激光器简介讲解

色性。共振腔作用①，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反 射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用②，则是由给定共振 腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特 性所决定的。 分类 激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励 方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。 按工作物质分类 根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为 以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器，这类激光器所采用的工 作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃 基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，它们所采用的工作物 质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的 不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体 激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的 工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀 土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如 Nd）起工作粒子作 用，而无机化合物液体（如 SeOCl）则起基质的作用；④半导体激 光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射 作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注 入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非 平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由 电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周 期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速
度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从 X 射 线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。 按激励方式分类 ①光泵式激光器。指以光泵方式激励的激光器，包 括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半 导体激光器。②电激励式激光器。大部分气体激光器均是采用气体放 电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励， 而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些 半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。③化学激光器。这 是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反 希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。④ 核泵浦激光器。指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工 作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。 按运转方式分类 由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用 目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为 以下几种主要的类型。①连续激光器，其工作特点是工作物质的激励 和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进 行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激 光器及半导体激光器，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免 地产生器件的过热效应，因此多数需采取适当的冷却措施。②单次脉 冲激光器，对这类激光器而言，工作物质的激励和相应的激光发射， 从时间上来说均是一个单次脉冲过程，一般的固体激光器、液体激光 器以及某些特殊的气体激光器，均采用此方式运转，此时器件的热效
激光器 能发射激光的装置。1954 年制成了第一台微波量子放大器，获得了 高度相干的微波束。1958 年 A.L.肖洛和 C.H.汤斯把微波量子放大器 原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960 年 T.H. 梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961 年 A.贾文等人制成了氦 氖激光器。1962 年 R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后， 激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、 固体激光器、半导体激光器和染料激光器 4 大类。近来还发展了自由 电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光 波长可覆盖从微波到 X 射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、 脉冲式、调 Q 和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式 输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的 波长为微波波段的 0.7 毫米，最短波长为远紫外区的 210 埃，X 射线 波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必 不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质 和谐振腔（ 见光学谐振腔）3 部分。激励是工作介质吸收外来能量 后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光 学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是 使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有 一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干 性。
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激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大 作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、 玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等 媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能 级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用 过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级 结构和跃迁特性。 激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而 提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不 同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光 学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子 数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯） 和聚光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气 体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放 电电源组成。③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过 程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发 措施。④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能 粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 光学共振腔 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反 射镜按特定的方式组合而成。作用为：①提供光学反馈能力，使受激 辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。②对腔内往返振荡 光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单