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激光器
閱讀�23726�(shí)間:2010-09-06 16:52:15

  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�(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損�,所以裝置中必不可少的組成部分有激�(lì)(或抽運(yùn))源、具有亞�(wěn)�(tài)能級(jí)的工作介�(zhì)兩�(gè)部分。激�(lì)是工作介�(zhì)吸收外來能量后激�(fā)到激�(fā)�(tài),為�(shí)�(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)�(chuàng)造條�。激�(lì)方式有光�(xué)激�(lì)、電激�(lì)、化�(xué)激�(lì)和核能激�(lì)�。工作介�(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是使受激輻射占主�(dǎo)地位,從而實(shí)�(xiàn)光放�。激光器中常見的組成部分還有諧振腔,但諧振腔� 見光�(xué)諧振腔)并非必不可少的組成部�,諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和�(yùn)行方向,從而使激光具有良好的方向性和相干�。而且,它可以很好地縮短工作物�(zhì)的長(zhǎng)度,還能通過改變諧振腔長(zhǎng)度來�(diào)節(jié)所�(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�,最常見的是氦氖激光器。世界上�(tái)氦氖激光器是繼�(tái)紅寶石激光器之后不久,于1960年在美國(guó)貝爾�(shí)�(yàn)室里由伊朗物理學(xué)家賈萬制成的。由于氦氖激光器�(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(dāng)今使用最多的激光器,主要用在全息照相的精密�(cè)�、準(zhǔn)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�(fā)出鮮艷的�(lán)綠色�,可連續(xù)工作,輸出功率達(dá)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�(fā)出的激光是�(lán)綠色�,所以在眼科上用得最�,因?yàn)槿搜�?duì)�(lán)綠色的反�(yīng)很靈�,眼底視�(wǎng)膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠�。因�,用氬離子激光器�(jìn)行眼科手�(shù)�(shí),能迅速形成局部加�,將視網(wǎng)膜上蛋白�(zhì)變成凝膠狀�(tài),它是焊接視�(wǎng)膜的理想光源。氬離子激光器�(fā)出的�(lán)綠色激光還能深入海水層,而不被海水吸�,因而可廣泛用于水下勘測(cè)作業(yè)�

  2. 液體、化�(xué)和半�(dǎo)體激光器

  液體激光器也稱染料激光器,因?yàn)檫@類激光器的激活物�(zhì)是某些有�(jī)染料溶解在乙�、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激�(fā)它們發(fā)射出激�,一般采用高速閃光燈作激光源,或者由其他激光器�(fā)出很短的光脈�。液體激光器�(fā)出的激光對(duì)于光譜分析、激光化�(xué)和其他科�(xué)研究,具有重要的意義�     氣體激光器

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

  材料和結(jié)�(gòu)的拓�,半�(dǎo)體激光器家族中出�(xiàn)了諸如邊�(fā)射激光器、量子阱激光器、垂直腔表面�(fā)射激光器等等輸出激光性能�(yōu)異的新成�,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�(yōu)異特性之�,還具有在生�(chǎn)工藝上大�(guī)?;完嚵�?,這樣,半�(dǎo)體激光器也能輸出大功率激�,而且�(jìn)一步降低半�(dǎo)體激光器的生�(chǎn)成本,利于激光器的普及應(yīng)用。目�,半�(dǎo)體類激光器是激光器家族中應(yīng)用最為廣泛的一�,如在光通信(如光纖通信)、光存儲(chǔ)和讀?。垂獗P和光�(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�。早期的紅寶石激光器是采用普通光源作為激�(fā)源。現(xiàn)在生�(chǎn)的紅寶石激光器已經(jīng)開發(fā)出許多新�(chǎn)�,種類也增多。此�,激�(lì)的方式也分為好幾種,除了光激�(lì)�,還有放電激�(lì)、熱激�(lì)和化�(xué)激�(lì)��   固體激光器中常用的還有釔鋁石榴石激光器,它的工作物�(zhì)是氧化鋁和氧化釔合成的晶�,并摻有氧化�。激光是由晶體中的釹離子放出,是人眼看不見的紅外�,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�,不僅在軍事上有�,也可廣泛用于工�(yè)上。此�,釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器,對(duì)治療白內(nèi)障和青光眼十分有��

  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?yàn)樗l(fā)出的激光波�(zhǎng)�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�。連接方式�(chǎn)生的激光功率可�(dá)20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生的波長(zhǎng)10.6微米激光也是最�(qiáng)大的一種激�。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出�(xiàn)是激光發(fā)展中的重大�(jìn)�,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(zhǎng)1米左右的放電�。它的一端貼上鍍金反射鏡片,另一端貼一塊能�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�(gè)能做輸出�。放電管放電�(shí)�(fā)出粉紅色的自�(fā)輻射�,它�(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�(shí)�(yàn)�(shí),一不小心就�(huì)把自己的衣服燒壞,裸露的皮膚碰到了也要燒�,所以這種激光器上都貼著“危�(xiǎn)”的�(biāo)�,操作時(shí)要特別留神�

  5.近紅外光譜儀

  近紅外光譜儀專為滿足�(shí)際應(yīng)用的挑戰(zhàn)而設(shè)�(jì)�,具有卓越的性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、結(jié)�(gòu)緊湊和超低功耗的�(yōu)�(diǎn)�   二氧化碳激光器形式很多。放電管最�(zhǎng)的達(dá)200多米,要占據(jù)很大的場(chǎng)�??茖W(xué)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�(shí)際長(zhǎng)度壓縮到20米左�;為了使激光器的光路不受振�(dòng)的影響,整�(gè)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�(dòng)的二氧化碳激光器,長(zhǎng)度縮到只有一張大辦公桌那樣長(zhǎng)�,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�(jī)廠用來加工大型零�。輸出功率更大的一種二氧化碳激光器�(jié)�(gòu)像大型噴氣發(fā)�(dòng)�(jī),開�(dòng)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�(fā)射激光中的最�(qiáng)�。最初的激光打坦克靶實(shí)�(yàn),用的就是這種激光器。它是科�(xué)家把空氣�(dòng)力學(xué)和激光科�(xué)相結(jié)合而制造出來的�

用�

  由于激光器具備的種種突出特�(diǎn),因而被很快�(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)�(yè)、精密測(cè)量和探測(cè)、通訊與信息處理、醫(yī)�、軍事等各方�,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(duì)各種材料�(jìn)行加�,能夠做到在一�(gè)針頭上鉆200�(gè)孔;激光作為一種在生物�(jī)體上引起刺激、變異、燒�、汽化等效應(yīng)的手�,已在醫(yī)�、農(nóng)�(yè)的實(shí)際應(yīng)用上取得了良好效�;在通信�(lǐng)�,一條用激光柱傳送信�(hào)的光�(dǎo)電纜,可以攜帶相�(dāng)�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)�、測(cè)距等方面�,多種激光武器和激光制�(dǎo)武器也已�(jīng)投入�(shí)��

  今后,隨著人類對(duì)激光技�(shù)的�(jìn)一步研究和�(fā)�,激光器的性能將�(jìn)一步提升,成本將�(jìn)一步降�,但是它的應(yīng)用范圍卻還將繼續(xù)�(kuò)大,并將�(fā)揮出越來越巨大的作用�

�(fā)展與成熟階段

  �(fā)展階�

  此后,量子力�(xué)的建立和�(fā)展使人們對(duì)物質(zhì)的微觀�(jié)�(gòu)及運(yùn)�(dòng)�(guī)律有了更深入的認(rèn)�(shí),微觀粒子的能�(jí)分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證�,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�(jìn)一步奠定了理論基礎(chǔ)�20世紀(jì)40年代末,量子電子�(xué)誕生�,被很快�(yīng)用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作�,并研制出許多相�(yīng)的器�。這些科學(xué)理論和技�(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�(gè)系統(tǒng)中處于高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能�(tài)的粒子數(shù),就出現(xiàn)了粒子數(shù)的反�(zhuǎn)狀�(tài)。那么只要有一�(gè)光子引發(fā),就�(huì)迫使一�(gè)處于高能�(tài)的原子受激輻射出一�(gè)與之相同的光�,這兩�(gè)光子又會(huì)引發(fā)其他原子受激輻射,這樣就實(shí)�(xiàn)了光的放大;如果加上適當(dāng)?shù)闹C振腔的反�?zhàn)饔帽阈纬晒庹�?,從而發(fā)射出激�。這就是激光器的工作原理�1951�,美�(guó)物理�(xué)家珀塞爾和龐德在�(shí)�(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn),并獲得了每�50千赫的受激輻射。稍�,美�(guó)物理�(xué)家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理�(xué)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)�(jì)�   然而上述的微波波譜�(xué)理論和實(shí)�(yàn)研究大都屬于“純科學(xué)�,對(duì)于激光器到底能否研制成功,在�(dāng)�(shí)還是很渺茫的�

  成熟階段

  但科�(xué)家的努力終究有了�(jié)��1954�,前面提到的美國(guó)物理�(xué)家湯斯終于制成了�(tái)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(zhǎng)的微�,功率很小。生�(chǎn)和科技不斷�(fā)展的需要推�(dòng)科學(xué)家�?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機(jī)�,以�(chǎn)生新的性能�(yōu)異的光源�1958年,湯斯與姐夫阿瑟·肖洛將微波激射器與光�(xué)、光譜學(xué)的理論知�(shí)�(jié)合起來,提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵性建�,并�(yù)防了激光的相干性、方向�、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(shí)�(xiàn)受激輻射光放大的原理性方��

  此后,世界上許多�(shí)�(yàn)室都被卷入了一�(chǎng)激烈的研制�(jìng)�,看誰能成功制造并�(yùn)�(zhuǎn)世界上臺(tái)激光器�

  1960年,美國(guó)物理�(xué)家西奧多·梅曼在佛羅里�(dá)州邁阿密的研究實(shí)�(yàn)室里,勉�(qiáng)贏得了這場(chǎng)世界范圍�(nèi)的研制競(jìng)�。他用一�(gè)高強(qiáng)閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原�,從而產(chǎn)生一條相�(dāng)集中的纖�(xì)紅色光柱,當(dāng)它射向某一�(diǎn)�(shí),可使這一�(diǎn)�(dá)到比太陽還高的溫��

  “梅曼設(shè)�(jì)”引起了科學(xué)界的震驚和懷�,因?yàn)榭茖W(xué)家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器�

  盡管梅曼是�(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)�,但在法庭上,關(guān)于到底是誰發(fā)明了這項(xiàng)技�(shù)的爭(zhēng)�,曾一度引起很大爭(zhēng)議。競(jìng)�(zhēng)者之一就是“激光�(“受激輻射式光頻放大器”的縮略�)一詞的�(fā)明者戈登·古爾德。他�1957年攻讀哥倫比亞大�(xué)博士�(xué)位時(shí)提出了這�(gè)詞。與此同�(shí),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�,湯斯因研究的書面工作早于古爾德9�(gè)月而成為勝�。不過梅曼的激光器的發(fā)明權(quán)卻未受到�(dòng)��

  1960�12�,出生于伊朗的美�(guó)科學(xué)家賈萬率人終于成功地制造并�(yùn)�(zhuǎn)了全�(tái)氣體激光器——氦氖激光器�1962�,有三組科學(xué)�?guī)缀跬瑫r(shí)�(fā)明了半導(dǎo)體激光器�1966�,科�(xué)家們又研制成了波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)連續(xù)�(diào)節(jié)的有�(jī)染料激光器。此�,還有輸出能量大、功率高,而且不依賴電�(wǎng)的化�(xué)激光器等紛紛問世�

提高綠光輸出功率�(wěn)定�

  連續(xù)和脈沖綠激光器的性能已經(jīng)能滿足多�(shù)�(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�、光散射法等�(jìn)行精密測(cè)量的�(yīng)用,在數(shù)碼印相機(jī)中的�(yīng)用等,需要輸出功率更�(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�(jī)械結(jié)�(gòu)不穩(wěn)定、工作溫度變�、熱透鏡效應(yīng)、泵浦源功率波動(dòng)、激光晶體對(duì)綠光的吸�、模� 跳變等因�。用于提高綠激光器輸出功率�(wěn)定性的方法主要有:偏振�(tài)控制�、縱模控制法、外腔諧振倍頻�、使用調(diào)制器的光電反饋法��

  1、用直接控制LD�(qū)�(dòng)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(cè)到的輸出綠激光功率的變化信號(hào),對(duì)抽運(yùn)LD的工作電流�(jìn)行反饋控制,從而控制LD的輸出功�,繼而實(shí)�(xiàn)�(duì)綠激光器輸出功率的控�,提高其�(wěn)定��

  2、由連續(xù)或脈沖綠激光器輸出的激光束�(jīng)過濾光器濾除未被激光晶體吸收的LD�808nm抽運(yùn)光和透過輸出鏡的1064nm基頻光后,在 通過用于�(jìn)行光取樣的分光鏡�(shí),有一小部�532nm激光被反射到光探測(cè)器以檢測(cè)其光�(qiáng)變化。探�(cè)器輸出的電信�(hào)被輸入到反饋控制器內(nèi)被放大和處理;反� 控制器產(chǎn)生控制信�(hào)被送到激光驅(qū)�(dòng)器內(nèi),對(duì)LD的驅(qū)�(dòng)電流�(jìn)行控�,從而改變LD的抽�(yùn)功率,使激光晶體的增益�(fā)生變�,補(bǔ)償綠激光器輸出綠激光功率的� �(dòng),從而使綠激光器的輸出功率得到穩(wěn)定�

  在自由運(yùn)�(zhuǎn)的條件下,綠激光器的輸出功率變化還比較�。這種大變化幅度的綠激光器不能滿足�(duì)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�。在4小時(shí)�(nèi),綠激光輸出功率的�(wěn)定性優(yōu)于�0.5�。用這種直接�(duì)LD�(qū)�(dòng)電流�(jìn)行控制的光電反饋法,可以大大提高� 激光器輸出功率的穩(wěn)定�,同�(shí)使用很方��

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