激光器

激光器的寫法

激光器介紹

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(zhì)兩個部分。激勵是工作介質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)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(nèi)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(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔長度來調(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。

種類

1.氣體激光器

在氣體激光器中，最常見的是氦氖激光器。世界上臺氦氖激光器是繼臺紅寶石激光器之后不久，于1960年在美國貝爾實驗室里由伊朗物理學家賈萬制成的。由于氦氖激光器發(fā)出的光束方向性和單色性好，可以連續(xù)工作，所以這種激光器是當今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密測量、準直定位上。氣體激光器中另一種典型代表是氬離子激光器。它可以發(fā)出鮮艷的藍綠色光，可連續(xù)工作，輸出功率達100多瓦。這種激光器是在可見光區(qū)域內(nèi)輸出功率的一種激光器。由于它發(fā)出的激光是藍綠色的，所以在眼科上用得最多，因為人眼對藍綠色的反應(yīng)很靈敏，眼底視網(wǎng)膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠光。因此，用氬離子激光器進行眼科手術(shù)時，能迅速形成局部加熱，將視網(wǎng)膜上蛋白質(zhì)變成凝膠狀態(tài)，它是焊接視網(wǎng)膜的理想光源。氬離子激光器發(fā)出的藍綠色激光還能深入海水層，而不被海水吸收，因而可廣泛用于水下勘測作業(yè)。

2.液體、化學和半導體激光器

液體激光器也稱染料激光器，因為這類激光器的激活物質(zhì)是某些有機染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發(fā)它們發(fā)射出激光，一般采用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發(fā)出很短的光脈沖。液體激光器發(fā)出的激光對于光譜分析、激光化學和其他科學研究，具有重要的意義。氣體激光器

化學激光器是用化學反應(yīng)來產(chǎn)生激光的。如氟原子和氫原子發(fā)生化學反應(yīng)時，能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。這樣，當兩種氣體迅速混合后，便能產(chǎn)生激光，因此不需要別的能量，就能直接從化學反應(yīng)中獲得很強大的光能。這類激光器比較適合于野外工作，或用于軍事目的，令人畏懼的死光武器就是應(yīng)用化學激光器的一項成果。在當今的激光器中，還有一些是用半導體制成的。它們體積小，使用壽命長，激勵方式簡單（通常采用電激勵），閾值電流低，易于規(guī)?；a(chǎn)，早期的半導體激光器的輸出激光相干性、方向性等性能較差，輸出激光頻率種類較少，大多在紅外區(qū)，但是現(xiàn)在隨著研究的深入和半導體半導體激光器

材料和結(jié)構(gòu)的拓展，半導體激光器家族中出現(xiàn)了諸如邊發(fā)射激光器、量子阱激光器、垂直腔表面發(fā)射激光器等等輸出激光性能優(yōu)異的新成員，輸出激光頻率類型在可見光區(qū)域也廣有分布。尤其是垂直腔表面發(fā)射激光器，除了具有單縱模輸出、低閾值電流起振等優(yōu)異特性之外，還具有在生產(chǎn)工藝上大規(guī)?；完嚵谢?，這樣，半導體激光器也能輸出大功率激光，而且進一步降低半導體激光器的生產(chǎn)成本，利于激光器的普及應(yīng)用。目前，半導體類激光器是激光器家族中應(yīng)用最為廣泛的一支，如在光通信（如光纖通信）、光存儲和讀?。垂獗P和光驅(qū)）、光開關(guān)、光邏輯器件等等。

3.固體激光器

前面所提到的紅寶石激光器就是固體激光器的一種。早期的紅寶石激光器是采用普通光源作為激發(fā)源?，F(xiàn)在生產(chǎn)的紅寶石激光器已經(jīng)開發(fā)出許多新產(chǎn)品，種類也增多。此外，激勵的方式也分為好幾種，除了光激勵外，還有放電激勵、熱激勵和化學激勵等。固體激光器中常用的還有釔鋁石榴石激光器，它的工作物質(zhì)是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化釹。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業(yè)上。此外，釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對治療白內(nèi)障和青光眼十分有效。

4.“隱身”和“變色”激光器

另外還有兩種較為特殊的激光器。一種是二氧化碳激光器，可稱“隱身人”，因為它發(fā)出的激光波長為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連接方式產(chǎn)生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生的波長10.6微米激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長1米左右的放電管。它的一端貼上鍍金反射鏡片，另一端貼一塊能讓10.6微米紅外光通過的鍺平面鏡片作為紅外激光輸出鏡。一般的玻璃鏡片不讓這種紅外光通過，所以個能做輸出鏡。放電管放電時發(fā)出粉紅色的自發(fā)輻射光，它產(chǎn)生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。做實驗時，一不小心就會把自己的衣服燒壞，裸露的皮膚碰到了也要燒傷，所以這種激光器上都貼著“危險”的標記，操作時要特別留神。

5.近紅外光譜儀

近紅外光譜儀專為滿足實際應(yīng)用的挑戰(zhàn)而設(shè)計的，具有卓越的性能、長期穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和超低功耗的優(yōu)點。二氧化碳激光器形式很多。放電管最長的達200多米，要占據(jù)很大的場地?？茖W家想出辦法，將筆直的放電管彎成來回轉(zhuǎn)折的形狀，或是把放電管疊起來安裝，將它們的實際長度壓縮到20米左右；為了使激光器的光路不受振動的影響，整個器件安放在地下室粗大的管道內(nèi)。后來發(fā)明的一種稱為橫向流動的二氧化碳激光器，長度縮到只有一張大辦公桌那樣長短，能射出幾千瓦功率的激光。這樣的激光器已被許多汽車拖拉機廠用來加工大型零件。輸出功率更大的一種二氧化碳激光器結(jié)構(gòu)像大型噴氣發(fā)動機，開動起來聲音響得嚇人，它能產(chǎn)生上百萬瓦的連續(xù)激光，是連續(xù)方式發(fā)射激光中的最強者。最初的激光打坦克靶實驗，用的就是這種激光器。它是科學家把空氣動力學和激光科學相結(jié)合而制造出來的。

用途

由于激光器具備的種種突出特點，因而被很快運用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測量和探測、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。比如，人們利用激光集中而極高的能量，可以對各種材料進行加工，能夠做到在一個針頭上鉆200個孔；激光作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應(yīng)的手段，已在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)的實際應(yīng)用上取得了良好效果；在通信領(lǐng)域，一條用激光柱傳送信號的光導電纜，可以攜帶相當于2萬根電話銅線所攜帶的信息量；激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、測距等方面外，多種激光武器和激光制導武器也已經(jīng)投入實用。

今后，隨著人類對激光技術(shù)的進一步研究和發(fā)展，激光器的性能將進一步提升，成本將進一步降低，但是它的應(yīng)用范圍卻還將繼續(xù)擴大，并將發(fā)揮出越來越巨大的作用。

發(fā)展與成熟階段

發(fā)展階段

此后，量子力學的建立和發(fā)展使人們對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運動規(guī)律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產(chǎn)生進一步奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀40年代末，量子電子學誕生后，被很快應(yīng)用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并研制出許多相應(yīng)的器件。這些科學理論和技術(shù)的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。如果一個系統(tǒng)中處于高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，就出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。那么只要有一個光子引發(fā)，就會迫使一個處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個與之相同的光子，這兩個光子又會引發(fā)其他原子受激輻射，這樣就實現(xiàn)了光的放大；如果加上適當?shù)闹C振腔的反饋作用便形成光振蕩，從而發(fā)射出激光。這就是激光器的工作原理。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國物理學家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計。然而上述的微波波譜學理論和實驗研究大都屬于“純科學”，對于激光器到底能否研制成功，在當時還是很渺茫的。

成熟階段

但科學家的努力終究有了結(jié)果。1954年，前面提到的美國物理學家湯斯終于制成了臺氨分子束微波激射器，成功地開創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。

湯斯等人研制的微波激射器只產(chǎn)生了1.25厘米波長的微波，功率很小。生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展的需要推動科學家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機理，以產(chǎn)生新的性能優(yōu)異的光源。1958年，湯斯與姐夫阿瑟·肖洛將微波激射器與光學、光譜學的理論知識結(jié)合起來，提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并預(yù)防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。

此后，世界上許多實驗室都被卷入了一場激烈的研制競賽，看誰能成功制造并運轉(zhuǎn)世界上臺激光器。

1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，勉強贏得了這場世界范圍內(nèi)的研制競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。

“梅曼設(shè)計”引起了科學界的震驚和懷疑，因為科學家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器。

盡管梅曼是個將激光引入實用領(lǐng)域的科學家，但在法庭上，關(guān)于到底是誰發(fā)明了這項技術(shù)的爭論，曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是“激光”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發(fā)明者戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學博士學位時提出了這個詞。與此同時，微波激射器的發(fā)明者湯斯與肖洛也發(fā)展了有關(guān)激光的概念。經(jīng)法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作早于古爾德9個月而成為勝者。不過梅曼的激光器的發(fā)明權(quán)卻未受到動搖。

1960年12月，出生于伊朗的美國科學家賈萬率人終于成功地制造并運轉(zhuǎn)了全臺氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學家?guī)缀跬瑫r發(fā)明了半導體激光器。1966年，科學家們又研制成了波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網(wǎng)的化學激光器等紛紛問世。

提高綠光輸出功率穩(wěn)定性

連續(xù)和脈沖綠激光器的性能已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用的要求。但是還有一些應(yīng)用，例如利用光熒光法、光吸收法、光散射法等進行精密測量的應(yīng)用，在數(shù)碼印相機中的應(yīng)用等，需要輸出功率更穩(wěn)定的綠光激光器。

引起綠激光器輸出功率不穩(wěn)定的原因主要有諧振腔機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、工作溫度變化、熱透鏡效應(yīng)、泵浦源功率波動、激光晶體對綠光的吸收、模式跳變等因素。用于提高綠激光器輸出功率穩(wěn)定性的方法主要有：偏振態(tài)控制法、縱?？刂品ā⑼馇恢C振倍頻法、使用調(diào)制器的光電反饋法等。

1、用直接控制LD驅(qū)動電流的光電反饋法提高綠激光器輸出功率的穩(wěn)定性：根據(jù)檢測到的輸出綠激光功率的變化信號，對抽運LD的工作電流進行反饋控制，從而控制LD的輸出功率，繼而實現(xiàn)對綠激光器輸出功率的控制，提高其穩(wěn)定性。

2、由連續(xù)或脈沖綠激光器輸出的激光束經(jīng)過濾光器濾除未被激光晶體吸收的LD的808nm抽運光和透過輸出鏡的1064nm基頻光后，在通過用于進行光取樣的分光鏡時，有一小部分532nm激光被反射到光探測器以檢測其光強變化。探測器輸出的電信號被輸入到反饋控制器內(nèi)被放大和處理；反饋控制器產(chǎn)生控制信號被送到激光驅(qū)動器內(nèi)，對LD的驅(qū)動電流進行控制，從而改變LD的抽運功率，使激光晶體的增益發(fā)生變化，補償綠激光器輸出綠激光功率的波動，從而使綠激光器的輸出功率得到穩(wěn)定。

在自由運轉(zhuǎn)的條件下，綠激光器的輸出功率變化還比較大。這種大變化幅度的綠激光器不能滿足對激光穩(wěn)定性要求高的一些應(yīng)用的要求。綠激光器輸出功率的穩(wěn)定性有了大幅度的提高。在4小時內(nèi)，綠激光輸出功率的穩(wěn)定性優(yōu)于±0.5％。用這種直接對LD驅(qū)動電流進行控制的光電反饋法，可以大大提高綠激光器輸出功率的穩(wěn)定性，同時使用很方便。