。多數(shù)采用高壓放電方式泵浦。最常見的有氦-氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦-鎘激光器和銅蒸氣激光器等。 CO2激光器是

12、遠紅外光頻段波長為10.6 m的氣體激光器，采用CO2氣體充入放電管作為產生激光的介質，當在電極上加高電壓，放電管中產生輝光放電（稀薄氣體中的自激導電現(xiàn)象 ），就可使氣體分子釋放出激光，將激光能量放大后就形成對材料加工的激光束。工作物質是中性分子氣體，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波長范圍很廣，從真空紫外、可見光到遠紅外。其中以二氧化碳激光器最為重要，其特點是效率高，大約在1025范圍內，可以獲得很高激光功率,連續(xù)輸出功率高達萬瓦,脈沖器件輸出可達萬焦耳每脈沖級。這種激光器工作在以 9.4微米和10.4微米為中心的多條分子振轉光譜線上。二氧化碳激光器分為普通低氣壓封離型激光器、橫向和縱向

13、氣體循環(huán)流動型激光器、橫向大氣壓和高氣壓連續(xù)調諧激光器、氣動激光器和波導激光器等。這些激光器可用于加工和處理（如焊接、切割和熱處理）、光通信、測距、同位素分離和高溫等離子體研究等方面。其中波導二氧化碳激光器是一種結構緊湊、增益高和可調諧的激光器，特別適用于激光通信和高分辨光譜學。 全反鏡激光二極管（激光二極管（LD）耦合系統(tǒng)半反鏡Yb:YLP光纖 工作物質是有機染料，其能級由單重態(tài)(S)和三重態(tài)(T)組成。S和T又分裂成許多振動轉動能態(tài)，在溶液中這些能態(tài)還要明顯加寬，因此能發(fā)出很寬的熒光。 一般染料激光器的結構簡單、價廉，輸出功率和轉換效率都比較高。環(huán)形染料激光器的結構比較復雜，但性能優(yōu)越，可以輸出穩(wěn)定的單縱模激光。 染料激光的調諧范圍為0.31.2微米，是應用最多的一種可調諧激光器。信息技術方面的應用：光通訊，光存儲，光放大，光計算，光隔離器檢測技術方面的應用：測長，測距，測速，測角，測三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學應用：外科手術，激光幅照（皮膚科、婦產科），眼科手術，激光血照儀，視光學測量科學研究方面的應用：激光核聚變，重力