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盤點激光器原理組成及應用

激光器是一種能發射激光的裝置,按工作介質分,激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類,近來還發展了自由電子激光器,大功率激光器通常都是脈沖式輸出。

激光器的工作原理

除自由電子激光器外,各種激光器的基本工作原理均相同。產生激光的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大于損耗,所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(或抽運)源、具有亞穩態能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發到激發態,為實現并維持粒子數反轉創造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。

工作介質具有亞穩能級是使受激輻射占主導地位,從而實現光放大。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的長度,還能通過改變諧振腔長度來調節所產生激光的模式(即選模),所以一般激光器都具有諧振腔。

激光器一般由三個部分組成

1、工作物質:激光器的核心,只有能實現能級躍遷的物質才能作為激光器的工作物質。

2、激勵能源:它的作用是給工作物質以能量,將原子由低能級激發到高能級的外界能量。通??梢雜泄餑茉?、熱能源、電能源、化學能源等。

3、光學共振腔:作用一是使工作物質的受激輻射連續進行;二是不斷給光子加速;三是限制激光輸出的方向。最簡單的光學共振腔是由放置在氦氖激光器兩端的兩個相互平行的反射鏡組成。當一些氖原子在實現了粒子數反轉的兩能級間發生躍遷,輻射出平行于激光器方向的光子時,這些光子將在兩反射鏡之間來回反射,于是就不斷地引起受激輻射,很快地就產生出相當強的激光。

激光器發出的光質量純凈、光譜穩定可以在很多方面被應用

紅寶石激光:最初的激光器是紅寶石被明亮的閃光燈泡所激勵,所產生的激光是“脈沖激光”,而非連續穩定的光束。這種激光器產生的光速質量和我們現在使用的激光二極管產生的激光有本質的區別。這種僅僅持續幾納秒的強光發射非常適合捕捉容易移動的物體,例如拍攝全息的人物肖像畫,第一副激光肖像在1967年誕生。紅寶石激光器需要昂貴的紅寶石而且只能產生短暫的脈沖光。

氦氖激光器:1960年科學家Ali Javan、William R.Brennet Jr.和Donald Herriot 設計了氦氖激光器。這是第一臺氣體激光器,這種激光器是全息攝影師常用的裝備。兩個優點:1、產生連續激光輸出;2、不需要閃光燈泡進行光激勵,而用電激勵氣體。

激光二極管:激光二極管是當前最為常用的激光器之一,在二極管的PN結兩側電子與空穴的自發復合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時,一旦經過已發射的電子—空穴對附近,就能激勵二者復合,產生新光子,這種光子誘使已激發的載流子復合而發出新光子現象稱為受激輻射。

如果注入電流足夠大,則會形成和熱平衡狀態相反的載流子分布,即粒子數反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下,少量自發輻射產生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產生感應輻射,造成選頻諧振正反饋,或者說對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時,就可從PN結發出具有良好譜線的相干光——激光。激光二極管的發明讓激光應用可以迅速普及,各類信息掃描、光纖通信、激光測距、激光雷達、激光唱片、激光指示器、超市的收款等等,各類應用正在不斷被開發和普及。