激光器的簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室（NPNS）激光器的發(fā)展激光是20世紀(jì)人類(lèi)的重大科技發(fā)明之一，它對(duì)人類(lèi)的社會(huì)生活產(chǎn)生了廣泛而深刻影響。作為高技術(shù)的研究成果，它不僅廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)研究的各個(gè)前沿領(lǐng)域，而且已經(jīng)在人類(lèi)生產(chǎn)和生活的許多方面得到了大量的應(yīng)用，與激光有關(guān)的產(chǎn)業(yè)已在全球形成了超過(guò)千億美元的年產(chǎn)值。激光的發(fā)展史應(yīng)該追溯到1917年，愛(ài)因斯坦提出光的受激輻射的概念，預(yù)見(jiàn)到受激輻射光放大器誕生，也就是激光產(chǎn)生的可能性。20世紀(jì)50年代美國(guó)科學(xué)家湯斯及前蘇聯(lián)科學(xué)家普羅科霍羅夫等人分別獨(dú)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 ampl

2、ification by stimulated emission of radiation ).1958年美國(guó)科學(xué)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(guó)的梅曼宣布制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年我國(guó)科學(xué)家鄧錫銘、王之江制成我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器，稱(chēng)其為“光學(xué)量子放大器”。隨后我國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議統(tǒng)一翻譯成“激光”或“激光器”梅曼的第一臺(tái)紅寶石激光器我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器我國(guó)激光器研究情況我

3、國(guó)激光器研究情況激光器的第一臺(tái)激光器的第一臺(tái) 研制成功時(shí)間研制成功時(shí)間 研研 制制 人人 紅寶石激光器（我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器（我國(guó)第一臺(tái)) )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(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)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(rùn)文等王潤(rùn)文等 激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光工作物質(zhì)：能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

4、，產(chǎn)生受激光放大 激勵(lì)能源：能降低能級(jí)的粒子不斷抽運(yùn)到高能級(jí)，補(bǔ)充受激輻射減少的高能級(jí)上粒子數(shù) 光學(xué)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(zhì)內(nèi)的受激輻射向外發(fā)出大量的光子而形成的。受激輻射產(chǎn)生的光子與外來(lái)光子性質(zhì)完全相同，使入射光得到放大。用這種原理制成的光源稱(chēng)為受激輻射的光放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)激光器，其輸出光稱(chēng)為激光。 產(chǎn)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(lái)的光機(jī)理作用而躍遷到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一個(gè)與外來(lái)激勵(lì)光子完全相同的光子，從而實(shí)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

5、，絕大部分的輻射是自發(fā)輻射，因此在宏觀上兵不能夠產(chǎn)生光受激放大。欲使受輻射成為主要的發(fā)光過(guò)程，需要使發(fā)光物質(zhì)處于激發(fā)態(tài)的高能上的粒子多于低能級(jí)上的粒子，同時(shí)還要使這樣的介質(zhì)中受激輻射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)上半葉的科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供了這樣的可能。電子技術(shù)的發(fā)展提供了激勵(lì)能源，精密加工技術(shù)制造出諧振腔，材料科學(xué)的研究提供了各種激光工作介質(zhì)，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(guò)程：激光形成過(guò)程：泵浦（抽運(yùn)）泵浦（抽運(yùn)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激放大受激放大振蕩振蕩放大放大達(dá)到閾值達(dá)到閾值激光輸出激光輸出增益介質(zhì)當(dāng)光波經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)時(shí)，引起的受激輻射就會(huì)大于吸收，且粒子數(shù)密度的差值越大（

6、也就是上下能級(jí)粒子數(shù)的分布差異越大），相對(duì)于吸收來(lái)說(shuō)，受激輻射越強(qiáng)，光經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)時(shí)增長(zhǎng)得也越快，這就形成了受激輻射在介質(zhì)中占主導(dǎo)地位的狀態(tài)。反轉(zhuǎn)分布 受激輻射 占主導(dǎo) 光放大 有增益正常分布 受激吸收 占主導(dǎo) 光衰減，吸收 增益介質(zhì)：增益介質(zhì)：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，要求在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到上能級(jí)的粒為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，要求在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)到上能級(jí)的粒子數(shù)密度越多越好，下能級(jí)的粒子數(shù)越少越好，上能級(jí)粒子數(shù)子數(shù)密度越多越好，下能級(jí)的粒子數(shù)越少越好，上能級(jí)粒子數(shù)的壽命長(zhǎng)些好。的壽命長(zhǎng)些好。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器內(nèi)形成光強(qiáng)的過(guò)程激光器內(nèi)形成光強(qiáng)的過(guò)程 激光諧振腔內(nèi)光強(qiáng)由弱變強(qiáng)直

7、至最后達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程可以用圖(2-15)來(lái)描寫(xiě)。 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 坐標(biāo)處。穩(wěn)定光強(qiáng)在腔中傳播過(guò)程由閉合曲線 所表示。 12rLz 11r0zALILILILIA)2(),2()(),(諧振腔內(nèi)光強(qiáng)的放大過(guò)程諧振腔內(nèi)光強(qiáng)的放大過(guò)程 (1)由于自發(fā)輻射，在z=0處有一束強(qiáng)度為I1的入射光沿腔軸傳播，此時(shí)由于腔內(nèi)光強(qiáng)很弱，此時(shí)介質(zhì)的增益系數(shù)就是小訊號(hào)增益系數(shù) , 有：0GLaGIrIzaGII)exp()exp(012101內(nèi)內(nèi)圖中曲線 表示了這個(gè)過(guò)程。 11II 1I 又經(jīng)增益介質(zhì)進(jìn)行放大，再傳到M1處時(shí)，光強(qiáng)已增至 LaGIrLaGII2)

8、exp()exp(012011內(nèi)內(nèi)如圖中曲線 所示 11II 3IL1r2r 1I(3) 光強(qiáng)在M1上一部分反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，這部分為 LaGIrrI2)exp(01212內(nèi)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(nèi)其余部分都作為鏡面損耗而損失掉了，這部分為 LaGIraIaIh2)exp(012111內(nèi)3IL1r2r(4)圖中縱軸上 代表總鏡面損耗 ， 即 21 IIhoutIILaGIrtaIIhout2)exp()(01211內(nèi)(5)此時(shí)腔內(nèi)光的放大倍數(shù)為 12)exp(02112LaGrrIIK內(nèi)激光器的類(lèi)型激光器的類(lèi)型和應(yīng)用和應(yīng)用固

9、體激光器用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器（見(jiàn)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，也是世界上第一臺(tái)激光器。固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。這類(lèi)激光器所采用的固體工作物質(zhì)，是把具有能產(chǎn)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(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子主要有三類(lèi)：過(guò)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(zhì)中的金屬離子的主要特點(diǎn)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(zhǎng)的熒光壽命和比較窄的熒光譜線，因而易

10、于產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和受激發(fā)射固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛 固體激光器的用途。它常用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、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(diào)諧染料激光器的激勵(lì)源。 固體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長(zhǎng)工作壽命等。固體激光器應(yīng)用美軍研發(fā)高能固體激光器合成高能固體激光器JHPSSL是美軍繼氧碘化學(xué)激光武器之后的研發(fā)重點(diǎn)，固體激光器能采用功

11、率合成的方法達(dá)到遠(yuǎn)超過(guò)化學(xué)激光器的的功率，通過(guò)增減模塊數(shù)量可以滿(mǎn)足從攔截戰(zhàn)術(shù)炮彈到攔截戰(zhàn)略導(dǎo)彈的多層次需求。Nd:YAGNd:YVO4氣體激光器氣體激光器利用氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它由放電管內(nèi)的激活氣體、一對(duì)反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵(lì)源等三個(gè)主要部分組成。主要激勵(lì)方式有電激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)、光激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等。其中電激勵(lì)方式最常用。在適當(dāng)放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級(jí)上，從而形成與某低能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。 這是一類(lèi)以氣體為工作物質(zhì)的激光器。此處所說(shuō)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

12、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(jiàn)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激光器是遠(yuǎn)紅外光頻段波長(zhǎng)為10.6 m的氣體激光器，采用CO2氣體充入放電管作為產(chǎn)生激光的介質(zhì)，當(dāng)在電極上加高電壓，放電管中產(chǎn)生輝光放電（稀薄氣體中的自激導(dǎo)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(duì)材料加工的激光束。二氧化碳激光器優(yōu)勢(shì)工作物質(zhì)是中性分子氣體，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波長(zhǎng)范圍很廣，從真空紫外、可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外。其中以二氧化碳激光器最為重要，其特點(diǎn)是效率高，大約在1025范圍內(nèi)，可以獲得很高激

13、光功率,連續(xù)輸出功率高達(dá)萬(wàn)瓦,脈沖器件輸出可達(dá)萬(wàn)焦耳每脈沖級(jí)。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(zhuǎn)光譜線上。二氧化碳激光器分為普通低氣壓封離型激光器、橫向和縱向氣體循環(huán)流動(dòng)型激光器、橫向大氣壓和高氣壓連續(xù)調(diào)諧激光器、氣動(dòng)激光器和波導(dǎo)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(cè)距、同位素分離和高溫等離子體研究等方面。其中波導(dǎo)二氧化碳激光器是一種結(jié)構(gòu)緊湊、增益高和可調(diào)諧的激光器，特別適用于激光通信和高分辨光譜學(xué)。 全反鏡激光二極管（激光二極管（LD）耦合系統(tǒng)半反鏡Yb:YLP光纖染料激光器 工作物質(zhì)是有機(jī)染料，其能級(jí)由單重態(tài)(S)和三重態(tài)(T

14、)組成。S和T又分裂成許多振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都比較高。環(huán)形染料激光器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(diào)諧范圍為0.31.2微米，是應(yīng)用最多的一種可調(diào)諧激光器。激光應(yīng)用技術(shù)信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲(chǔ)，光放大，光計(jì)算，光隔離器檢測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用：測(cè)長(zhǎng)，測(cè)距，測(cè)速，測(cè)角，測(cè)三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù)，激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼科手術(shù)，激光血照儀，視光學(xué)測(cè)量科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場(chǎng)測(cè)量，激光光譜，激光對(duì)生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學(xué)過(guò)程等等28激光全息防偽人民幣（建國(guó)50周年紀(jì)念幣）29激光控制核聚變激光控制核聚變30天文臺(tái)（激光導(dǎo)航星）來(lái)自納層來(lái)自納層的反射光的反