激光与光谱技术

激光与光谱技术

一、激光产生原理

20世纪四个重要发明：原子能，半导体，计算机，激光

激光（Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 雷射）：由受激而辐射的光放大

1、激光器的产生

20世纪初

迄今为止，光学已经有两千余年的历史，但在激光产生之前，人们使用的光源主要是炽热物体的热辐射和气体放电管，机理是自发发射，这是一个随机过程，相干性不好，两个光源甚至同一个光源的两点发出的光也不能形成干涉条纹。19世纪末赫兹发明了无线电波，20世纪初出现电子管后电磁波可由电子振荡器产生，可以产生单一频率持续时间任意长的完整正弦波，有很好的相干性，但波长只可以缩短至毫米波，因为放大器和选频用的谐振腔在电子学中无法实现。

激光的基

础1917

1917: Albert Einstein calculated the conditions necessary for this stimulated emission to occur.

关于光与物质相互作用的问题早在1917年爱因斯坦就作过研究，他在解释普朗克黑体辐射公式时明确指出只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射”的概念，这也是激光的基础！

粒子数反转的状态

Townes et.al 20世纪50年代

提出用平行平面镜作为光的谐振腔实现光反馈

产生激光的理论与实验Schawlow, Townes,et.al

1958

1960：首台ruby激光器（可见光）研制成功

He-Ne激光器；

1962：半导体激光器；

1963：可调谐燃料激光器

This was using Ammonia gas and produced amplified Microwave r adiation instead of visible light (called a MASER微波发射器) in 1954. For this they shared the 1964 Nobel prize for Physics.

Maser: 微波段; Laser: 3000埃-1000000埃

对于热平衡物质，下能级的布居数大于上能级的布居数，所以要想光被放大就需要设法使布居数反转，20世纪50年代汤斯等人对氨分子束能级实现了布居数反转并于1954年研制成功了利用受激发射放大产生微波振荡的微波发射器。进一步要推向更短的光频段必须找到可以实现光放大的工作物质和产生光振荡的谐振腔。1958年美国肖洛、汤斯等人几乎同时提出了用平行平面镜作为光的谐振腔，用镜面反射实现光反馈的产生激光的理论与实验。紧接着，1960年梅曼用红宝石制成第一台可见光激光器，同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自激光出现以来得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。

2、激光器的结构

∙激光工作介质

∙激励源

∙谐振腔

红宝石激光的示意图

1、激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级为实现粒子数反转之必要条件；现有工作介质近千种，可以产生的激光波长从真空紫外到远红外，非常广泛；

2、激励源使介质出现粒子数反转。可以是电激励、光激励、热激励、化学激励等等。电激励用气体放电的方法去激励介质原子；各种激励方式又被形象地称为泵浦或抽运。不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出。

3、有了前两者只能保证实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，所以可以用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。

按工作介质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器。固体激光器特点器件小，坚固、使用方便、输出功率大但电源一般都比较庞大。比如钛宝石激光器一般采用半导体激光器泵浦，常采用环形腔，可以是连续或是脉冲式的；…

3、激光器的种类

按工作介质的不同分类

∙固体激光器（Nd:YAG、Ti:Sapphire等）

特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率大

连续100W以上

脉冲峰值则更高

钛宝石激光器

∙气体激光器（He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等）

特点：结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束质量好，长时间稳定连续工作

氦氖激光器(Helium Neon lasers): Wavelength: 632.8nm；Power: ～mW；Efficiency: < 1%；A few thousand volts discharge is used, with a current of 10-20 milliamps. They can be cooled effectively by air.

CO2激光器(Carbon Dioxide lasers): Wavelength: 10.6mm; Power: ~10W; Efficiency: ~ 30%; Up to 30 % efficiency can be achieved and it is easy to produce a beam of 100 Watts of energy. Using laser tubes tens of metres in length enable many kilowatts of energy to be produced.

Ar+ Laser: Wavelenth: 514.5nm; Power: ~W Efficiency: ~1%

气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便；工作介质均匀、光束质量好，能长时间稳定连续工作等特点也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场的60％左右。氦氖激光器输出波长632.8纳米，功率约几个毫瓦，采用几千伏高压的电激励，工作电流10-20毫安，可以采用内腔式、外腔式、半外腔式结构的光学谐振腔；CO2激光器输出波长1064纳米，功率一般约10瓦左右，…；

∙液体激光器（燃料激光器等）

特点：输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光泵浦

液体激光器输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。常用的是染料激光器，采用有机染料为工作物质，利用不同的染料可以获得不同波长的激光（在

可见光范围内），一般用激光作泵浦源，如氩离子激光器等。