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激光发生器产生激光原理_原子能级

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:1328    更新时间:2022/12/16

激光产生原理:原子受激辐射的光,故名“激光”。激光:原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被引诱(激发)出来的光子束(激光),其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好,亮度更高。

激光的原理必须要从物质中的粒子能量说起,还必须是一些特定物质中的特定粒子,有两个或者两个以上的能量状态,有时候处在高能状态,激昂亢奋,有时候处在低能状态,像早晨两三点钟的太阳。

当粒子从高能状态松懈下来变成低能状态时,损失的能量就会以光子的形式辐射出来。
自发辐射 

根据激光产生原理的分析知道,激光是在“激励源”的作用下,原子的高能级电子数增多,在停留极短时间后又跃迁到低能级,同时发出激光。不难知道,一定有很多很多物质的原子在“激励源”的作用下能够发出激光。


粗略地说,想制造出激光发生器,要有4个要素


1.选择产生激光的工作介质。可以是气体、液体、固体或半导体,只要介质中可以实现粒子数反转,就可以获得激光。


2.选择“激励源”很重要。“激励源”要让介质的低能级电子有效地跃迁到高能级,实现所谓的电子数反转。可以用气体放电的办法,利用具有动能的电子去激发介质原子,称为电激励;也可用脉冲光源来照射工作介质,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激励方式都被形象化地称为泵浦或抽运。“泵浦”的目的就是要让高能级的粒子数比低能级的多。


3.构造谐振腔也很重要。因为“泵浦”所产生的激光强度很弱,无法实际应用,需要让弱激光与激光谐振起来,让输出的激光增强,以达到实际应用的程度。


4.高能激光器需要冷却系统。因为谐振腔内是强光,所以谐振腔需要冷却。


按激光的工作介质分类有:固体激光器、气体激光器、半导体激光器、化学激光器,现在还有一种“透明陶瓷激光器”。


按激光的输出方式分类有:连续激光器、脉冲激光器。


激光器的性能指标主要集中在以下几个方面:一是所发激光束的频率范围,因为激光可以做“激励源”,也可以做频谱分析光源,所以必须要知道所发激光的频谱;二是所发激光束的功率大小,特别是最大功率,因为功率大小划定了激光器的应用范围;三是激光束能量集中的照射面积,因为照射面积大小不同的应用场合也不同。


一.固体激光器

固体激光器结构原理图 

很多固体物质都能制作激光器。特别地,用人工合成的办法,用制造陶瓷的工艺,可以制造出含有不同成分的晶体,称为“透明陶瓷激光介质”,现在,用人工晶体做出的激光器非常方便实用。下面介绍常见的3种固体激光器。

激光发射器 

1.红宝石激光器


最早的激光器是红宝石激光器。1960年7月,梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器,他以闪光灯的光线照射进红宝石晶体,创造出了相干脉冲激光光束,这一成果震惊全世界,并引发研制激光器的热潮。


分析可知,红宝石是晶体,其基质是Al2O3,其中含有0.03-0.4%(重量比)的 Cr2O3(三氧化二铬),于是可以把这些材料粉末压制成型,真空烧结,就可以生产出人造的红宝石晶体,用人造红宝石棒制作激光器的性能优越,应用普遍,人们也对这种激光介质做了充分的研究;特别是“泵浦源”采用较强的脉冲氙灯;谐振腔还是采用老办法,在激光器两端,面对面装上两块反射率很高的反射镜,一块将激光几乎全反射到工作介质处参与谐振,另一块将大部分光反射回去谐振,且让少量的激光透过这块镜子射出,射出的是强烈的激光,是用于实用的激光。


现在,红宝石激光器的输出能量可以做出不同等级的,最大可达数千焦耳级。


2.掺钕钇铝石榴石晶体激光器


掺钕钇铝石榴石晶体,是由钇(Y2O3)和铝(Al2O3)按比例3:5化合并掺入钇(Nd2O3),压制成型,在真空中1700℃烧结成晶体,常被应用于近远红外固态激光器,性能优越。多采用连续氪灯或碘钨灯作为泵浦光源,这正好与3价的Nd离子的吸收带相匹配。 掺钕钇铝石榴石激光器可以是几十到几百瓦的,也可以做出大功率的。


3.钕玻璃激光器


以高纯度的硅酸盐玻璃为基质掺入钕酸盐,用这种钕玻璃制作激光器,也有用磷酸盐等做基质掺入钕酸盐的。


钕玻璃激光器与上述晶体激光器的工作过程类似。


小功率的钕玻璃激光器被有效地用于光纤通信,光纤通信得以发展的最关键的2项技术,一是用半导体激光器调制光信号,二是用钕玻璃激光器做中继器(参见科普文章系列,编号61),信号光被中继器所放大,光信号得以远距离传输。


大功率的钕玻璃激光器也容易制作。因为钕玻璃的光学均匀性好,容易制备成大体积材料,比晶体容易加工成型,钕玻璃制作成本很低;钕玻璃棒的体积越大,输出的激光能量越高;所以钕玻璃激光器在实用中是被首选的固体激光器,它可以是低功率的,也可以是大功率的。


大功率钕玻璃激光器已经被用于核聚变实验中。1974年,上海光机所研制成功毫微秒10万兆瓦级6路高功率钕玻璃激光系统,成功地实现了用激光去产生高温高密度的等离子体,为核聚变“点火”装置做出了巨大的贡献。


二.气体激光器

 气体激光器结构原理

气体激光器有很多种,其中最常用的是二氧化碳激光器和氦-氖激光器。


1.二氧化碳激光发生器


CO₂激光器,主要使用CO₂气体,还少量添加氮气和氦气,同样使用“泵浦源”激发,使得气体分子产生能级跃迁,从而激发出激光。 


CO₂激光器是激发分子能级去获得激光的,其工作原理比较复杂,因为分子有三种不同的运动,一是分子里电子的运动决定了分子的电子能态;二是分子里的原子振动决定了分子的振动能态;三是分子的整体转动决定了分子的转动能态。分子运动状态复杂,能级复杂,所以激发分子的能级跃迁过程也复杂。


气体CO₂、少量氮气和氦气被封装在玻璃做成的“放电管”中;连续施加某种“泵浦源”,它发射的电子在管中撞击氮分子并让氮分子被激发起来;氮分子和CO₂分子发生碰撞,氮分子把能量传递给CO₂分子,CO₂分子从低能级跃迁到高能级上;发出激光。也就是说,CO₂气体分子发出激光的 “泵浦源”是二级激发,先是电子激发氮分子振动,再是氮分子撞击CO₂分子。


CO₂分子被激发出来的是红外光,还需要谐振加强,加强后的激光还要传送出去。为了让红外光谐振加强,密封玻璃管外测可镀金构成反射镜;由于一般玻璃是不能透过红外光的,于是在反射镜中间开出小孔并用能够透过红外光的材料密封,这样,谐振后的红外激光就可以通过小孔传送出来。


几种激光发生器


CO₂激光器的激发源有多种,高压直流电、高频交流电、射频、微波都可以。


常用的CO₂激光器的功率从几十瓦到近千瓦不等,CO₂激光器在市场上都有售,这些激光器被成功地用于各行各业中。这些特性使二氧化碳激光器在众多领域得到广泛应用。工业上用于多种材料的加工,包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、表面改性、涂覆等; 医学上用于各种外科手术; 军事上用于激光测距、激光雷达,乃至定向能武器。


2. 氦-氖激光器


氦-氖激光器是当前应用最为广泛的激光器之一,输出功率在0.5~100毫瓦之间,具有非常好的光束质量,可用于外科医疗、激光美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中学的实验室也在用它做演示实验。


气体激光器与固体激光器比较,一般的,气体激光器输出的能量密度比固体激光器小。


三.半导体激光器

半导体激光器原理

目前在半导体激光器件中,性能较好、应用较广的是GaAs(砷化镓)二极管半导体激光器。


对于GaAS(砷化镓)激光器,用电流激励方式,在半导体物质的能带之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当反转状态的电子与空穴复合时便产生激光。


半导体二极管激光器可以发出可见的激光,也可发出近红外光或紫外光。值得说明的是,普通的发光二极管(LED)发出的光不是激光,激光二极管(LD)是在发光二极管的基础上再增设谐振腔制成的。


半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高、寿命长。因为可以采用电压和电流激励,所以它可以与集成电路兼容。它还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点,半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。


光纤通信是半导体激光器最重要的应用领域,通信网络离不开半导体激光器。


可见光半导体激光器的应用到处可见,例如条码读出器、光存贮的读出和写入、激光打印、激光印刷、屏幕彩色显示、高清晰度彩色电视等。


半导体激光器也常用于激光遥感、自由空间通信、大气窗口、大气监视和化学光谱分析等方面。


半导体激光器的军事用途也十分精彩,例如红外对抗、激光瞄准、激光测距、激光雷达、激光制导、激光引信等。


四.化学激光器

化学激光器结构原理 

化学激光器是用化学反应来产生激光的。如,氟原子和氢原子发生化学反应时,能生成处于激发状态的氟化氢分子。这样,当两种离子态气体迅速混合后,便能产生激光,因此不需要别的能量,就能直接从化学反应中获得很强大的光能。


目前,最主要的有氟化氢(HF)和氟化氘(DF)两种装置,前者的激光波长在2.6~3.3微米之间;后者的在3.5~4.2微米之间。还有,溴化氢(HBr)激光器,波长为4.0~4.7微米;一氧化碳(CO)激光器,波长4.9~5.8微米;氧碘激光器,1.3微米。这些纯化学激光器目前均可实现数兆瓦的输出,其激光波长范围在近红外到中红外谱区,这类激光很容易在大气中或光纤中传输。


由于化学激光器是用化学反应来产生激光的,所以这类激光器的体积比较小,也比较适合于野外工作;特别地,可以产生高功率的激光,可用于军事目的,也可用于核聚变。


微观化学的研究直接推动了化学激光器的研究,化学激光器的发展方向主要集中于:

1)要求实际操作化学反应激光的产生,要求功率可控制,间断时间可控制;

2)要求整个发生器的体积小;

3)要求能够产生超大功率的激光。


Tags:激光,原子能级,光学科技  
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