教学－激光器的原理、结构和应用

激光器的原理、结构和应用1958年,人类在实验室里激发出了一种自然界中没有的光,这是一种完全新型的光，科学家渴望多年而自然界中并不存在的光，这就是激光.激光的英文名称是Laser，它是英语短语“受激发射光放大”（LightAmplicationbyStimulatedEmissionofRadiation,Laser)中每个实词第一个字母组成的缩略词，它包含了激光产生的由来。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。“莱塞”“镭射”“受激辐射光“产生激光的装置被称为激光器。激光和激光器的问世，被称为20世纪最重大的科学发现之一。1917：爱因斯坦在光量子论的基础上发展了自发辐射和受激辐射的理论，预言存在着原子产生受激辐射放大的可能性，为研究微波激射器和激光器提供了理论依据1960年：T.H.Maiman研制了世界上第一台激光器（LightAmplicationbyStimulatedEmissionofRadiation,Laser)激光是通过原子或分子的受激辐射而获得的单色相干电磁波梅曼，美国物理学家。1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。

它标志着激光技术的诞生。1960年5月15日，在休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼组装了第一台激光器——红宝石激光器。他在实验装置里有一根人造红宝石棒，用氙灯得闪光照射红宝石时，从装置中射出了一束深红色的亮光，它的亮度是太阳表面的4倍！如今，你只要稍加留意，就会发现激光就在我们身边：激光唱机的动听乐曲不断回荡在楼宇之间；激光影碟机悄然走进了千家万户；商场里商品贴的是激光防伪标志；激光照排则包揽了所有的报刊杂志。我们远隔千里就可以同亲人朋友通话，也是激光的功劳，因为光纤传送的正是激光。激光雕刻细致入微，精确无比，可在钢板、水晶等高强度材料上雕刻，广泛应用于工业打标、激光成型、礼品标牌。目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。

经过30多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。激光变色激光洗眉机激光整形美容仪激光治疗仪准分子眼科激光激光照排激光切割机普通光的局限性普通光源发光，是大量独立振子（例如发光原子）的自发辐射，不同振子发出的光波的相位是随机变化的。一般情况下，光的相干性是指：在不同点和不同时间上光波场的某些特性（例如光波的相位）的相关性。普通光的相干性很差，必须牺牲光强来得到相干性，这给相干光学技术的发展带来了限制。普通的光源，例如白炽灯，灯丝中每个原子在什么时刻发光，朝哪个方向发光，都是不确定的，发光的频率也不一样.这样的光在叠加时，一会儿在空间的某点相互加强，一会儿又在这点相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，所以不能发生干涉.这样的光是非相干光.只有频率相同、并满足一定条件的光才是相干光.一、光的波粒二象性

光的一个基本性质，就是同时具有波动性和微粒性光的微粒性：牛顿的光的微粒学说在原子的发射或吸收光等现象中将光看作是一个一个的光子组成的光的波动性：惠更斯、麦克斯韦的光的波动学说光的干涉和衍射。将光看作是由一列一列的光波组成的光子：爱因斯坦的光子学说（1905年爱因斯坦的光量子假说，诺贝尔奖）1、光波光是一种电磁波（1）线偏振光（2）光速、频率和波长（3）红外辐射、可见光和紫外辐射电磁波按其波长的长短大体上可分为：无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外辐射、X射线、γ射线等。其中红外辐射、可见光和紫外辐射通常称为光。（4）单色平面光波

光谱区波长大致范围（微米）红外辐射1000－0.76可见光红0.76－0.73

橙0.63－0.60

黄0.60－0.57

绿0.57－0.50

青0.50－0.45

蓝0.45－0.43

紫0.43－0.40紫外辐射0.40（4000埃）－50埃2、光子光子的能量：光子的动量：二、能级和跃迁物质由原子、离子或分子等微观粒子组成原子由一个带正电荷的原子核和若干个带负电荷的电子组成，原子核所带的正电荷与各个电子所带的负电荷之和在数值上是相等的，整个原子是电中性的原子内部少了电子则变成了正离子，反之，多了电子则变成负离子，故离子总是带电荷的分子由若干个原子组成1、原子的能级原子的能级低能级、高能级基态、激发态例氢原子原子发光的先决条件是必须受到外界能量的激发。几乎各种能量都可以成为这种激发条件而转化成光能。2、辐射跃迁辐射跃迁选择定则原子由于发射或吸收光子而从一个能级改变到另一个能级，则称为辐射跃迁只有在原子的两个能级满足辐射跃迁定则的情况下，才能够在这两个能级间产生辐射跃迁。即，原子发射或吸收光子，只能出现在某些特定的能级之间3、无辐射跃迁如果原子只是通过与外界碰撞的过程或其他与外界进行能量交换的过程而从一个能级改变到另一个能级，既不发射也不吸收光子，称为无辐射跃迁。在这类过程中，原子只是通过与外界碰撞而改变其内部能量值，完全与吸收或发射光子无关4、激发态的平均寿命和亚稳态处于激发态的原子总是要通过各种辐射跃迁或无辐射跃迁过程跳到比它低的能级，所以，原子在激发态只能停留有限的时间。原子在激发态停留时间的平均值称为激发态的平均寿命。原子激发态的平均寿命一般为10－7－10－9秒如原子的某些激发态与比它低的能级之间只能有很弱的（或没有）辐射跃迁，因而它的平均寿命很长（可能10－3秒或更长），这种激发态称为亚稳态三、激励、光的自发发射、受激辐射和受激发射1、激励激励：使用某种方法将核素从低能级提升到较高能级的过程称为激励核素激发：设一核素最初处于基态能级，经过激励后从基态跃迁到激发态能级，这一过程叫核素激发。显然此过程吸收能量激励是激光器工作的一个重要的前提条件激励激光介质以使其转移能量的方法有很多，如使激光介质吸收外来光子，用活性介质中的电子（或离子）与核素碰撞；在活性介质中原子与分子碰撞，自由电子与已电离的原子重新组合，半导体中电流载体的重新组合，产生受激核素的化学反应，电子的加速等等。受激的核素可通过非辐射过程（如与其他核素碰撞）释放能量，也可通过释放出光子来来释放它们多余的能量。若他们发射光子释放能量，其发射可以是自发辐射，也可是受激辐射2、光的自发发射处于高能级E2的原子总是会自发的跃迁到低能级E1的，并且发射一个频率为γ，能量为的光子。对于大量的处于高能级E2的原子来说，它们是各自独立地分别自发发射一个一个能量相同但波此无关的光子。这相当于他们各自独立的分别自发发射一列一列频率为光波，但各列光波之间的位相完全无关。各列光波可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发的光可以沿着所有可能的方向传播，这一过程称为光的自发发射。特点：其过程与外界无关，各核素的辐射都是自发地、独立地进行，因而发射的各光子的发射方向和初始相位都不相同。此外，由于大量核素所处的激发态不同，可以发出不同频率的光，所以自发辐射放的频谱较宽，这就是普通光源的发光原理自发辐射出的光子的简并度很低，具有一系列的不同频率和不同的初始相位，其单色性极差，而且彼此不能相干3、光的受激吸收当处于低能级E1的原子受到光子能量恰好为的外来入射光照射时，原子会由于受到这种入射光的刺激，吸收一个这种光子而跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收，简称为吸收。4、光的受激发射当处于高能级E2的原子受到光子能量为的光的照射时，这个原子也会在这种光的刺激下，发射一个与入射光子一摸一样的光子，而跃迁到低能级E1，也就是受激发射的光与入射光的频率都是，而且位相、偏振方向和传播方向等都相同。这个过程称为光的受激发射。可见，光的受激发射起了增加入射光强度的作用。受激辐射产生的光，其光子的简并度极高，但受激辐射必须在具有一定频率（Vmn)的外来入射光子的作用下才能发生，而且外来入射光子的频率必须满足因此，可以使用另外某个受激核素的自发辐射光子作外来的入射光子实际上，光的自发发射、受激吸收和受激发射这三个过程是同时存在的。在大量的同类原子中，如果其中某些处于高能级E2的原子分别自发发射了一些能量为的光子，则这些光子对于其他原子来说，就可以看作是一些外来的入射光子。如果另外一些原子处于低能级E1，则有可能发生受激吸收；如果另外一些原子处于高能级E2，则有可能发生受激发射、这点对于分析激光的形成过程是重要的。受激辐射的光子与外来光子的性质、状态等均相同，因此可由外来光子诱发受激辐射出同性质的光子，它们相互叠加，使光的强度变强，从而使入射光得到放大，最后获得到与入射光同相位、同频率、同方向、同偏振态的相干辐射光－－激光。受激辐射引起光的放大是产生激光的一个重要概念四、玻耳兹曼分布律在气体管内，大量的同类气体粒子（指原子或分子等）在运动过程中，彼此会相互碰撞，并且交换能量。有些粒子被激发到高能级，而另外一些粒子则处于低能级。在达到热平衡时，这些粒子在各个能级上是按照一定的统计规律分布的。这就是玻耳兹曼分布律。实际上，在一个含有众多核素的系统中，通常难以实现受激辐射。原因在于，一是核素一时处于高能态的时间异常短促（约10ns量级），他们就将通过自发辐射返回低能态或基态；二是外来的入射光子容易被低能态的众多核素所吸收。因此能否发生受激辐射，要由处于高能态和低能态核素的比例而定。正常的热平衡条件下，核素（粒子）的分布遵从玻耳兹曼分布律，即处于低能级的粒子数总多于高能级的粒子数，因而外来入射的光子将被众多的低能态核素所吸收。所以，在这种粒子正常分布状态，自发辐射占主导。五、粒子数反转分布在激光器工作物质内部，由于外界能源的激励，破坏了热平衡，有可能使得处于高能级E2的粒子数密度大大增加，（可以使受激辐射取得支配地位）。把这种分布称为粒子数反转。当粒子数反转后，激光介质就处在非热平衡状态实现粒子数反转的唯一办法是以适当的方式从外界输入能量，使激光介质中有尽可能多的粒子吸收能量而从低能级跃迁到高能级上去，这便是激励过程，又叫“抽运”，译名“泵浦”。激励的方法有光激励、放电激励、化学激励、电子束激励或核能激励等。当然，能否实现粒子数反转，还须看激光介质是否有合适的能级结构。设频率为的光在激光器工作物质内部沿着Z轴方向传播。又设工作物质内部有一种粒子已在其高能级E2和低能级E1之间实现了粒子数反转分布，这样的工作物质通常称为增益介质。如能量为的入射光子碰到的处于高能级E2的粒子因而发生受激发射的几率，正好等于光子碰到处于低能级E1的粒子因而发生受激吸收的几率(即可能性）。因此，当高能级E2的粒子数密度N2大于低能级E1粒子数密度N1时，在入射光传播的同一段距离内，发生受激发射次数应多于发生受激吸收的次数。发生一次受激发射就增加一个与入射光子一摸一样的光子，而发生一次受激吸收就减少一个入射光子。因而，在这种情况下，光在激光器工作物质内部将越走越强。即：频率的光在激光器工作物质内部传播时，其强度将随着距离的增加而增加。激光的物理机制（1）我们知道，原子和分子中的电子是处于精确分立的能级上的，这意味着，如果控制得好的话，它们只吸收某些特定波长的光，或者只发射出特定波长的光。爱因斯坦第一个清楚地认识到，如果光子能够被原子吸收，并且使原子上升到能量高的能级，那么光子也能够迫使原子失去它的能量，掉落到能量低的能级。光通常都会被物质吸收，这仅仅是因为物质里处于低能级的原子或分子几乎总是比处在高能级的多：吸收的比发射的多。所以以前的人们从来没有想过让光通过某个物质能得到加强。激光的物理机制（2）制造激光器的关键在于做出一种材料，其中的分子或原子的能量已经处于一种相当反常的分布，在激发态的数目比在基态的数目还要多。具有合适频率的光波通过这样的材料将会获得而不是失去能量。这就是由于受激辐射而造成的光放大。五、激光器通常，激光器由工作物质（激光介质）、泵浦源和谐振腔组成。激光器中的过程使用两块平行的反射镜，左边是全反射的，右边是半透明的。从外部照射的闪光使原子激发到激励态。此过程在激光技术中称为“泵浦”。一束相干辐射穿过半透明的镜子，然后在两块镜子之间来回反射，得到加强。最后射出的光就是激光了。Laser:lightamplificationbystimulatedemissionofradiation激光的特性：方向性－方向最集中激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。单色性－颜色最纯由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。相干性－相干性极好相干性主要描述光波各个部分的相位关系。所以它能像无线电波那样进行调制,用来传递信息.光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物.

高强度－比太阳还要亮百亿倍梅曼制成的那台红宝石激光器，它发射出的深红色激光是太阳亮度的四倍。而近年来研制出的最新激光，要比太阳表面亮度高出一百亿倍以上！因为激光器发出的激光是集中在沿轴线方向的一个极小发射角内（仅十分之一度左右），激光的亮度就会比同功率的普通光源高出几亿倍。再加上激光器能利用特殊技术，在极短的时间内（比如一万亿分之一秒）辐射出巨大的能量，当它会聚在一点时，可产生几百万度，甚至几千万度的高温。因此，我们可以利用激光束来切割各种物质，焊接金属以及在硬质材料上打孔.医学上可以用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤，还可以用激光“焊接”剥落的视网膜.原子核聚变时释放的核能是一种很有希望的能源.怎样使原子核在人工控制下进行聚变反应，这是各国科学家研究的重要课题.一个可能的实现途径是,把核燃料制成小颗粒，用激光从四面八方对它进行照射，利用强激光产生的高压引起聚变.固体激光器的结构1960年5月15日，在休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼组装了第一台激光器——红宝石激光器。红宝石激光器的工作物质是一根淡红色的红宝石晶体棒，晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Cr2O3。Cr3+密度约为1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。晶体中形成激光的是铬离子Cr3+（即一个铬原子失去三个外围电子而形成的正离子）。正是铬存储了能量，它决定了激光器的作用。红宝石晶体通常呈圆柱状，端部呈镜面，它被包围在充有氙气的管子中。但氙管闪烁发光时，光线刺激铬原子释放能量。镜面把部分射线反射回管中，这部分反射能刺激铬进一步释放能量。红宝石激光器工作物质中的铬离子，是被脉冲氙灯的光照射后才发光的，因此，脉冲氙灯及其电源以及聚光器就构成红宝石激光器的激励能源脉冲氙灯是一个内部充有几十到几百乇氙气的石英灯管（1乇＝1mm水银柱）。工作时，在电容器组上充电，由触发器给灯加上一个几万伏的脉冲高压，在灯管内形成火花，灯管导通，这是储存在电容器组中的电能量通过氙灯释放出来，因而脉冲氙灯就发出很强的闪光。脉冲氙灯和红宝石晶体棒分别位于椭圆柱面聚光器的两条焦线上。根据椭圆柱面的特性，这是从脉冲氙灯发出的闪光射到椭圆柱面上，经过反射，会到红宝石晶体棒上，因此称为聚光器，其内表面一般镀有金属高发射膜红宝石激光器激光晶体材料固体激光器气体激光器——He-Ne气体氦氖激光器是最典型的惰性气体原子激光器。直流放电激励，利用辉光放电正柱区实现。连续出光，主要是红光，近年又获得黄绿光。输出功率小，但光束质量很好，稳定性高。在气体激光器中，最常见的是氦氖激光器。世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久，于1960年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。由于氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好，可以连续工作，所以这种激光器是当今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密测量、准直定位上。气体激光器——氩离子氩离子激光器是典型的惰性气体离子激光器。大电流放电激励，利用弧光放电正柱区实现。在可见光区是输出连续功率最高的一种器件。能量转化效率低，一般只有0.01%的量级。气体激光器中另一种典型代表是氩离子激光器。它可以发出鲜艳的蓝绿色光，可连续工作，输出功率达100多瓦。这种激光器是在可见光区域内输出功率最高的一种激光器。由于它发出的激光是蓝绿色的，所以在眼科上用得最多，因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏，眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光。因此，用氩离子激光器进行眼科手术时能迅速形成局部加热，将视网膜上蛋白质变成凝胶状态，它是焊接视网膜的理想光源。氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层，而不被海水吸收，因而可广泛用于水下勘测作业。气体激光器——二氧化碳二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生的波长10.6微米激光也是最强大的一种激光。人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支长1米左右的放电管。它的一端贴上镀金反射镜片，另一端贴一块能让10.6微米红外光通过的锗平面镜片作为红外激光输出镜。一般的玻璃镜片不让这种红外光通过，所以个能做输出镜。放电管放电时发出粉红色的自发辐射光，它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。做实验时，一不小心就会把自己的衣服烧坏，裸露的皮肤碰到了也要烧伤，所以这种激光器上都贴着“危险”的标记，操作时要特别留神。以脉冲方式发射的二氧化碳激光器也有很多种，在科研和工业中用途极广。如果按每一脉冲发出的能量大小作比较，那么，脉冲二氧化碳激光器又是脉冲激光器中的最强者。气体放电特性曲线预电离技术横向激励高气压CO2激光器，通常又称TEACO2激光器，其输出的脉冲峰值功率可达太瓦级，每个脉冲能量为数千焦耳，是气体激光器在高功率和大能量方面与固体激光器竞争的最有希望的器件。为了获得高功率激光的输出，需要增大激光增益区。在大体积放电中很关键的一个问题就是如何获得均匀放电。因为在两个大面积的电极间总有少数几处出现孤立的击穿放电，形成明亮的弧光放电条纹。电极面积越大，这种现象越严重。为了解决这个问题，通常采用预电离技术，即在阴极和阳极间主放电之前，先使气体产生弱电离，然后再进行主放电。液体激光器液体激光器也称染料激光器，因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光，一般采用高速闪光灯作激光源，或者由其他激光器发出很短的光脉冲。这种激光器的工作物质是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。科学家至今还没有弄清楚这些染料的分子能级和原子结构，只知道它们与气体工作物质的气体原子、离子结构不一样；气体产生的激光有明确的波长，而染料产生的激光，波长范围较广，或者说有多种色彩。染料激光器的光学谐振腔中装有一个称为光栅的光学元件。通过它可以根据需要选择激光的色彩，就像从收音机里选听不同频率的无线电台广播一样。故又被称为“变色龙”染料激光器的激励源是光泵，可以用脉冲氙灯，也可以用氮分子激光器发出的激光。用一种颜色的激光作光泵，结果能产生其他颜色的激光可以说是染料激光器的特点之一。这种根据需要可以随时改变产生激光的波长的激光器，主要用于光谱学研究；许多物质会有选择地吸收某些波长的光，产生共振现象。科学家用这些现象分析物质，了解材料结构；还用这些激光器来产生新的激光，研究一些奇异的光学和光谱学现象。化学激光器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。这类激光器比较适合于野外工作，或用于军事目的，令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果。半导体激光器用半导体制成。它们叫砷化镓半导体激光器，体积只有火柴盒大小，这是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0.8～0.9微米之间。由于这种激光器体积小，结构简单，只要通以适当强度的电流就有激光射出，再加上输出波长在红外线光范围内，所以保密性特别强，很适合用在飞机、军舰和坦克上。激光的应用略施小技

科学家掌握激光的特性以后，使激光登上显示现代科学技术的大舞台，让它干了三件不可思议的奇事。第一件奇事是刺破青天，去叩响月球“广寒宫”的大门。1969年，美国的宇航员乘坐宇宙飞船首次登上月球。其实激光早在1962年就已经捷足先“登”上了月球。那次，科学家使用的是红宝石激光束。激光从地球射到月球上，再从月球返回地球，越过万里长空，来去只花了2.6秒。科学家拍摄了这一珍贵的镜头，摄下了激光在月球上的足迹—一个明亮的红点。第二件奇事是让激光束钻到人的眼睛里治眼病。眼睛很像照相机，瞳孔和瞳孔后的晶状是一个光线可以进入的“窗口”。细得像一条线的激光束，正好从这里射入眼内。晶体像透镜一样，它把激光聚焦在眼底上。焦点非常小，只有几十微米，和头发丝直径差不多；因此能量高度集中，温度可达1000多度，用它来做精确度很高的眼科手术非常理想