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文檔簡介

激光器工作原理1.

引言2.

原子基礎(chǔ)知識3.

原子形成激光的關(guān)鍵原理4.

激光器與原子的關(guān)系5.

激光6.

紅寶石激光器7.

三級激光器8.

激光器類型9.

激光器的波長10.

激光器分類11.

理解更多信息12.

閱讀所有物理學類文章激光器廣泛用于多種產(chǎn)品和技術(shù),其種類之多令人驚嘆。從CD播放機、牙鉆、高速金屬切割機到測量系統(tǒng),似乎所有東西均有激光器的影子,它們都需要用到激光器。不過,究竟什么是激光器呢?激光光束和手電筒光束的區(qū)別何在呢?

NASA供圖

美國國家航空航天管理局蘭利研究中心(LangleyResearchCenter)

的光學損傷閥值測試裝置有三部激光器:高能脈沖釹-釔鋁

石榴石激光器、鈦-藍寶石激光器友好振氦氖激光器。原子基礎(chǔ)知識整個宇宙中大概只有100多種不一樣的原子。我們看到的所有東西都是由這100多種原子以窮極無限的方式組合而成。這些原子之間排列組合的方式?jīng)Q定了構(gòu)成的物體是一杯水、一塊金屬或是汽水瓶中的泡沫!原子是永恒運動著的。它們不停地振動、移動和旋轉(zhuǎn),就連構(gòu)成我們座椅的原子也是不停運動著的。固體實際上也在運動!原子有幾種不一樣的激發(fā)狀態(tài),換言之,它們具有不一樣的能量。假如賦予原子足夠的能量,它就可以從基態(tài)能量層級上升到激發(fā)態(tài)能量層級。激發(fā)態(tài)能量層級的高下取決于通過熱能、光能、電能等形式賦予原子的能量有多少。下圖可以很好地闡釋原子的構(gòu)造:

最簡樸的原子模型

由原子核和沿軌道旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。簡樸原子由原子核(具有質(zhì)子和中子)和電子云構(gòu)成。我們可以把電子云中的電子想象成沿多種不一樣軌道圍繞原子核運動。原子形成激光的關(guān)鍵原理想一想上一頁中的原子構(gòu)造圖。即便以現(xiàn)代技術(shù)觀測原子,我們也無法看到電子的離散軌道,但把這些軌道設(shè)想成原子不一樣的能級會對我們的理解有所協(xié)助。換言之,假如我們對原子加熱,處在低能量軌道上的部分電子也許受激發(fā)而躍遷到距離原子核更遠的高能量軌道。

能量吸取:

原子可以吸取熱能、光能、電能等形式的能量。然后電子可以從低能量軌道躍遷至高能量軌道。盡管這種描述很簡樸,但它確實揭示了原子形成激光的關(guān)鍵原理。電子躍遷至更高能軌道后,最終仍要回到基態(tài)。在此過程中,電子以光子(一種光線粒子)的形式釋放能量。您會發(fā)現(xiàn),原子不停地以光子形式釋出能量。例如,烤箱中的加熱元件變成亮紅色,其中的紅色就是由于原子受熱激發(fā)而釋放的紅色光子。觀看電視屏幕上的圖像時,您看到的其實是磷原子受高速電子激發(fā)所釋放的多種不一樣顏色的光線。任何發(fā)光物體,包括熒光燈、煤氣燈、白熾燈,都是通過變化電子軌道并釋放光子來發(fā)光的。激光器與原子的關(guān)系激光器是控制受激原子的光子釋放方式的設(shè)備?!癓aser”是lightamplificationbystimulatedemissionofradiation(受激輻射光放大)的簡稱。這一名稱簡要的描述了激光器的工作原理。雖然激光器種類繁多,但它們均有某些基本特性。激光器中,激光介質(zhì)須通過泵激使原子處在激發(fā)狀態(tài)。一般來說,高強度閃光或放電可以泵激介質(zhì),進而產(chǎn)生大量激發(fā)狀態(tài)的原子(含高能電子的原子)。而激光器要有效運行就必須要有大量處在激發(fā)狀態(tài)的原子。一般來說,原子必須受激上升到基態(tài)以上兩到三個能量層級。這就提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指處在激發(fā)態(tài)的原子和處在基態(tài)的原子之間的數(shù)量比。激光介質(zhì)受到泵激后,其中就包括一批帶有激發(fā)態(tài)電子的原子。受激電子所含能量比低層級電子的能量高。就像電子可以吸取一定能量到達激發(fā)態(tài)同樣,電子也可以釋放這種能量。如下圖所示,電子只要向低層級躍遷,就會釋放部分能量。釋放的能量轉(zhuǎn)化為光子(光能)的形式。發(fā)射出的光子具有特定的波長(顏色),這取決于釋出光子時電子的能量狀態(tài)。兩顆擁有相似電子狀態(tài)的原子會釋放出相似波長的光子。

激光激光和一般光區(qū)別很大。它具有如下特性:發(fā)射的激光具有單色性。激光具有一種特定波長(即特定顏色)的光線。光線的波長由電子回到低能軌道時釋放的能量決定。發(fā)射的激光具有良好的相干性。激光的組織構(gòu)造很好,每個光子都緊跟其他光子運動。也就是說,所有光子的波前完全一致。激光具有良好的指向性。激光光束緊密、集中且能量極高。相反,手電筒發(fā)出的光線朝多種方向散射,光線能量弱,集中度低。為了實現(xiàn)以上三個特性,需要通過一種稱為受激發(fā)射的過程。這種現(xiàn)象不也許在一般手電筒中出現(xiàn),由于它的原子是隨機釋放光子。而受激發(fā)射時,原子是有組織地發(fā)射光子。原子釋放的光子具有特定的波長,此波長取決于激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的能量差。假如光子(擁有一定能量和相位)碰到另一種原子,且該原子擁有處在相似激發(fā)狀態(tài)的電子,即可引起受激發(fā)射。第一種光子可以激發(fā)或引導(dǎo)原子發(fā)射光子,而后發(fā)射的光子(即第二個原子發(fā)射的光子)按與進入光子相似的頻率和方向振蕩。激光器的另一種關(guān)鍵部件是一對反光鏡,分別位于激光介質(zhì)的兩端。特定波長和相位的光子通過兩端反光鏡的反射,在激光介質(zhì)之間來回穿行。在此過程中,它們會激發(fā)更多的電子由高能軌道向低能軌道跳躍,從而發(fā)射出更多相似波長和相位的光子,隨即將產(chǎn)生“瀑布”效應(yīng),進而在激光器內(nèi)迅速匯集起大量相似波長和相位的光子。激光介質(zhì)某一端的鏡面采用“半反射”鍍層,也就是說它只會反射部分光線,而其他光線則可以穿透。穿透的光線就是激光。紅寶石激光器您可在下一頁意在簡介簡易紅寶石激光器工作原理的插圖中,理解所有這些激光器組件。紅寶石激光器包括類似相機閃光燈的閃光管、紅寶石棒和兩面反射鏡(其中一面為半反射鏡面)。紅寶石棒是激光介質(zhì),閃光管是泵激源。1.未發(fā)射狀態(tài)的激光器2.閃光管閃光并將光線射入紅寶石棒。光線激發(fā)紅寶石內(nèi)的原子。3.其中的部分原子釋放出光子。4.部分光子沿紅寶石軸的平行方向運動,因而在兩塊反光鏡之間來回反彈。它們通過紅寶石晶體時,還會繼續(xù)激發(fā)其他原子。

5.單色、單相柱狀光線通過半反射鏡射出紅寶石棒,形成激光!三級激光器如下是真實的三級激光器的工作原理示意圖。

下一節(jié),我們將理解不一樣類型的激光器。激光器類型激光器分為許多不一樣種類。激光介質(zhì)可以是固體、氣體、液體或半導(dǎo)體。我們一般按照用于發(fā)出激光的介質(zhì)對其進行分類:固態(tài)激光器的發(fā)光材料分布在固態(tài)基質(zhì)中(如紅寶石激光或釹-釔鋁石榴石激光)。釹-釔鋁石榴石激光器可以發(fā)出波長為1064納米(nm)的紅外激光,其中1納米等于1x10-9米氣態(tài)激光器重要輸出紅色的可見光束,最常見的氣態(tài)激光器包括:氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以發(fā)射遠紅外能量,用于切割高硬度物質(zhì)。準分子(Excimer)激光器使用由氯、氟等活性氣體和氬、氪、氙等惰性氣體構(gòu)成的混合物,其英語名稱取自“excited”(受激發(fā)的)和“dimers”(二聚體)兩個單詞。通電激發(fā)時,可產(chǎn)生準分子(即二聚體)。發(fā)射激光后,二聚體可產(chǎn)生紫外波段的光線。染料激光器使用羅丹明6G等合成有機染料的溶液或懸濁液作為激光介質(zhì)。染料激光器具有極為廣闊的波長調(diào)整范圍。半導(dǎo)體激光器,有時也稱為二極管激光器,屬非固態(tài)激光器。這種電子設(shè)備一般體積小、功率低。它們可以內(nèi)置到大型激光二極管陣列(如激光打印機或CD播放機的寫入源)中。激光器的波長1.

引言2.

原子基礎(chǔ)知識3.

原子形成激光的關(guān)鍵原理4.

激光器與原子的關(guān)系5.

激光6.

紅寶石激光器7.

三級激光器8.

激光器類型9.

激光器的波長10.

激光器分類11.

理解更多信息12.

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紅寶石激光器(如前所述)屬固態(tài)激光器,其釋放的波長為694納米。根據(jù)所需發(fā)射的波長(參閱下表)、功率、脈沖持續(xù)時間,可以選擇其他激光介質(zhì)。有些激光器功能非常強大,例如二氧化碳(CO2)激光器可以切割鋼板。二氧化碳激光器如此危險的原因在于其發(fā)射的激光處在光譜的紅外和微波區(qū)域。紅外輻射就是熱量,因此二氧化碳激光器基本上可以熔化其對準的所有物體。其他激光器,如二極管激光器,功率較弱,一般用于目前的便攜式激光指示器。這些激光器一般能發(fā)出波長在630納米至680納米之間的紅色光束。激光器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研領(lǐng)域,例如,使用強激光激發(fā)其他分子,以觀測其反應(yīng)。如下是某些常見的激光器及其激光波長:激光種類波長(納米)氬氟激光(紫外光)193氪氟激光(紫外光)248氙氯激光(紫外光)308氮激光(紫外光)337氬激光(藍光)488氬激光(綠光)514氦氖激光(綠光)543氦氖激光(紅光)633羅丹明6G染料(可調(diào)光)570-650紅寶石(CrAlO3)(紅光)694釹-釔鋁石榴石(近紅外光)1064二氧化碳(遠紅外光)10600激光器分類1.

引言2.

原子基礎(chǔ)知識3.

原子形成激光的關(guān)鍵原理4.

激光器與原子的關(guān)系5.

激光6.

紅寶石激光器7.

三級激光器8.

激光器類型9.

激光器的波長10.

激光器分類11.

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激光警示標志根據(jù)也許導(dǎo)致的生理傷害,激光器可分為四個廣泛的種類。每套激光設(shè)備都應(yīng)具有如下四種標志之一:I級:這種激光器不會構(gòu)成任何已知程度的傷害。I.A.級:這是一種特殊的級別,指“不合合用眼睛直接觀看”的激光器,例如超市使用的激光掃描器。此級別激光器的最高限定功率為4.0毫瓦。II級:指低功率可見光激光器,其發(fā)射功率比I級高,不過輻

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