| 激光器原理、分類(lèi)及用途簡(jiǎn)介 |
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| 激光器——能發(fā)射激光的裝置。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。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應(yīng)用到光頻范圍，1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。以后，激光器的種類(lèi)就越來(lái)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(lèi)。近來(lái)還發(fā)展了自由電子激光器，大功率激光器通常都是脈沖式輸出。
一、原理：
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(guò)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(lái)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(jiàn)的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（ 見(jiàn)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(zhǎng)度，還能通過(guò)改變諧振腔長(zhǎng)度來(lái)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。
二、激光工作物質(zhì)
是指用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時(shí)也稱(chēng)為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對(duì)激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級(jí)間實(shí)現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個(gè)激光發(fā)射作用過(guò)程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特性。
三、激勵(lì)抽運(yùn)系統(tǒng)
是指為使激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來(lái)源的機(jī)構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵(lì)方式和激勵(lì)裝置，常見(jiàn)的有以下四種。①光學(xué)激勵(lì)(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來(lái)輻照工作物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個(gè)激勵(lì)裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成，這種激勵(lì)方式也稱(chēng)作燈泵浦。②氣體放電激勵(lì)。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個(gè)激勵(lì)裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學(xué)激勵(lì)。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。④核能激勵(lì)。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線(xiàn)來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。
四、光學(xué)共振腔
通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：①提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。②對(duì)腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①，是由通常組成腔的兩個(gè)反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對(duì)組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對(duì)腔內(nèi)不同行進(jìn)方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。
激光器的種類(lèi)是很多的。下面，將分別從激光工作物質(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長(zhǎng)范圍等幾個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)介紹。
五、工作物質(zhì)
根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類(lèi)：①固體激光器（晶體和玻璃），這類(lèi)激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過(guò)把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的；②氣體激光器，它們所采用的工作物質(zhì)是氣體，并且根據(jù)氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用之工作粒子性質(zhì)的不同，而進(jìn)一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；③液體激光器，這類(lèi)激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類(lèi)，一類(lèi)是有機(jī)熒光染料溶液，另一類(lèi)是含有稀土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物溶液，其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無(wú)機(jī)化合物液體（如SeOCl2）則起基質(zhì)的作用；④半導(dǎo)體激光器，這類(lèi)激光器是以一定的半導(dǎo)體材料作工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用，其原理是通過(guò)一定的激勵(lì)方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間，通過(guò)激發(fā)非平衡載流子而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用；⑤自由電子激光器，這是一種特殊類(lèi)型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線(xiàn)波段過(guò)渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。
六、激勵(lì)方式
①光泵式激光器。指以光泵方式激勵(lì)的激光器，包括幾乎是全部的固體激光器和液體激光器，以及少數(shù)氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。②電激勵(lì)式激光器。大部分氣體激光器均是采用氣體放電（直流放電、交流放電、脈沖放電、電子束注入）方式進(jìn)行激勵(lì)，而一般常見(jiàn)的半導(dǎo)體激光器多是采用結(jié)電流注入方式進(jìn)行激勵(lì)，某些半導(dǎo)體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵(lì)。③化學(xué)激光器。這是專(zhuān)門(mén)指利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)的激光器，反希望產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)可分別采用光照引發(fā)、放電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)。④核泵浦激光器。指專(zhuān)門(mén)利用小型核裂變反應(yīng)所釋放出的能量來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)的一類(lèi)特種激光器，如核泵浦氦氬激光器等。
七、運(yùn)轉(zhuǎn)方式
由于激光器所采用的工作物質(zhì)、激勵(lì)方式以及應(yīng)用目的的不同，其運(yùn)轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應(yīng)有所不同，從而可區(qū)分為以下幾種主要的類(lèi)型。
�、龠B續(xù)激光器，其工作特點(diǎn)是工作物質(zhì)的激勵(lì)和相應(yīng)的激光輸出，可以在一段較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn)行，以連續(xù)光源激勵(lì)的固體激光器和以連續(xù)電激勵(lì)方式工作的氣體激光器及半導(dǎo)體激光器，均屬此類(lèi)。由于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中往往不可避免地產(chǎn)生器件的過(guò)熱效應(yīng)，因此多數(shù)需采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。
�、趩未蚊}沖激光器，對(duì)這類(lèi)激光器而言，工作物質(zhì)的激勵(lì)和相應(yīng)的激光發(fā)射，從時(shí)間上來(lái)說(shuō)均是一個(gè)單次脈沖過(guò)程，一般的固體激光器、液體激光器以及某些特殊的氣體激光器，均采用此方式運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)器件的熱效應(yīng)可以忽略，故可以不采取特殊的冷卻措施。
�、壑貜�(fù)脈沖激光器，這類(lèi)器件的特點(diǎn)是其輸出為一系列的重復(fù)激光脈沖，為此，器件可相應(yīng)以重復(fù)脈沖的方式激勵(lì)，或以連續(xù)方式進(jìn)行激勵(lì)但以一定方式調(diào)制激光振蕩過(guò)程，以獲得重復(fù)脈沖激光輸出，通常亦要求對(duì)器件采取有效的冷卻措施。
④調(diào)激光器，這是專(zhuān)門(mén)指采用一定的開(kāi)關(guān)技術(shù)以獲得較高輸出功率的脈沖激光器，其工作原理是在工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)形成后并不使其產(chǎn)生激光振蕩 (開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài))，待粒子數(shù)積累到足夠高的程度后，突然瞬時(shí)打開(kāi) 開(kāi)關(guān)，從而可在較短的時(shí)間內(nèi)（例如10～10秒）形成十分強(qiáng)的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出（見(jiàn)技術(shù)'" class=link>激光調(diào) 技術(shù)）。
�、萱i模激光器，這是一類(lèi)采用鎖模技術(shù)的特殊類(lèi)型激光器，其工作特點(diǎn)是由共振腔內(nèi)不同縱向模式之間有確定的相位關(guān)系，因此可獲得一系列在時(shí)間上來(lái)看是等間隔的激光超短脈沖（脈寬10～10秒）序列，若進(jìn)一步采用特殊的快速光開(kāi)關(guān)技術(shù)，還可以從上述脈沖序列中選擇出單一的超短激光脈沖（見(jiàn)激光鎖模技術(shù)）。
⑥單模和穩(wěn)頻激光器，單模激光器是指在采用一定的限模技術(shù)后處于單橫模或單縱模狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，穩(wěn)頻激光器是指采用一定的自動(dòng)控制措施使激光器輸出波長(zhǎng)或頻率穩(wěn)定在一定精度范圍內(nèi)的特殊激光器件，在某些情況下，還可以制成既是單模運(yùn)轉(zhuǎn)又具有頻率自動(dòng)穩(wěn)定控制能力的特種激光器件（見(jiàn)激光穩(wěn)頻技術(shù)）。
�、呖烧{(diào)諧激光器，在一般情況下，激光器的輸出波長(zhǎng)是固定不變的，但采用特殊的調(diào)諧技術(shù)后，使得某些激光器的輸出激光波長(zhǎng)，可在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可控地發(fā)生變化，這一類(lèi)激光器稱(chēng)為可調(diào)諧激光器（見(jiàn)激光調(diào)諧技術(shù)）。
八、波段范圍
根據(jù)輸出激光波長(zhǎng)范圍之不同，可將各類(lèi)激光器區(qū)分為以下幾種。
�、龠h(yuǎn)紅外激光器，輸出波長(zhǎng)范圍處于25～1000微米之間， 某些分子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即落入這一區(qū)域。
②中紅外激光器，指輸出激光波長(zhǎng)處于中紅外區(qū)(2.5～25微米)的激光器件，代表者為CO分子氣體激光器(10.6微米)、 CO分子氣體激光器（5～6微米）。
�、劢t外激光器，指輸出激光波長(zhǎng)處于近紅外區(qū)（0.75～2.5微米）的激光器件，代表者為摻釹固體激光器（1.06微米）、CaAs半導(dǎo)體二極管激光器(約0.8微米)和某些氣體激光器等。
�、芸梢�(jiàn)激光器，指輸出激光波長(zhǎng)處于可見(jiàn)光譜區(qū)（4000～7000�；�0.4～0.7微米）的一類(lèi)激光器件，代表者為紅寶石激光器 （6943埃）、 氦氖激光器（6328埃）、氬離子激光器（4880埃、5145埃）、氪離子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可調(diào)諧染料激光器等。
⑤近紫外激光器，其輸出激光波長(zhǎng)范圍處于近紫外光譜區(qū)（2000～4000埃），代表者為氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)準(zhǔn)分子激光器（3511埃、3531埃）、 氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光器(2490埃)以及某些可調(diào)諧染料激光器等。
�、拚婵兆贤饧す馄鳎漭敵黾す獠ㄩL(zhǎng)范圍處于真空紫外光譜區(qū)(50～2000埃）代表者為（H）分子激光器 (1644～1098埃)、氙(Xe)準(zhǔn)分子激光器（1730埃）等。
�、遆射線(xiàn)激光器， 指輸出波長(zhǎng)處于X射線(xiàn)譜區(qū)（0.01～50埃）的激光器系統(tǒng)，軟X 射線(xiàn)已研制成功，但仍處于探索階段。
九、主要用途
激光器是現(xiàn)代激光加工系統(tǒng)中必不可少的核心組件之一。隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，激光器也在不斷向前發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型激光器。早期激光加工用激光器主要是大功率CO2氣體激光器和燈泵浦固體YAG激光器。從激光加工技術(shù)的發(fā)展歷史來(lái)看，首先出現(xiàn)的激光器是在20世紀(jì)70年代中期的封離式CO2激光管，發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了第五代CO2激光器——擴(kuò)散冷卻型CO2激光器。從發(fā)展上可以看出，早期的CO2激光器趨向激光功率提高的發(fā)展方向，但當(dāng)激光功率達(dá)到一定要求后，激光器的光束質(zhì)量受到重視，激光器的發(fā)展隨之轉(zhuǎn)移到調(diào)高光束質(zhì)量上。出現(xiàn)的接近衍射極限的擴(kuò)散冷卻板條式CO2激光器有較好的光束質(zhì)量，已經(jīng)推出就得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在激光切割領(lǐng)域，受到眾多企業(yè)的青睞。
21世紀(jì)初，出現(xiàn)了另外一種新型激光器——半導(dǎo)體激光器。與傳統(tǒng)的大功率CO2、YAG固體激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有很明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如提及小，重量輕、效率高、能耗小、壽命長(zhǎng)以及金屬對(duì)半導(dǎo)體激光吸收高等優(yōu)點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的不斷發(fā)展，以半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的其他固體激光器，如光纖激光器、半導(dǎo)體泵浦固體激光器、片狀激光器等的發(fā)展也十分迅速。其中，光纖激光器發(fā)展較快，尤其是稀土摻雜的光纖激光器，應(yīng)在光纖通信、光纖傳感、激光材料處理等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
由于激光器具備的種種突出特點(diǎn)，因而被很快運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測(cè)量和探測(cè)、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面，并在許多領(lǐng)域引起了革命性的突破。激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、測(cè)距等方面外，多種激光武器和激光制導(dǎo)武器也已經(jīng)投入實(shí)用。
1、激光用作熱源。激光光束細(xì)小 ，且?guī)е薮蟮墓β�，如用透鏡聚焦，可將能量集中到微小的面積上，產(chǎn)生巨大的熱量。比如，人們利用激光集中而極高的能量，可以對(duì)各種材料進(jìn)行加工，能夠做到在一個(gè)針頭上鉆200個(gè)孔；激光作為一種在生物機(jī)體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應(yīng)的手段，已在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用上取得了良好效果。
2、激光測(cè)距。激光作為測(cè)距光源，由于方向性好、功率大，可測(cè)很遠(yuǎn)的距離，且精度很高。
3、激光通信。在通信領(lǐng)域，一條用激光柱傳送信號(hào)的光導(dǎo)電纜，可以攜帶相當(dāng)于2萬(wàn)根電話(huà)銅線(xiàn)所攜帶的信息量。
4、受控核聚空中的應(yīng)用。將激光射到氘與氚混合體中，激光所帶給它們巨大能量，產(chǎn)生高壓與高溫，促使兩種原子核聚合為氦和中子，并同時(shí)放出巨大輻射能量。由于激光能量可控制，所以該過(guò)程稱(chēng)為受控核聚變。
今后，隨著人類(lèi)對(duì)激光技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，激光器的性能將進(jìn)一步提升，成本將進(jìn)一步降低，但是它的應(yīng)用范圍卻還將繼續(xù)擴(kuò)大，并將發(fā)揮出越來(lái)越巨大的作用。 |
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