激光器知识讲解

1、激光器基本知识激光的意思是光受激发射，激光器的意思就易理解了吧！类似于放大镜聚焦火柴，不过激光能量大，可连续和脉冲 ，分类激光器的种类就越来越多。按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激 光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。其中每一类激光器又包 含了许多不同类型的激光器。按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光 器。大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦。 如前所述的He-Ne激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。红宝石激光器属于大功 率脉冲型固体材料激光器。自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的

2、高速电子束，激光波长可覆盖从微波到 X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、 调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所 发射的激光波长已达数千种， 最长的波长为微波波段的 0.7毫米，最短波长为远紫外区的 210 埃，X射线波段的激光器也正在研究中。除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必 不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗， 所以装置中必不可少的组成部分有 激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收 外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学 激励、电激励、化学

3、激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占 主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见 光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、 相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。 而且，它可以很好地 缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选 模），所以一般激光器都具有谐振腔。激光器工作原理激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。从 CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手电筒光束的区别何在

4、呢?NASA供图美国国家航空航天管理局兰利研究中心(La ngley ResearchCenter)的光学损伤阀值测试装置有三部激光器：高能脉冲钕-钇铝石榴石激光器、钛-蓝宝石激光器和谐振氦氖激光器。整个宇宙中大约只有100多种不同的原子。我们看到的所有东西都 是由这100多种原子以穷极无限的方式组合而成。 这些原子之间排列组 合的方式决定了构成的物体是一杯水、一块金属或是汽水瓶中的泡沫！原子是永恒运动着的。它们不停地振动、移动和旋转，就连构成我们座椅的原子也是不断运动着的。 固体实际上也在运动！原子有几种不 同的激发状态，换言之，它们具有不同的能量。如果赋予原子足够的能 量，它就可以从基态能

5、量层级上升到激发态能量层级。激发态能量层级的高低取决于通过热能、光能、电能等形式赋予原子的能量有多少。下图可以很好地阐释原子的结构：最简单的原子模型由原子核和沿轨道旋转的电子组成。简单原子由原子核（含有质子和中子）和电子云组成。我们可以把电子云中的电子想象成沿多个不同轨道环绕原子核运动。想一想上一页中的原子结构图。即便以现代技术观察原子，我们也 无法看到电子的离散轨道，但把这些轨道设想成原子不同的能级会对我 们的理解有所帮助。换言之，如果我们对原子加热，处于低能量轨道上 的部分电子可能受激发而跃迁到距离原子核更远的高能量轨道。原子可以吸收热能、光能、电能等形式的能量。然后电子可以从低 能量轨道

6、跃迁至高能量轨道。尽管这种描述很简单，但它确实揭示了原子形成激光的核心原理。电子跃迁至更高能轨道后，最终仍要回到基态。在此过程中，电子 以光子（一种光线粒子）的形式释放能量。您会发现，原子不断地以光 子形式释出能量。例如，烤箱中的加热元件变成亮红色，其中的红色就 是由于原子受热激发而释放的红色光子。 观看电视屏幕上的图像时，您 看到的其实是磷原子受高速电子激发所释放的各种不同颜色的光线。任 何发光物体，包括荧光灯、煤气灯、白炽灯，都是通过改变电子轨道并 释放光子来发光的。激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是lightamplificati on by stimulated

7、 emissi on of radiati on（受激辐射光放大）的简称。这一名称简要的描述了激光器的工作原理。虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。激光器中，激光 介质须经过泵激使原子处于激发状态。一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。而 激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。一般来说，原 子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。这就提高了粒子数反转的程度。粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数 量比。激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。受 激电子所含能量比低层级电子的能量高。就像电子可

8、以吸收一定能量达到激发态一样，电子也可以释放这种能量。如下图所示，电子只要向低 层级跃迁，就会释放部分能量。释放的能量转化为光子（光能）的形式。 发射出的光子具有特定的波长（颜色），这取决于释出光子时电子的能 量状态。两颗拥有相同电子状态的原子会释放出相同波长的光子。能蜀释取激光和普通光区别很大。它具有以下特性:发射的激光具有单色性。激光含有一种特定波长（即特定颜色）的 光线。光线的波长由电子回到低能轨道时释放的能量决定。发射的激光具有良好的相干性。激光的组织结构较好，每个光子都紧跟其他光子运动。也就是说，所有光子的波前完全一致。激光具有良好的指向性。激光光束紧密、集中且能量极高。相反， 手电

9、筒发出的光线朝多个方向散射，光线能量弱，集中度低。为了实现以上三个特性， 需要经过一个称为受激发射的过程。 这种 现象不可能在普通手电筒中出现， 因为它的原子是随机释放光子。 而受 激发射时，原子是有组织地发射光子。原子释放的光子具有特定的波长， 此波长取决于激发态和基态之间 的能量差。如果光子（拥有一定能量和相位）碰到另一个原子；且该原子拥有处于相同激发状态的电子， 即可引起受激发射。第一个光子可以 激发或引导原子发射光子，而后发射的光子（即第二个原子发射的光子） 按与进入光子相同的频率和方向振荡。激光器的另一个关键部件是一对反光镜，分别位于激光介质的两端。特定波长和相位的光子通过两端反光镜

10、的反射，在激光介质之间来 回穿行。在此过程中，它们会激发更多的电子由高能轨道向低能轨道跳 跃，从而发射出更多相同波长和相位的光子， 随后将产生“瀑布”效应， 进而在激光器内迅速聚集起大量相同波长和相位的光子。激光介质某一端的镜面采用“半反射”镀层，也就是说它只会反射部分光线，而其他 光线则可以穿透。穿透的光线就是激光。您可在下一页旨在介绍简易红宝石激光器工作原理的插图中，了解所有这些激光器组件。红宝石激光器包括类似相机闪光灯的闪光管、红宝石棒和两面反射镜（其中一面为半反射镜面）。红宝石棒是激光介质， 闪光管是泵激源。严 H闪光管反光表面部分反光表1. 未发射状态的激光器2. 闪光管闪光并将光线

11、射入红宝石棒。 光线激发红宝石内的原子。3. 其中的部分原子释放出光子4. 部分光子沿红宝石轴的平行方向运动，因而在两块反光镜之间来回反弹。它们经过红宝石晶体时，还会继续激发其他原子。5. 单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光!以下是真实的三级激光器的工作原理示意图。将电子泵激泵激级别电子下降至到更高能级不稳定，较低能量状电子快速态并释放一处于激发 态能级的 电子跳至稍低 个光子 能级错面反射 光子生成波长和相 位相同的2个 光子激光器分为许多不同种类。激光介质可以是固体、气体、液体或半导体。我们通常按照用于发出激光的介质对其进行分类：固态激光器的发光材料分布在固态基质中（如红

12、宝石激光或钕-钇 铝石榴石激光）。钕-钇铝石榴石激光器可以发出波长为 1064纳米（nm） 的红外激光，其中1纳米等于1x10-9米。气态激光器主要输出红色的可见光束，最常见的气态激光器包括：氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以发射远红外能量，用于切割高 硬度物质。准分子（Excimer）激光器使用由氯、氟等活性气体和氩、氪、氙等惰性气体组成的混合物，其英语名称取自“ excited ” （受激发的）和“ dimers ” （二聚体）两个单词。通电激发时，可产生准分子（即二聚体）。发射激光后，二聚体可产生紫外波段的光线。染料激光器使用罗丹明6G等合成有机染料的溶液或悬浊液作为激光介质。染料激

13、光器具有极为宽广的波长调节范围。半导体激光器，有时也称为二极管激光器，属非固态激光器。这种电子设备通常体积小、功率低。它们可以内置到大型激光二极管阵列 （如 激光打印机或CD播放机的写入源）中。红宝石激光器（如前所述）属固态激光器，其释放的波长为694纳 米。根据所需发射的波长（参阅下表）、功率、脉冲持续时间，可以选择其他激光介质。有些激光器功能非常强大，例如二氧化碳（CO2激 光器可以切割。二氧化碳激光器如此危险的原因在于其发射的激光处于 光谱的红外和微波区域。红外辐射就是热量，因此二氧化碳激光器基本 上可以熔化其对准的所有物体。其他激光器，如二极管激光器，功率较弱，通常用于现在的便携式 激

14、光指示器。这些激光器通常能发出波长在 630纳米至680纳米之间的 红色光束。激光器广泛应用于工业和科研领域，例如，使用强激光激发 其他分子，以观察其反应。以下是一些常见的激光器及其激光波长：激光种类波长（纳米）氩氟激光（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氩激光（蓝光）488氩激光（绿光）514氦氖激光（绿光）543氦氖激光（红光）633罗丹明6G染料（可调光）570-650红宝石（CrAIOs）（红光）694钕-钇铝石榴石（近红外光）1064一氧化碳（远红外光）10600激光警示标志根据可能造成的生理伤害，激光器可分为四个广泛的种类。每套激 光设备都应具有以下四种标志之一：I级：这种激光器不会构成任何已知程度的伤害。I.A.级：这是一个特殊的级别，指“不适宜用眼睛直接观看”的激光器，比如超市使用的激光扫描器。此级别激光器的最高限定功率为 4.0毫瓦。II级：指低功率可见光激光