激光器的發(fā)展與未來前景構(gòu)想

1、激光器的原理以及在未來的前景展望摘要：激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項重大成就。它使人們終丁有能力駕駛尺度極小、數(shù)量極大、運動極混亂的分子和原子的發(fā)光過 程，從而獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線（以至X射線和丫射線）的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類對光的認(rèn)識 和利用達(dá)到了一個嶄新的水平。關(guān)鍵詞：激光器；歷史背景；工作原理；應(yīng)用；分類；重要定義 中圖分類號：文獻標(biāo)識碼；文章編號一、激光器的歷史背景、工作原理、分類以及應(yīng)用激光器（Laser）是能發(fā)射激光的裝谿。激光器的誕生史大致可以分為幾個 階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎(chǔ)。這一理 論指出，處丁高能

2、態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個能量等丁兩個能級之間能量差的光子的 作用，將轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個光子，同第一個光子同時發(fā)射出來，這就 是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個光子的發(fā) 射方向、頻率、位相、偏振完全相同。1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理 推廣應(yīng)用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了家式激光器。1962年R.N.霍耳 等人創(chuàng)制了砰化鐐半導(dǎo)體激光器等等。1960年T.H.梅曼第一臺紅寶石激光器以后，激光器

3、的種類就越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、 固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類。近來還發(fā)展了自由電子激光器， 其工作介質(zhì)是在周期性磁場中運動的高速電子束，激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。下面依次介紹幾種常見的激光器；(1)、氣體激光器(gas laser )：這是一類以氣體為工作物質(zhì)的激光器。此 處所說的氣體可以是純氣體，也可以是混合氣體；可以是原氣體激光器子氣體， 也可以是分子氣體；還可以是離子氣體、金屆蒸氣等。多數(shù)米用高壓放電方式泵 浦。最常見的有U-式激光器、氯離子激光器、二氧化碳激光器、ft -鎘激光器和 銅蒸氣激光器等。(2)、固體激光器(solid-s

4、tate laser )：用固體激光材料作為工作物質(zhì)的 激光器(見激光)。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。(3)、半導(dǎo)體激光器(semiconductor(semiconductor lasrlasr：半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料 作為工作物質(zhì)的一類激光器，由丁物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，產(chǎn)生激光的具體過程比較 特殊。常用材料有砰化鐐(GaA、硫化鎘(CdS、磷化錮(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)

5、結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫 時多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。下圖為同質(zhì)結(jié)、異 質(zhì)結(jié)激光器的能帶示意圖：咨冬型的氣布濤光輩奉才句奉蕙田最屈L鳥寸童企印*屹。寸IVH* 陌空，互.fl-i侄圣辰.驟寸（4）、染料激光器（dye laser）：工作物質(zhì)是有機染料，其能級由單重態(tài)（S）和三重態(tài)（T）組成。S和T乂分裂成許多振動-轉(zhuǎn)動能態(tài)，在溶液中這些能態(tài)還 要明顯加寬，因此能發(fā)出很寬的熒光。一般染料激光器的結(jié)構(gòu)簡單、價廉，輸出 功率和轉(zhuǎn)換效率都比較高。環(huán)形染料激光器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但性能優(yōu)越，可以 輸出穩(wěn)定的單縱模激光。染料激光的調(diào)諧范圍為0.31.2微

6、米，是應(yīng)用最多的 一種可調(diào)諧激光器。按工作方式分，有連續(xù)式、脈沖式、調(diào)Q和超短脈沖式等幾類。大功率激 光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所發(fā)射的激光波長已達(dá)數(shù)千 種，最長的波長為微波波段的0.7毫米，最短波長為遠(yuǎn)紫外區(qū)的210埃，X射線 波段的激光器也正在研究中。二、與激光器相關(guān)的幾種重要定義及介紹激光工作物質(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(dǎo)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問實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)

7、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。除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同， 裝谿的必不可少 的組成部分包括激勵（或抽運）、具有業(yè)穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)和諧振腔（見光學(xué) 諧振腔）3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(xué)激勵、電激勵、化學(xué)激勵和核能激勵等。 工作介質(zhì)具有業(yè)穩(wěn)能級是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實現(xiàn)光放大。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定向性和相 干性。激勵（泵浦）系統(tǒng)：是指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量

8、 來源的機構(gòu)或裝谿。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運轉(zhuǎn)條件的不同， 可以采取不同的激 勵方式和激勵裝谿，常見的有以下四種。光學(xué)激勵（光泵）。是利用外界光源發(fā) 出的光來輻照工作物質(zhì)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝谿，通常是由氣體放電光源（如麻燈、氟燈）和聚光器組成。氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質(zhì) 內(nèi)發(fā)生的氣體放電過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的， 整個激勵裝谿通常由放電電極和放 電電源組成。 化學(xué)激勵。 是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程來實現(xiàn)粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。核能激勵。 是 利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質(zhì)并實 現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。光學(xué)

9、共振腔：通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特 定的方式組合而成。作用為：提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次 往返以形成相十的持續(xù)振蕩。對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以 保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用，是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式所決定；而作用，則 是由給定共振腔型對腔內(nèi)不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。三、幾種常見激光器及其用途介紹Nd : YAG敷光器,1064nm固體激光器，連續(xù)激光器的最大輸出功率1000W可用于激光切割金屆。Ho： YAG固體激光器，可產(chǎn)生對人眼安全

10、的2097nmffi 2091nm激光，適用 于雷達(dá)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。He-Ne激光器，632.8nm,氣體激光器，功率為幾mW用于準(zhǔn)直，定位，全 息照相等。CO2敖光器，氣體激光器，輸出波長10.6um,廣泛用于激光加工，醫(yī)療，大 氣通信及其他軍事應(yīng)用。N2分子激光器，氣體激光器，輸出紫外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十兆瓦，脈寬 小于10ns,重復(fù)頻率為數(shù)十至數(shù)千赫，作可調(diào)諧燃料激光器的泵浦源，也可用 于熒光分析，檢測污染等方面。四、激光器的前景展望由于IPG和通快努力地擴大了技術(shù)產(chǎn)品線，包括氣體、固態(tài)和光纖激光器。 廣泛的產(chǎn)品線讓他們的客戶可以輕松選擇“一站式購物”模式。CO2t光器仍然會稱霸不銹鋼切割市

11、場，但是光纖激光器的進步，使得她能 夠蠶食原來氣體、YAG藍(lán)寶石激光器的領(lǐng)地，并產(chǎn)生了一些新的應(yīng)用，如紡織 產(chǎn)業(yè)的激光接縫。對于超快激光、微加工設(shè)備、半導(dǎo)體與光伏的切割和光刻、組 織成像（tissueimaging ）, Edmund Optics的產(chǎn)品經(jīng)理Amr Khalil表示：“隨 著價格的降低，固體激光器將普遍取代笨重和效率低的氣體激光器，特別是在某些特殊的領(lǐng)域，如生物醫(yī)療和材料加工。40!（和氯離子激光器每年下降大約5%-10%但在一些十涉長度要求較長的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)^續(xù)使用，如照排和圖像處理?！卑雽?dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、成本低、壽命長、波長可選擇、輸出功 率穩(wěn)定、電源驅(qū)動系統(tǒng)簡單等優(yōu)點。特別適用于醫(yī)療設(shè)備的制造，其臨床應(yīng)用幾 乎覆蓋了所有其他類型激光的應(yīng)用范圍。因此,在市場上所占的份額也越來越大, 具有十分廣闊的發(fā)展前景。半導(dǎo)體激光在臨床上的應(yīng)用隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展成熟。它在臨床上的應(yīng)用將會越來越廣泛。如眼科、外科、美容科（激光脫毛、激光祛皺等）、牙科、 口腔科、耳鼻喉