第一台激光器——红宝石固体激光器
各种激光器的介绍
各种激光器的介绍激光（Laser）是光学与物理学领域中的重要研究方向之一，也是现代科学中应用最广泛的光源之一、激光器是产生、放大和产生激光的装置，它能够使光以高度有序的方式输出，并具有高度相干和高度定向的特性。
激光器可以根据不同的工作原理和激光频率，分为多种类型，下面将为大家介绍几种常见的激光器。
1. 固体激光器（Solid State laser）：固体激光器是利用固体材料作为介质的激光器。
固体激光器的工作物质通常为具有特殊能级结构的晶体或玻璃材料。
最早的固体激光器是由人工合成的红宝石晶体制成的。
它具有高度的可靠性、较高的功率输出和较宽的谱段覆盖等特点，广泛应用于医疗、测量、通信、材料加工等领域。
2. 气体激光器（Gas laser）：气体激光器是利用气体作为活性介质的激光器。
常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最早被发现和研究的激光器之一，具有连续激光输出、较高的功率密度和中远红外波段特点，广泛应用于材料加工、切割、医疗等领域。
3. 半导体激光器（Semiconductor laser）：半导体激光器是利用半导体材料作为活性介质的激光器。
它是目前应用最广泛的激光器之一，常见的有激光二极管（LD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
半导体激光器具有小巧轻便、功耗低、寿命长等特点，广泛应用于激光显示、光通信、生物医学等领域。
4. 光纤激光器（Fiber laser）：光纤激光器是利用光纤作为反射镜和放大介质的激光器。
它采用光纤的内部介质作为激光器的活性介质，激光通过光纤进行传输和放大。
光纤激光器具有高度稳定性、方便携带、适用于长距离传输等特点，广泛应用于材料加工、制造业、激光雷达等领域。
5. 半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器（如激光二极管）泵浦固体材料产生激光的激光器。
它继承了固体激光器的高功率、高效率和稳定性等特点，同时又具有半导体激光器小尺寸、低功耗等优势。
第一台激光器——红宝石固体激光器
第一台激光器——红宝石固体激光器摘要：本文主要回顾了第一台激光器的研制历程，介绍了红宝石激光器的工作原理和它的发明者梅曼先生。
一、发展历程1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。
前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。
激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”( Light amplification by the stimulated emission of radiation )。
爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到.1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。
1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。
1934年，克赖克汤和威廉}i} i}i}于振荡器发现了电磁波和分a:.的相互作用。
这是最旱期的电磁波谱学实验。
30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。
同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础.1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础.1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备.他们开始着手进行微波波谱学山研究。
当时，韦伯(Webber )、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫(11po1。
二。
)以及汤斯("l}ow'nes)等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。
这是激光理论发展的重要起点.1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。
关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。
这是哥伦比亚大学的兰姆( Larnb)和另一同事的共同成果。
他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。
激光器原理
激光器原理各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢典型激光器的原理与应用激光之源--典型激光器的原理、特点及应用一前言自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。
激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。
图1 第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。
其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。
激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
二典型激光器1，气体激光器气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。
它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式最常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
下面是典型激光器的示意图：图2 气体激光器示意图根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。
采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。
原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。
He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
激光原理答案
（2）氩离子激光器单模运行时的相干长0 cm，激射波长632.8nm，荧光光谱线宽为：
求：纵模频率间隔，谐振腔内的纵模序数及形成激光振荡的纵模数；
2.已知：He-Ne激光器谐振腔长50 cm，若模式m的波长为632.8 [nm]；计算：纵模m+1的波长；
解：激光器的阈值集居数密度反转为
式中受激发射截面经查表可知（P288）：
介质中的阈值泵浦功率密度：
1.估算CO2激光器波长为10.6um的激光跃迁在400k下的多普勒线宽，讨论在什么气压范围内该跃迁谱线从非均匀加宽过渡到均匀加宽为主（取压力加宽系数平均值为6.5MHz/Torr）（P274习题4.6）
作业七
1试计算：
光腰的大小及位置；
两个反射镜上光斑半径；
画出等效共焦腔的位置。
解，已知：
谐振腔的几何参数
(3)画出等效共焦腔的位置。
2.考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔，波长腔长，腔镜曲率半径为。
试计算：
该球面镜的束腰半径和位置；
两面镜上的光斑尺寸；
画出等效共焦腔的位置。
解
作业八
1.已知：He-Ne激光器的出射激光器束腰直径为1.2mm,
1981年诺贝尔物理学奖----激光光谱学与电子能谱学布隆姆贝根肖洛凯.西格班
1981年诺贝尔物理学奖的一半授予马萨诸塞州坎伯利基哈福大学的布隆姆贝根（Nicolaas Bloembergen,1920--）和美国加利福尼亚州斯坦福大学的肖洛（Arthur L.Schawlow,1921--）,以表彰他们在发展激光光谱学所作的贡献；另一半授予瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯.西格班（Kai M.Siegbahn,1918--）,以表彰他在高分辨率电子能谱学所作的贡献。
激光器的简介以及发展历程
➢ 信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器
➢ 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状
➢ 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型
➢ 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼 科手术，激光血照仪，视光学测量
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛 固体 激光器的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和 焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱 研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及 激光核聚变等方面。
固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。 固体激光器 的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作 波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输 出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长 工作寿命等。
合成高能固体激光器JHPSSL是美军继氧碘 化学激光武器之后的研发重点，固体激光 器能采用功率合成的方法达到远超过化学 激光器的的功率，通过增减模块数量可以 满足从拦截战术炮弹到拦截战略导弹的多 层次需求。
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气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。 它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励 源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、 光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电 条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有 选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒 子数反转，产生受激发射跃迁。
光，将激光能量放大后就形成对材料加工 的激光束。
工作物质是中性分子气体，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波长范 围很广，从真空紫外、可见光到远红外。其中以二氧化碳激光器最为重要， 其特点是效率高，大约在10％～25％范围内，可以获得很高激光功率,连续 输出功率高达万瓦,脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.4微米和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。二氧化碳激光器分为普 通低气压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和 高气压连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。这些激光器可用于加 工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等 离子体研究等方面。其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可 调谐的激光器，特别适用于激光通信和高分辨光谱学。
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
大族激光产品简介
1.2.3激光器由哪几部分组成？
• 工作物质 • 泵浦源 • 谐振腔
很显然，激光器中首先要包括某种工
作物质，它是赖以产生激光的基础。其 次，必须能使该工作物质处于粒子数反 转分布状态，这就意味着需要向物质提 供适当的能量，将足够数量的粒子从低 能级“抽运”到高能级，这很像是水泵 将水从低处抽往高处，因而，常称上述 “抽运”过程为“泵浦”。而提供泵浦 能量的设备则称为“泵浦源”。
激光就是一束发散角很小能量高度 集中的光源。
P.S. 激光在传播过程中像一条笔直的线，不易发散，光强也 可以保证。一束激光射出20KM以外，光斑只有杯口大小。如果发 射到38万千米以外的月球，光圈的直径也不过2KM，在地球上看是 一个明亮的红点，利用激光的这一特性，科学家在1962年测出了
地球和月球之间的精确距离384,400千米 。
大功率CO2激光切割机
大功率切割机 1.齿条龙门产品： G3015F，G3015。 传动方式：齿条齿轮；丝杠（滚 珠）导轨；直线电机。（3015是 指加工幅面） 2.悬臂产品： B3015（丝杠）、B6015（高速） 切割碳钢、铝合金、不锈钢等材 料 3.模切钣机：M2512 切割模切板，亚克力板
（4）高亮度（总结：三好一高）
• 单色性好，普通光源发射的光子，在频率上是 各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射 的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光 源。
P.S.激光单色性的应用：由于光的生物效应强烈 地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选 择性治疗上获得重要应用。此外，激光的单色特 性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已 成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
固体激光器的基本结构和工作物质 李迎鑫 1102
固体激光器的基本结构与工作物质摘要1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
到1960年底，人们分别在固体（掺铀氟化钙）和气体（氦氖）中实现了四能级激光器系统。
固体激光器的发明梅曼发明的红宝石激光器为激光技术的发展完全打开了新的大门。
本文就固体激光器的基本结构与工作物质进行阐释。
关键词固体激光器基本结构工作物质基本结构固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
工作物质，激光器的核心部分，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
激励能源，固体激光器一般采用光激励源。
通常为光泵。
它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。
通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。
例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。
通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。
常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。
在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。
一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。
工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。
谐振腔，由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。
光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。
最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。
受激辐射光通过反馈在其中形成放大与振荡, 并由部分反射镜输出。
固体激光器基本原理以及应用
量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长
等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的
领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器 已有500 余种，但从1998 年开始，固体激光器 中的Nd:YAG 激光器的市场占有率和销售额已 升为第一位。
与传统灯泵浦固体激光器比较，全固化固体激 光器具有以下优点：
1) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与 固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加之泵浦 光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从 而光光转换效率很高，已达50％以上,光纤达 80%，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当， 比灯泵固体激光器高出一个量级，因而全固化 固体激光器可省去笨重的水冷系统，体积小， 重量轻，结构紧凑，易于系统集成，性能价格 比高。
连续或脉冲
532, 1070, 1800-2000 高达2KW/高达1mJ
高达20%
基模 光斑细
功率/能量稳定 性 冷却方式 可靠性 维护周期 使用寿命 系统体积 光纤传输 设备成本 运行成本 技术
< 1.5% 风冷 最佳 无需维护 大于10 万小时 小巧紧凑 单模光纤 较高 较低 最新
二极管泵浦固体激光器
2
3)任意形状光纤激光器
为了克服双包层光纤激光器输出功率受 到限制，进一步提高输出功率，日本学 者率先开发出了一种任意形状光纤激光 器，有望获得千瓦量级的光纤激光器。 其方案是将光纤排放成盘状结构，大大 增加了泵浦光的利用面积，其有效利用 面积比纤芯端面和包层端面大得多。根 据光纤的排放方式不同，这类光纤激光 器又可分为盘状、片状、圆柱状、环状 和棒状等不同结构的光纤激光器。
固体激光器简介
4
I 11 / 2
(4 F3 / 2 谱线)
4
I 11 / 2
,对应1.06μ m
E1:基态, 一条激光谱线的激光 下能级(三能级系统):
4
I9/2
(
4
F3 / 2
4
I9/2
对应0.9μm谱线)
跃迁谱线: ①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观 察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定 可观 察到;
红宝石中铬离子的吸收光谱
红宝石中铬离子的能级结构
红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应 的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。
通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943μm线才能形成激光输出。
应指出,红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂 成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占 47%,E能级上约占53%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度 比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。 同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去, 这就加强了R1线,而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的位子均 将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。 红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随 温度变化。 但具有很多优点,如: 机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大 尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线 较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连 续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为 人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和 照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍属一 种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺 寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容 易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对 载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器 件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激 光发展上是贡献比较大的一种晶体。
中国激光发展史
我国激光技术的发展史“激光”一词是“LASER”的意译。
LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。
1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种非常强烈的新光源，这样更加贴切、简洁的得到我国科学界的一致认同并沿用至今。
从1961年中国第一台激光器宣布诞生至今，在全国激光科研、教学、生产和使用单位共同努力下，我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域，并在产业化上取得很大的进步，为我国科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献，积累了宝贵的经验。
在国际上了也争得了一席之地。
一、我国早期激光技术的发展1957年，王大珩等人在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。
在老一辈技术专家带领下，一批青年科技工作者所谓好是迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。
早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短短的几年内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。
1960年世界第一台激光器问世。
1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。
此后在很短的时间内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。
各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。
在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。
同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。
激光器红宝石造就的伟大发明
激光器:红宝石造就的伟大发明作者：阿辉来源：《发明与创新(综合版)》2011年第03期激光被誉为是人类现代科技史上最伟大的发明之一。
激光起源于大物理学家爱因斯坦，1916年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“受激辐射”。
这一理论就是指在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁)到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。
这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
一个科学的理论从提出到实现，往往要经过一段艰难的道路。
爱因斯坦提出的这个理论也是如此。
它很长一段时间被搁置在抽屉里无人问津。
直到1937年，法国波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德·卡斯特勒和让·布罗塞尔开始对此进行研究，1950年他们发明了“光泵激”技术。
这一发明后来被用来发射激光，并使他在1966年获得了诺贝尔物理学奖。
激光器的发明实际上提出了更多的问题。
它必须使反射谐振器适应极短的波长。
1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯·汤斯(Townes)对微波的放大进行了研究，经过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。
汤斯在这项研究中花费了大量的资金，因此他的这项成果被人们起了个绰号叫做“钱泵”，说他的这项研究花了很多的钱。
后来汤斯教授和他的学生阿瑟·肖洛设想，既然我们已经成功地研究了微波的放大，就有可能把微波放大的技术应用于光波。
1958年，汤斯和肖洛在《物理评论》杂志上发表了他们的“发明”——关于“受激辐射的光放大”(即LASER)的论文。
但是在实际中建造激光器还有许多困难，人们对激光的性质和作用都还没有清楚的认识。
于是汤斯教授和肖洛并没有在此基础上继续进行研究和实验，结果这项研究的成果被第三者利用了。
这位第三者的名字叫西奥多·梅曼(Maiman)。
激光原理期末复习基本概念
激光原理期末复习前言1、（1960）年美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器—红宝石激光器。
2、激光是利用（光能）、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。
3、根据激光器工作物质分类有：固体激光器；（气体激光器）；液体激光器；染料激光器；半导体激光器等。
4、按激光器运转方式分类有：连续激光器；单次脉冲激光器；（重复脉冲激光器）；调Q 激光器；锁模激光器；单模和稳频激光器；可调谐激光器等。
5、按激光激励方式分类有：光泵式激光器；（电激励式激光器）；化学激励激光器（又称化学激光器）；核泵激光器。
6、按激光器输出激光的波段范围分类有：远红外激光器；（中红外激光器）；近红外激光器；可见激光器；近紫外激光器；真空紫外激光器；X射线激光器等。
7、激光最突出的特性是：能量集中，（高方向性）；高亮度；单色性好；相干性强。
8、激光的方向性表示可以用平面角和（立体角）表示。
9、具有单一频率的光波称为单色光。
单色性：用（/λ或）表示。
10、激光的辐射范围在1×10-3rad（0.06º）左右。
氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有（10-8 ) nm 。
11、激光的单色性越好，相干长度越(长)；激光的相干长度可达105千米。
第1章辐射理论概要1、电磁辐射同物质相互作用产生吸收和发射现象时，电磁辐射以（光子或光量子）不连续的形式交换能量。
2、光量子能量E与波长成反比：E ∝1/λ；波长越长；光量子能量E越小；(频率越低) ；波长越短；光量子能量E越大；(频率越高)。
3、原子处于最低的能级状态称为（基态）。
能量高于基态的其它能级状态称为激发态。
4、能级有两个或两个以上的不同运动状态称为简并能级。
同一能级所对应的不同电子运动状态的数目称为（简并度）。
5、在热平衡条件下，原子数按能级分布服从（波尔兹曼定律）。
6、原子能级间跃迁发射或吸收光子的现象称为辐射跃迁。
固体激光器的应用
固体激光器的应用所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。
I960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
距今已有整整五十年了，在这五十年固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃并且对人类社会产生了巨大的影响。
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。
固体激光器从其诞生开始至今一直是备受关注。
其输出能量大峰值功率高结构紧凑牢固耐用因此在各方面都得到了广泛的用途其价值不言而喻。
正是由于这些突出的特点其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用给我们的现实生活带了许多便利。
现在激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域它标志着新技术革命的发展。
诚然如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比我们不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。
一、固体激光器的类别：固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：AI2O3）、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd: YAG、掺钛的铝酸忆（Nd: 丫ALO、掺钛的氟化忆锂（Nd: YLF）等多种。
它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694. 3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。
二、固体激光器的构造及原理：在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。
激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。
常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。
固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。
掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。
红宝石激光器
全息术实验
• 用红宝石脉 冲激光器拍 摄的刚出壳 的小鸡的反 射全息图， 可以白光再 现。
红宝石激光器优点
– 机械强度和化学稳定性高,能承受很高的激光功 率密度,易生成较大尺寸; – 亚稳态寿命长,储能大,可获得大能量输出; – 荧光谱线较宽,易获得大能量单模输出; – 低温性能优良;输出可见光。
红宝石激光器优点
从应用观点看,红宝石激光器输出可见光极具吸引 力, 一、是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见 光区,而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工 作波长则位于近红外区域 二、是对于全息照相等应用,需要使用可见光作为光 源
从应用观点看红宝石激光器输出可见光极具吸引一是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见光区而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长则位于近红外区域二是对于全息照相等应用需要使用可见光作为光晶体性能随温度变化明显室温下不适于做连续高重频器件
激光的诞生
1960 年 5 月 15 日 ， 美 国 加利福尼亚州休斯实验 室的科学家梅曼设计和 建造了一台小型的激光 发生器。他将闪光灯线 圈缠绕在指尖大小的红 宝石棒上，从而产生一 条相当集中的纤细红色 光柱，当它射向某一点 时，可使这一点达到比 太阳还高的温度 ，激光 时代由此开启，从此和 人们的生活息息相关。
红宝石激光器
红宝石激光器属 于三能级系统，相 应于右图的简化能 级模型。
红宝石激光器
红宝石激光器的工作过程
• 红宝石棒两个端面精磨抛光，平行度在1‘（弧分） 以内，其中一个端面镀银，成为全反射面，另一 个端面平镀银，成为透射率10% 的部分反射面。 • 激励能源是光源——螺旋形脉冲氙灯（现经常采 用直管氙灯），氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较 强有光输出，这正好同红宝石的吸收光谱对应起 来。由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面， 外有聚光器加强照射效果，闪光灯通常一次工作 几毫秒，输入能量1000-2000J，闪光灯的大部分 输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝 石所吸收，并转移到其中Cr3+的相应能级上。当 由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时，则每激 励一次，就有一束相干光从红宝石的半镀银面射 出，其波长为 6943 A（红光），谱线宽度小于 0.1 A.
红宝石激光器的工作原理
红宝石激光器的工作原理
红宝石激光器的工作原理基于激光的放大过程，使用红宝石晶体作为工作介质。
在激光器内，红宝石晶体的两端被镀膜，其中一端被反射镜封闭，另一端被准反射镜封闭。
首先，通过一个能量源（如闪光灯）将能量输入红宝石晶体。
晶体中的铬离子（Cr3+）受到能量激发，从低能级跃迁到高能级。
这个过程可能需要在室温下或者通过制冷系统来保持晶体温度较低。
在晶体中部分铬离子跃迁至高能级之后，会经历自发辐射的过程，从而退回到低能级。
这个过程中，铬离子会发射出特定波长的光子，即激光光子。
然而，这些光子并不会立即形成连续，相干的激光束。
为了实现光子的放大和聚焦，需要在晶体两端的反射镜之间构建一条光学腔。
准反射镜只反射一小部分光子，而其余的光子逃逸光学腔。
然后，逃逸的光子会与处于高能级的铬离子相互作用，从而引起多次反复的受激辐射过程。
这些受激辐射的光子与之前已经发出的光子相位相同，方向一致，在反射镜之间不断来回地反弹。
随着多次反射放大，激光束逐渐形成，光子从铬离子的高能级向低能级跃迁时产生的辐射加速了光子数目的增长。
在达到足够大的光强后，激光器将输出连续、同相且高度相干的红光激
光束。
值得注意的是，红宝石激光器的运行需要稳定的能源供应和注意保持晶体温度，以确保红宝石晶体始终处于激活状态并发出相干激光。
红宝石激光器论文
红宝石激光器原理及应用教学学院化学与生命科学学院届另H 2012 届_____________________ 专业 ____________ 材料化学_________ 学号120843077 _________________ 姓名 ____________ 田静_____________1 摘要 (1)2 激光与激光器 (1)2.1 激光 (1)2.2 激光器 (2)3 固体激光器 (3)3.1 工作原理和基本结构 (3)3.2 红宝石激光器 (5)3.3 红宝石激光器的优缺点 (6)4 固体激光器的应用 (7)4.1 固体激光器在军事国防上的应用 (7)4.2 红宝石激光器的应用 (9)参考文献 (11)2摘要世界上第一台激光器一红宝石激光器（固体激光器）于I960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。
在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。
固体激光器从其诞生开始至今，一直是备受关注。
其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。
正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。
未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展：a）高功率及高能量b）超短脉冲激光c）高便携性d）低成本高质量现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。
诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。
2激光与激光器2.1激光2.1.1 激光（LASER激光的英文名 --- L ASER 是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写⑴。
2.1.2产生激光的条件产生激光有三个必要的条件[2]:1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3）有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。
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第一台激光器——红宝石固体激光器摘要：本文主要回顾了第一台激光器的研制历程，介绍了红宝石激光器的工作原理和它的发明者梅曼先生。
一、发展历程
1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。
前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。
激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”( Light amplification by the stimulated emission of radiation )。
爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到.
1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。
1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。
1934年，克赖克汤和威廉}i} i}i}于振荡器发现了电磁波和分a:.的相互作用。
这是最旱期的电磁波谱学实验。
30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。
同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础.
1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础.
1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备.他们开始着手进行微波波谱学山研究。
当时，韦伯(Webber )、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫(11po1。
二。
)以及汤斯("l}ow'nes)等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。
这是激光理论发展的重要起点.
1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。
关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。
这是哥伦比亚大学的兰姆( Larnb)和另一同事的共同成果。
他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。
作为激光的物理基础—受激辐射早在1917年就为人所知.可是，从1917年到1950年30多年来，在实验上却一直没有人去证明这个过程的存在.人们以为，要想在小于一亿分之一秒的时间里进行原子受激发射的宏观观察是难于做到的。
但在后来激光器制成后.实验工作并不象人们最初所设想的那样艰难。
从1940年观察到离子数反转到激光器，这中间仅仅一步之差，可是这“一步”却一直走了20年.
人类对电磁波的利用和无线电技术的发展，使社会和生产急需把这种利用由无线电波段向微波波段扩展，这就导致了微波放大理论及其器件的产生.
1951年，美国的汤斯提出了利用受激辐射获得放大的原理首先获得微波放大的设想.同年，普塞耳(I'urcell)和庞德(Pound)用核磁共振所进行的一次实验，造成了粒子数反转，进一步确认了受激辐射过程，给微波放大器的产生带来了希望。
其后，汤斯进行了两年半的艰苦工作，干1953年末和果尔登(Gordon )、
蔡格尔(Zeiger)等人在哥伦比亚大学成功地制成了波长为1.25厘米的氨分子微波量子放大器。
亦即脉塞(Microwave amplification by the stimulated emission of radiation).后来，因为“在量子力学领域的基础工作导致建立在脉塞和激光原理上的振荡器和放大器的制造”，汤斯和莫斯科列别捷夫研究所的巴索夫和普罗霍洛夫一起得到了1964年的诺贝尔奖金。
1956年，布隆贝根(Bloembcrgen)在一种可调谐高功率宽频带量子放大器的思想指导下，提出了三能级固体量子放大器的制造方法.同年，贝尔(Dell)电话实验室的斯科维耳(Scovii ) ,费尔(Feher)和塞德尔(sc;idel)等人研制出第一部这种三能级固体量子放大器.
1957年末，密执安(I1'lichi,}an)人学工程研究院的马克霍夫(Makhov ) ,菊池( Kikuchi )、兰比(L}mbe)和特尔秀尼(Terhune )等人又用红宝石获得了微波固体量子放大.
1960年7月，在美国加利福尼亚州(California)休斯(Ilughes)飞机公司研究实验室工作的科学家梅曼首一先发明了历史上第一台激光器——红宝石(Ruby)固体脉冲激光器。
他用了一块边一长约1厘术的人造红室石，把它相对的两面镀上银。
当晶体放在一架闪光灯(灯光被长为X500埃)下照射时，使能级实现粒子数反转，晶体便产生了一种波长为8943埃的脉冲辐射。
这是一种恰好在可见光内的深红色激光。
二、理论基础
红宝石的工作物质是红宝石棒。
在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。
激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Gr2O3。
Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。
Cr3+在晶体中取代Al3+位置而在其中，光学上属于负。
在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。
粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。
大部分粒子通过无辐射到达激光上能级E2。
粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。
所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的，此时晶体对频率ν满足
hν＝E2—E1
（其中h为，E2、E1分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。
当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分端有波长为6943×10-10米的激光输出。
三、红宝石激光器的发明者——希尔多•
梅曼的发明为人类做出了重大的贡献，激光器已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。
激光器通过放大原理产生一种相干光辐射(激光)。
1960年7月7日，《纽约时报》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果后来震惊了全世界。
在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下，梅曼当时的雇主——(Hughes Aircraft )获得了胜利。
不过，梅曼在发表文章时并不顺利。
他先把论文投到《》()，但当时的编辑Goudsmit认为这只是又一篇maser 重复工作的文章，因此拒绝发表。
后来梅曼终于将文章发表在杂志上。
当然，经过多年的努力争取，梅曼的成就已经得到了广泛的承认。
梅曼1927年7月11日生于加州洛杉矶，是一个的儿子。
父亲希望他成为一位医生，但他认为对激光的研究将对医学产生更大的影响。
尽管梅曼小时候是一个的孩子，但他的数学非常好。
在1949年从硕士毕业后，梅曼来到攻读博士研究生，并于1955年获得，他的导师是于1955年获得的(Willis E. Lamb)。
在休斯飞机公司工作时，梅曼告诉老板他希望能够制造一台激光器，但由于当时其他著名实验室都没有做出什么令人振奋的成果，还是希望他在计算机方面进行一些“有用”的工作。
但梅曼坚持要进行研究，并以辞职相威胁。
最终公司给了他9个月的时间，5万美元和一位助手。
在第一台激光器获得成功后，梅曼又继续对激光器在医学治疗上的应用进行研究，尽管当时的公众认为这是一种“致死”的光线。
不过，由于休斯公司并没有再对激光器的潜在应用进行更多的投入，梅曼选择了离开并于1961年创办了自己的Korad公司。
终其一生，梅曼获得了无数的奖励。
尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他，而是给了此前发明了并提出激光器原理与设计方案的美国物理学家汤斯和物理学家、普罗霍罗夫，但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的和。
他还于1984年被列入“美国发明家”( Inventors Hall of )。
在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中，汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“的最重要的一篇”。
对梅曼的纪念活动将在5月16日举行，因为这正是梅曼的激光器第一次开始工作的日子。