固體激光器等激光器的工作原理及其應用范圍大全

　　激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。

　　用光、電及其他辦法對物質(zhì)進行激勵，使得其中一部分粒子激發(fā)到能量較高的狀態(tài)，當這種狀態(tài)的粒子數(shù)大于能量較低狀態(tài)的粒子數(shù)時，由于受激輻射，物質(zhì)就能對某一波長的光輻射產(chǎn)生放大作用，也就是這種波長的光輻射通過物質(zhì)時，會發(fā)射強度放大并與入射光波位、頻率和方向一致的光輻射，這種稱為激光放大器。

　　若把激發(fā)的物質(zhì)放置于共振腔內(nèi)，光輻射在共振腔內(nèi)沿軸線方向往復反射傳播，多次通過物質(zhì)，光輻射被放大許多倍，形成一束強度大、方向集中的光束“激光”，這就是激光振蕩器。

　　激光器工作原理

　　除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個部分。激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（見光學諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔長度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。

　　激光工作物質(zhì)

　　是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。

　　激光器的種類是很多的?？梢詮募す夤ぷ魑镔|(zhì)、激勵方式、運轉(zhuǎn)方式、輸出波長范圍等幾個方面進行分類，下面就九種接觸比較多的激光器原理及應用做一下全面介紹。

　　一、固體激光器

　　用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺激光器。固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。

　　工作物質(zhì)：固體激光器的工作物質(zhì)，由光學透明的晶體或玻璃作為基質(zhì)材料，摻以激活離子或其他激活物質(zhì)構(gòu)成。這種工作物質(zhì)一般應具有良好的物理－化學性質(zhì)、窄的熒光譜線、強而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。

　　玻璃激光工作物質(zhì)容易制成均勻的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其熒光譜線較寬，熱性能較差，不適于高平均功率下工作。常見的釹玻璃有硅酸鹽、磷酸鹽和氟磷酸鹽玻璃。80年代初期，研制成功折射率溫度系數(shù)為負值的釹玻璃，可用于高重復頻率的中、小能量激光器。

　　晶體激光工作物質(zhì)一般具有良好的熱性能和機械性能，窄的熒光譜線，但獲得優(yōu)質(zhì)大尺寸材料的晶體生長技術(shù)復雜。60年代以來已有300種以上摻入各種稀土金屬或過渡金屬離子氧化物和氟化物晶體實現(xiàn)了激光振蕩。常用的激光晶體有紅寶石（Cr:Al2O3，波長6943埃）、摻釹釔鋁石榴石（Nd:Y3Al5O12，簡稱Nd:YAG，波長1.064微米）、氟化釔鋰（LiYF4，簡稱YLF;Nd:YLF，波長1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF，波長2.06微米）等。

　　1973年以來又有一類自激活激光晶體。它的激活離子是晶體的一個化學組分，因而激活離子濃度高，不致產(chǎn)生熒光猝滅。這種晶體的激光增益高，抽遠閾值低。主要品種有五磷酸釹（NdP5O14）、四磷酸鋰釹（NdLiP4O12）和硼酸鋁釹【NdAl3（BO4）3】等。它們多用熔鹽法生長，晶體尺寸小，可用于小型固體激光器。

　　已研制成的還有多種具有寬帶熒光特性的可調(diào)諧激光晶體，如終端聲子躍遷的金綠寶石（Cr:BeAl2O4，波長0.701～0.815微米，室溫工作）、摻鎳氟化鎂（Ni:MgF2，波長1.6～1.8微米，低溫工作）、5d→4f躍遷的摻鈰氟化釔鋰（Ce:YLF，波長0.306～0.315微米，用準分子激光器激勵，室溫工作）和堿鹵化物的色心激光晶體（不摻雜或摻雜的氯化鉀、氟化鋰等，波長0.8～3.9微米，大多在低溫下工作）。

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