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激光器结构及原理

发布日期:2019-07-01    

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激光器原理

一、激光器

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程,从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线(以至χ射线和γ射线)的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。

世界上第一台激光器—红宝石激光器(固体激光器)于1960年7月诞生,距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃,并且对人类社会产生了巨大的影响。 固体激光器从其诞生开始至今,一直是备受关注。其输出能量大,峰值功率高,结构紧凑牢固耐用,因此在各方面都得到了广泛的用途,其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点,其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用,给我们的现实生活带了许多便利。

1960年,梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出,开创了激光发展的先河。此后,激光器件和技术获得了突飞猛进的发展,相继出现了种类繁多的激光器。 如下表1所示,分别从激光的工作物质、激励方式、运转方式和输出波长范围等四个方面进行分类。



二、固体激光器的原理和结构

产生激光的条件

生激光有三个必要的条件

1) 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子( 原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构;

2)有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能 级之间产生粒子数反转;

3)有光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束的传播方 向,选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。

激光的特点

 与普通意义上的光源相比较,激光主要有四个显著的特点:方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。
产生激光的原理

1)自发辐射:

被激发到高能级上的粒子是不稳定的,它们在高能级上只能停留一个极为短暂的时间,纳为一亿分之一秒,然后立即向低能级跃迁。这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进行的,所以称为“自发跃迁”。粒子在自发跃迁过程中,要把原先吸收的能量释放出来,所释放的能量转变为光子或热能,将热能传给其他粒子,这种跃迁叫做“无辐射跃迁”,不会有光产生;将能量转换为光子,叫做自发辐射跃迁。

自发辐射的特点是:由于物质(发光体)中彼此间没有任何联系,所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调,不仅辐射光子的时间有先有后,波长有长有短,而且传播的方向也不一致。因为自发辐射光是由这样许许多多杂乱无章的光子组成的,所以我们通常见到的光,是包含许多种波长成份(即多种的颜色)、射向四面八方的杂散光。阳光、灯光、火光等普通光都属于自发辐射光。

2)受激辐射:

粒子从高能态向低能态跃迁,并非只能以自发方式进行,处于高能态的粒子可以在没有外界因素的影响下自发地向低能态跃迁,也可以在外界因素的诱发和刺激下向低能态跃迁,而且在跃迁中同样也向外辐射光子。由于后一种过程是被“激”出来的,所以就叫做“受激辐射”过程。

受激辐射过程的特点是:必须有外来光子的“刺激”,而且只有当外来光子的频率恰恰符合下式:(EN-EV)/h= v时处于高能级E的粒子才会在这个外来光子的刺激下向低能级跃迁,并同时辐射出一个额率、传播方向、振动方向均与外来光子完全相同的光子。

简单地说,输入是一个外来光子,而输出的则是性质与外来光子一模一样的两个光子,因为在输出的两个光子中,一个就是外来光子本身,而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的,即是被外来光子“激出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射,得到两个完全相同的光子,这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产生受激辐射,就可以得到完全相同的4个光子,4、8、......如此链锁反应,完全相同的光子数目便会越来越多,可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放大了的光,便是激光。

3)粒子数反转

为了产生受激辐射,就必须变革粒子的常规分布状态,来个“粒子大搬家”,将处在低能态的粒子“搬”到高能态上去,使高能态的粒子数大于低能态的粒子数。由于它同正常粒子数分布相反,所以叫粒子数反分布。此状态激光理论中有个统叫 法“粒子数反转”或“集居数反转”,处于粒子数反转的粒子体系是不稳定的,如果这时有合适的诱发光子刺激它,则受激辐射就会发生而产生激光。可见,实现粒子数反转便是实现激光产生的先决条件。

4)"搬运”粒子的工具——光泵

 要想把处于低能态的粒子送到高能态去,就得有外力借助工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到水塔上的蓄水池里,必须要有足够功率的水泵作功才成。同理,要实现粒子数反转,首先必须消耗-定的能量把大量粒子从低能级“搬运”到高能级,这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。由于其作用原理和水泵抽水相类似,所以把能使大量的粒子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为“光泵”。

 5)阈值和激励方式

“光泵个只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。实际上粒子都是甘居低能态的,而且很顽固,并不是象水一样很容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲把一部分抽运到了高能态,但它们很快就又自发地跃回低能态了。怎么办呢,那就需要加大能量不停顿地来轰击。就是说,激励不仅要快,而且要强有力。 激励作用总是通过消耗一定的能量来实现的,产生受激辐射所需要的最小激励能量定义为激光器的调值(的,即门槛的意思)。诚值是描述激光器整体性能的一个重要数.

6)激光特点:激光与普通光既有相同之处,又有不同处。相同的地方是:两种光在本质上没有区别,既是电磁波、又是粒子流,具有波粒二象性。不同之处在于:普通光是种杂乱无章的混合光, 而激光则是频率、方向位相都极其一致的“纯”光。根据光学理论,两束光相干的条件是同频率、同振动方向、位相相同或位相差恒定。显然,受激辐射所产生的激光是相干光,而普通光是非相干光。


激光器的结构

在固体激光器中,由泵浦系统辐射的光能,经过聚焦腔,使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能,让工作物质中形成粒子数反转,通过谐振腔,从而输出激光。

如图1所示,固体激光器的基本结构。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成。

1)工作物质工作物质——激光器的核心,是由激活粒子(都为金属)和基质 两部分组成,激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性,基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式,可分为三能级系统(例如红宝石激光器)与四能级系统(例如Er:YAG激光器)。工作物质的形状目前常用的主要有四种:圆柱形(目前使用最多)、平板形、圆盘形及管状。

2) 泵浦系统泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转,目 前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件:有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。

常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能 及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的,太阳能泵浦常用在小功率器件,二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向,它集合众多优点于一身,已成为当前发展最快的激光器之一。

LD泵浦的方式可以分为两类,横向:同轴入射的端面泵浦;纵向:垂直入射的侧面泵浦。 图2 LD泵浦方式结构示意 LD泵浦的固体激光器有很多优点,寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等,当然最突出的优点是泵浦效率高,因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配

3) 聚光系统聚光腔的作用有两个[6]:一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合; 另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布,从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内,因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。

4) 光学谐振腔:光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成,是固体激光器的重要 组成部分。光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射,还对振荡光束的方向和频率进行限制,以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜(或球面镜)构成。

5) 冷却与滤光系统:冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。固体激光器工作时会产生比较严重的热效应,所以通常都要采取 冷却措施。主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却,以保证激光器的正常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却,但目前使用最广泛的是液体冷却方法。

要获得高单色性的激光束,滤光系统起了很大的作用。滤光系统 能够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤,使得输出的激光单色性非常好。

 

三、激光技术的发展

未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展: a) 高功率及高能量 b) 超短脉冲激光 c) 高便携性 d) 低成本高质量 现在,激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域,它标志着新技术革命的发展。诚然,如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比,你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段,更令人激动的美好前景将要来到。 


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