激光器原理

導讀：激光器相信大家都認識過不少，有氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器等四大類。但萬變不離其宗它們的工作原理幾近相同，本文將講述激光器是如何產生激光，如何進行工作的，快來學習吧。

激光器原理——介紹

激光器顧名思義就是能發(fā)射激光的裝置。從1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。一直到現(xiàn)在，激光器的種類就越來越多。

按工作介質分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類，近來還發(fā)展了自由電子激光器。

其工作介質是在周期性磁場中運動的高速電子束，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Q和超短脈沖式等幾類。

除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同。產生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(或抽運)源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉創(chuàng)造條件。

激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。

激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔( 見光學諧振腔)并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向，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的長度，還能通過改變諧振腔長度來調節(jié)所產生激光的模式(即選模)，所以一般激光器都具有諧振腔。

激光器原理——結構

激光器一般包括三個部分。

Ⅰ：激光工作介質

激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉世非常有利的。現(xiàn)有工作介質近千種，可產生的激光波長包括從真空紫外道遠紅外，非常廣泛。

Ⅱ：激勵源

為了使工作介質中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵;也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵;還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。

Ⅲ：諧振腔

有了合適的工作物質和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。

激光器原理——固體激光器

固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。這種激光器的工作介質是在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石(YAG)晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達100W以上，脈沖峰值功率可達109W。

激光器原理——半導體激光器

半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固。常用材料有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。

半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。這種激光器的特點是體積小，能耗低，功率低(因此對人眼相對安全一些)，能在常溫下運行。

激光器原理——氣體激光器

氣體激光器具有結構簡單、造價低;操作方便;工作介質均勻，光束質量好;以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點。

工作物質主要以氣體狀態(tài)進行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是氣體，有的物質在通常條件下是液體(如非金屬粒子的有水、汞)，及固體(如金屬離子結構的銅，鎘等粒子)，經過加熱使其變?yōu)檎魵?，利用這類蒸氣作為工作物質的激光器，統(tǒng)歸氣體激光器之中。氣體激光器中除了發(fā)出激光的工作氣體外，為了延長器件的工作壽命及提高輸出功率，還加入一定量的輔助氣體與發(fā)光的工作氣體相混合。

氣體激光器大多應用電激勵發(fā)光，即用直流，交流及高頻電源進行氣體放電，兩端放電管的電壓增壓時可加速電子，帶有一定能量，在工作物質中運動的電子與粒子(氣體的原子或分子)碰撞時將自身的能量轉移給對方，使分子或原子被激發(fā)到某一高能級上而形成粒子數(shù)反轉，產生激光。氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以氣體激光器的結構相對簡單得多，造價較低，操作簡便，但是輸出功率常較小。因氣體激光器中的工作物質不同。因此分中性(惰性)原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。

激光器原理——液體激光器

常用的是染料激光器，采用有機染料最為工作介質。大多數(shù)情況是把有機染料溶于溶劑中(乙醇、丙酮、水等)中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光(在可見光范圍)。

染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復雜。輸出波長連續(xù)可調，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點，使它也得到廣泛應用。

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