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固体激光器基本原理

时间: 2019-05-09 作者:激光超市 来源:激光超市 阅读: 595 次

一个原子吸收能量之后,从低能态到高能态的过程称为激发过程。反之,处于激发状态的原子是不稳定的,总是自发地回到低能态,同时有光子发出。这一过程叫“自发辐射”。如果原子吸收外界光能而跃迁到高能级,而受外界光感应产生辐射又回到低能态,这一过程叫“受激发射”。但是,只有采用一种办法使物质中大量粒子同时处于激发态,并通过外界光感应,使所有处于激发态的粒子几乎同步完成受激辐射回到低能态,这时物质才能发出一柬强大的光束来,称为“激光”。打个比方,激光的产生过程好比用水泵将水抽到水塔顶部,然后突然打开闸门,这时水就会以强大的力量喷射而出。当然,激光的产生过程要远比上面的例子复杂得多。

固体激光器中,能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成,基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境,而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子,如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子,如钕离子等。

固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质(如红宝石激光晶体)和反射腔镜片组成,反射镜表面镀有介质膜,一片为全反射镜,另一片为部分反射镜。掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激励,会发射出各种不同波长的激光。

早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器,来完成激光工作物质内原子的受激辐射过程的,这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电能直接转化为激光的能量,一直是人们梦寐以求的事情。近年来,科学家成功地研制出了半导体激光器,一旦接通电源,便会发出激光。选用不同的半导体材料和不同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出现,大大减少了激光器的体积,米粒大的一个半导体芯片,接上电源,便会发射出神奇的激光。目前,半导体激光器已在许多方面得到了广泛的应用。

激光器一般由三个部分组成,固体激光器也不例外:

(1).工作物质 这是激光器的核心,只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。目前,激光工作物质已有数千种,激光波长已由x光远至红外光。例如氦氖激光器中,通过氦原子的协助,使氖原子的两个能级实现粒子数反转;

(2).激励能源(光泵) 它的作用是给工作物质以能量,即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。 通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。例如红宝石激光器,是利用大功率的闪光灯照射红宝石(工作物质)而实现粒子数反转,造成了产生激光的条件。通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。

(3).光学共振腔 这是激光器的重要部件,其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行;二是不断给光子加速;三是限制激光输出的方向。最简单的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。当一些氖原子在实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁,辐射出平行于激光器方向的光子时,这些光子将在两反射镜之间来回反射,于是就不断地引起受激辐射,很快地就产生出相当强的激光。这两个互相平行的反射镜,一个反射率接近100%,即完全反射。另一个反射率约为98%,激光就是从后一个反射镜射出的。激光器主要由三部分组成:工作物质、激励能源、谐振腔(共振腔)。

固体激光器一般采用光激励源。工作物质多为掺有杂质元素的晶体或玻璃。最常见的固体激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等,固体激光器输出能量高,小而坚固,在激光加工、激光武器等方面有重要应用。

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