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激光产生的原理及核心器件

时间: 2019-11-23 作者:激光超市 来源:激光超市 阅读: 13 次

1、激光产生的三要素-泵浦源、工作物质、谐振腔

激光,是一种受激辐射产生的光。从技术原理角度分析,激光产生的三个必要条件包括:粒子的受激辐射、反转分布以及稳定增益。

激光的理论基础最初在1916年由爱因斯坦提出,简单地说包括受激吸收和受激辐射两个过程:在受激吸收过程中,物质中处于低能级E1的粒子受到能量为hv=E2-E1的光子照射而吸收能量跃迁至高能级E2;在受激辐射过程中,处于高能级E2的粒子,受到能量同样为hv=E2-E1的光子激励,在跃迁至低能级E1的过程中辐射出一个与入射光子具备完全相同状态的光子。经过这两个过程,入射光子数量获得成倍增加,光强增大,形成了光放大效应。

基于受激辐射的特性,在持续有光子射入激励的情况下,某些物质中的粒子能够在跃迁至高能级E2之后稳定在次高能级E3,被称之为亚稳态。当这些粒子大量堆积于亚稳态E3并且数量远超过处于低能级E1的时候,就形成了物质中粒子数的反转分布,使得受激辐射数量远大于吸收数量。

粒子形成反转分布后,在激励下不断辐射出的光子通过谐振腔持续获得增益,并在满足条件后从谐振腔中射出。

基于这一系列反应过程,入射光子最终形成同方向、同频率的相干光束,使激光具备高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的特点。

激光器是激光的发射装置,基于激光的产生原理,其核心器件主要包括泵浦源、工作物质和谐振腔三部分。

泵浦源(激光产生的动力源):

泵浦源在激光器中承担激励源的功能,其目的是使工作物质中的粒子处于反转分布的状态,由于受激辐射的光子数目与入射光子数目和物质中粒子反转分布数目成正比,通过泵浦源的持续激励,工作物质中就能够辐射出大量特征状态一致的光子,形成初始的激光。

根据激励方式不同,泵浦源主要可以分为电激励、光激励、热激励和化学激励,电激励采用气体放电或电流、电子束注入等方式进行激励,常见于气体激光器、半导体激光器中;光激励采用光源照射激励,多用于固体激光器和液体激光器;热激励和化学激励则通过热能和化学反应进行激励,这两种激励方式比较少见,应用于特定几种激光器中。

工作物质(受激辐射的主要对象):

如果说泵浦源是激光产生的驱动力,那么工作物质就是泵浦源的主要鞭策对象,驱使他源源不断的辐射出光子。由于激光的产生需要物质中粒子具备反转分布状态,所以就要求工作物质存在亚稳态能级,自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台激光器至今,已经有多种多样符合条件的工作物质被探索出来,按形态不同主要可以分为固体、气体、液体和半导体。按照使用的工作物质种类,激光器相应的也被分为固体、气体、液体、半导体激光器等。

谐振腔(激光的放大器):

工作物质通过泵浦源受激辐射出光子后,还需要经过一道“增益”环节来使发射出的激光达到一定阈值,谐振腔就在激光器中承担增益放大的功能。最基础的谐振腔结构可以理解为平行放在工作物质两边的两面不同的反射镜,一面反射率为100%,一面则根据所需要的激光阈值部分透射。由于光强与光子数密度成正比,初始受激辐射产生的光子通过在谐振腔中来回振荡不断穿过工作物质获得持续放大,并最终达到符合要求的阈值。

在选用工作物质相同的情况下,谐振腔和泵浦源就成为决定激光器发射光束的质量、性能的关键所在,同时也是激光器的技术核心点。除此之外,激光器中还有耦合器、隔离器、调制器等起到调节光束方向、频率等辅助作用的无源器件,共同组成一个完整的激光器装置。

2、以光纤激光器为首的固体激光器器件占据市场主流

在激光产业链中,激光器件属于激光器的上游零部件,从激光器全球市场看,光纤激光器、半导体激光器和全固态激光器占据主导地位,其中光纤激光器占全球激光器规模的近40-50%,传统的CO2激光器由于功率和转化率限制市场份额呈逐年下降趋势,而液体激光器由于性能原因在实际应用中更加少见,所以相应的在器件市场中,以光纤激光器为首的固体激光器用器件占据主流。

特种光纤:特种光纤是光纤激光器的关键原材料,相比于普通光纤在掺杂元素、工作波长、结构和光学性能上都有其特殊性。激光器中常用的特种光纤包括YDF(掺镱光纤)、GDF(无源匹配光纤)和大芯径传能光纤,YDF主要用作光纤激光器的工作物质,通过在光纤纤芯中掺杂稀土元素使其实现光放大效应;GDF主要用作光纤合束器、隔离器以及光纤激光器谐振腔—光纤光栅的原材料;大芯径传能光纤则用于泵浦源、合束器和光纤激光器的输出端,起到激光传能的作用。

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