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English| 發(fā)布日期：2019-07-01 |
激光器原理
一、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χ射線和γ射線）的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類對光的認(rèn)識和利用達(dá)到了一個嶄新的水平。
世界上第一臺激光器—紅寶石激光器（固體激光器）于1960年7月誕生，距今已有整整五十年了。在這五十年時間里固體激光的發(fā)展與應(yīng)用研究有了極大的飛躍，并且對人類社會產(chǎn)生了巨大的影響。 固體激光器從其誕生開始至今，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，其價值不言而喻。正是由于這些突出的特點(diǎn)，其在工業(yè)、國防、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。
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)了種類繁多的激光器。 如下表1所示，分別從激光的工作物質(zhì)、激勵方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式和輸出波長范圍等四個方面進(jìn)行分類。
二、固體激光器的原理和結(jié)構(gòu)
（一）產(chǎn)生激光的條件
生激光有三個必要的條件
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)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；
2）有外界激勵源，將下能級的粒子抽運(yùn)到上能級，使激光上下能 級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；
3）有光學(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，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。
（二）激光的特點(diǎn)
與普通意義上的光源相比較，激光主要有四個顯著的特點(diǎn)：方向性好、亮度極高、單色性好、相干性好。
（三）產(chǎn)生激光的原理
1）自發(fā)輻射：
被激發(fā)到高能級上的粒子是不穩(wěn)定的，它們在高能級上只能停留一個極為短暫的時間，納為一億分之一秒，然后立即向低能級躍遷。這個過程是在沒有外界作用的情況下完全自發(fā)地進(jìn)行的，所以稱為“自發(fā)躍遷”。粒子在自發(fā)躍遷過程中，要把原先吸收的能量釋放出來，所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾踊驘崮?將熱能傳給其他粒子，這種躍遷叫做“無輻射躍遷”，不會有光產(chǎn)生；將能量轉(zhuǎn)換為光子，叫做自發(fā)輻射躍遷。
自發(fā)輻射的特點(diǎn)是：由于物質(zhì)(發(fā)光體)中彼此間沒有任何聯(lián)系，所以各個粒子在自發(fā)輻射過程中產(chǎn)生的光子沒有統(tǒng)一的步調(diào)，不僅輻射光子的時間有先有后，波長有長有短，而且傳播的方向也不一致。因?yàn)樽园l(fā)輻射光是由這樣許許多多雜亂無章的光子組成的，所以我們通常見到的光，是包含許多種波長成份(即多種的顏色)、射向四面八方的雜散光。陽光、燈光、火光等普通光都屬于自發(fā)輻射光。
2）受激輻射：
粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并非只能以自發(fā)方式進(jìn)行，處于高能態(tài)的粒子可以在沒有外界因素的影響下自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，也可以在外界因素的誘發(fā)和刺激下向低能態(tài)躍遷，而且在躍遷中同樣也向外輻射光子。由于后一種過程是被“激”出來的，所以就叫做“受激輻射”過程。
受激輻射過程的特點(diǎn)是:必須有外來光子的“刺激”，而且只有當(dāng)外來光子的頻率恰恰符合下式:（EN-EV）/h= v時處于高能級E的粒子才會在這個外來光子的刺激下向低能級躍遷，并同時輻射出一個額率、傳播方向、振動方向均與外來光子完全相同的光子。
簡單地說，輸入是一個外來光子，而輸出的則是性質(zhì)與外來光子一模一樣的兩個光子，因?yàn)樵谳敵龅膬蓚€光子中，一個就是外來光子本身，而另一個則是在受激輻射過程中釋放出來的，即是被外來光子“激出來的。一個光子激發(fā)一個粒子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個完全相同的光子，這就是光的“放大”。這兩個光子再去激發(fā)兩個粒子產(chǎn)生受激輻射，就可以得到完全相同的4個光子，4、8、......如此鏈鎖反應(yīng)，完全相同的光子數(shù)目便會越來越多，可見受激輻射過程也就是光放大的過程。在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大了的光，便是激光。
3）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
為了產(chǎn)生受激輻射，就必須變革粒子的常規(guī)分布狀態(tài)，來個“粒子大搬家”，將處在低能態(tài)的粒子“搬”到高能態(tài)上去，使高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)。由于它同正常粒子數(shù)分布相反，所以叫粒子數(shù)反分布。此狀態(tài)激光理論中有個統(tǒng)叫 法“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”或“集居數(shù)反轉(zhuǎn)”，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的粒子體系是不穩(wěn)定的，如果這時有合適的誘發(fā)光子刺激它，則受激輻射就會發(fā)生而產(chǎn)生激光。可見，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)便是實(shí)現(xiàn)激光產(chǎn)生的先決條件。
4）"搬運(yùn)”粒子的工具——光泵
要想把處于低能態(tài)的粒子送到高能態(tài)去，就得有外力借助工具來實(shí)現(xiàn)。這個過程類似于把水位很低的河水或井水抽運(yùn)到水塔上的蓄水池里，必須要有足夠功率的水泵作功才成。同理，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，首先必須消耗-定的能量把大量粒子從低能級“搬運(yùn)”到高能級，這種過程在激光理論上叫做泵浦或激勵。由于其作用原理和水泵抽水相類似，所以把能使大量的粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的激勵裝置通稱之為“光泵”。
5）閾值和激勵方式
“光泵個只是在解釋粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時借用的一種形象的說法。實(shí)際上粒子都是甘居低能態(tài)的，而且很頑固，并不是象水一樣很容易地就被泵抽運(yùn)走了。即使費(fèi)了很大勁把一部分抽運(yùn)到了高能態(tài)，但它們很快就又自發(fā)地躍回低能態(tài)了。怎么辦呢，那就需要加大能量不停頓地來轟擊。就是說，激勵不僅要快，而且要強(qiáng)有力。 激勵作用總是通過消耗一定的能量來實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生受激輻射所需要的最小激勵能量定義為激光器的調(diào)值(的，即門檻的意思)。誠值是描述激光器整體性能的一個重要數(shù).
6）激光特點(diǎn)：激光與普通光既有相同之處，又有不同處。相同的地方是:兩種光在本質(zhì)上沒有區(qū)別，既是電磁波、又是粒子流，具有波粒二象性。不同之處在于:普通光是種雜亂無章的混合光， 而激光則是頻率、方向位相都極其一致的“純”光。根據(jù)光學(xué)理論，兩束光相干的條件是同頻率、同振動方向、位相相同或位相差恒定。顯然，受激輻射所產(chǎn)生的激光是相干光，而普通光是非相干光。
（四）激光器的結(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)。固體激光器主要由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、光學(xué)諧振腔及冷卻與濾光系統(tǒng)等五個部分組成。
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)激活粒子的能級結(jié)構(gòu)形式，可分為三能級系統(tǒng)（例如紅寶石激光器）與四能級系統(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。
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基本條件：有很高的發(fā)光效率和輻射光的光譜特性應(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，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；縱向:垂直入射的側(cè)面泵浦。 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、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與激光介質(zhì)吸收譜嚴(yán)格匹配
3) 聚光系統(tǒng)：聚光腔的作用有兩個[6]：一個是將泵浦源與工作物質(zhì)有效的耦合； 另一個是決定激光物質(zhì)上泵浦光密度的分布，從而影響到輸出光束的均勻性、發(fā)散度和光學(xué)畸變。工作物質(zhì)和泵浦源都安裝在聚光腔內(nèi)，因此聚光腔的優(yōu)劣直接影響泵浦的效率及工作性能。
4) 光學(xué)諧振腔:光學(xué)諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡組成，是固體激光器的重要 組成部分。光學(xué)諧振腔除了提供光學(xué)正反饋維持激光持續(xù)振蕩以形成受激發(fā)射，還對振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光的高單色性和高定向性。最簡單常用的固體激光器的光學(xué)諧振腔是由相向放置的兩平面鏡（或球面鏡）構(gòu)成。
5) 冷卻與濾光系統(tǒng)：冷卻與濾光系統(tǒng)是激光器必不可少的輔助裝置。固體激光器工作時會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的熱效應(yīng)，所以通常都要采取 冷卻措施。主要是對激光工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)和聚光腔進(jìn)行冷卻，以保證激光器的正常使用及器材的保護(hù)。冷卻方法有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻，但目前使用最廣泛的是液體冷卻方法。
要獲得高單色性的激光束，濾光系統(tǒng)起了很大的作用。濾光系統(tǒng) 能夠?qū)⒋蟛糠值谋闷止夂推渌恍└蓴_光過濾，使得輸出的激光單色性非常好。
三、激光技術(shù)的發(fā)展
未來的固體激光器將朝著以下幾個方向發(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，你不得不意識到現(xiàn)在還是激光發(fā)展的早期階段，更令人激動的美好前景將要來到。
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