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能發射激光的裝置。1954年製成了第一台微波量子放大器,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用到光頻範圍,1960年T.H.梅曼等人製成了第一台紅寶石激光器。1961年A.賈文等人製成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創製了砷化鎵半導體激光器。以後,激光器的種類就越來越多。按工作介質分,激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。近來還發展了自由電子激光器,大功率激光器通常都是脈衝式輸出。

1簡介

英文名稱:Laser(Light amplification by the stimulated emission of radiation).
激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發的物質中放大或振蕩發射的器件。
紅綠藍可見波長纖綠激光

  紅綠藍可見波長纖綠激光

用光、電及其他辦法對物質進行激勵,使得其中一部分粒子激發到能量較高的狀態,當這種狀態的粒子數大於能量較低狀態的粒子數時,由於受激輻射,物質就能對某一波長的光輻射產生放大作用,也就是這種波長的光輻射通過物質時,會發射強度放大並與入射光波位、頻率和方向一致的光輻射,這種稱為激光放大器
若把激發的物質放置於共振腔內,光輻射在共振腔內沿軸線方向往復反射傳播,多次通過物質,光輻射被放大許多倍,形成一束強度大、方向集中的光束「激光」,這就是激光振蕩器
激光二極體泵浦的全固體激光器具有效率高、結構緊湊、光束質量好、性能穩定、壽命長等優點,日益引起人們的廣泛重視。尤其是單頻運轉,在光譜學、相干通訊、激光雷達、引力波深測、光學數據存儲等領域有廣泛的應用。

2原理

紅綠藍攜帶型纖綠激光器

  紅綠藍攜帶型纖綠激光器

除自由電子激光器外,各種激光器的基本工作原理均相同,產生激光的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大過損耗,所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(或抽運)源、具有亞穩態能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發到激發態,為實現並維持粒子數反轉創造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩能級是使受激輻射佔主導地位,從而實現光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔,但諧振腔( 見光學諧振腔)並非必不可少的組成部分,諧振腔可使腔內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方向性和相干性。而且,它可以很好地縮短工作物質的長度,還能通過改變諧振腔長度來調節所產生激光的模式(即選模),所以一般激光器都具有諧振腔。
激勵抽運系統
是指為使激光工作物質實現並維持粒子數反轉而提供能量來源的機構或裝置。根據工作物質和激光器運轉條件的不同,可以採取不同的激勵方式和激勵裝置,常見的有以下四種。①光學激勵(光泵)。是利用外界光源發出的光來輻照工作物質以實現粒子數反轉
激光器

  激光器

的,整個激勵裝置,通常是由氣體放電光源(如氙燈、氪燈)和聚光器組成,這種激勵方式也稱作燈泵浦。②氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質內發生的氣體放電過程來實現粒子數反轉的,整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學激勵。是利用在工作物質內部發生的化學反應過程來實現粒子數反轉的,通常要求有適當的化學反應物和相應的引發措施。④核能激勵。是利用小型核裂變反應所產生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質並實現粒子數反轉的。
歷史由來
激光器的發明是20世紀科學技術的一項重大成就。它使人們終於有能力駕駛尺度極小、數量極大、運動極混亂的分子和原子的發光過程,從而獲得產生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線(以至X射線和γ射線)的能力。激光科學技術的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。
激光器

  激光器

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。這一理論指出,處於高能態的物質粒子受到一個能量等於兩個能級之間能量差的光子的作用,將轉變到低能態,併產生第二個光子,同第一個光子同時發射出來,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,即如多個光子的發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。
成熟階段
但科學家的努力終究有了結果。1954年,前面提到的美國物理學家湯斯終於製成了第一台氨分子束微波激射器,成功地開創了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。
湯斯等人研製的微波激射器只產生了1.25厘米波長的微波,功率很小。生產和科技不斷發展的需要推動科學家們去探索新的發光機理,以產生新的性能優異的光源。1958年,湯斯與姐夫阿瑟·肖洛將微波激射器與光學、光譜學的理論知識結合起來,提出了採用開式諧振腔的關鍵性建議,並預防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質。同期,巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實現受激輻射光放大的原理性方案。
此後,世界上許多實驗室都被捲入了一場激烈的研製競賽,看誰能成功製造並運轉世界上第一台激光器。
1960年,美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里,勉強贏得了這場世界範圍內的研製競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子,從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱,當它射向某一點時,可使這一點達到比太陽還高的溫度。
「梅曼設計」引起了科學界的震驚和懷疑,因為科學家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器。
儘管梅曼是第一個將激光引入實用領域的科學家,但在法庭上,關於到底是誰發明了這項技術的爭論,曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是「激光」(「受激輻射式光頻放大器」的縮略詞)一詞的發明者戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學博士學位時提出了這個詞。與此同時,微波激射器的發明者湯斯與肖洛也發展了有關激光的概念。經法庭最終判決,湯斯因研究的書面工作早於古爾德9個月而成為勝者。不過梅曼的激光器的發明權卻未受到動搖。
1960年12月,出生於伊朗的美國科學家賈萬率人終於成功地製造並運轉了全世界第一台氣體激光器——氦氖激光器。1962年,有三組科學家幾乎同時發明了半導體激光器。1966年,科學家們又研製成了波長可在一段範圍內連續調節的有機染料激光器。此外,還有輸出能量大、功率高,而且不依賴電網的化學激光器等紛紛問世。

3主要用途

激光器是現代激光加工系統中必不可少的核心組件之一。隨著激光加工技術的發展,激光器也在不斷向前發展,出現了許多新型激光器。早期激光加工用激光器主要是大功率CO2氣體激光器和燈泵浦固體YAG激光器。從激光加工技術的發展歷史來看,首先出現的激光器是在20世紀70年代中期的封離式CO2激光管,發展至今,已經出現了第五代CO2激光器——擴散冷卻型CO2激光器。從發展上可以看出,早期的CO2激光器趨向激光功率提高的發展方向,但當激光功率達到一定要求后,激光器的光束質量受到重視,激光器的發展隨之轉移到調高光束質量上。出現的接近衍射極限的擴散冷卻板條式CO2激光器有較好的光束質量,已經推出就得到了廣泛的應用,尤其是在激光切割領域,受到眾多企業的青睞。
21世紀初,出現了另外一種新型激光器——半導體激光器。與傳統的大功率CO2、YAG固體激光器相比,半導體激光器具有很明顯的技術優勢,如提及小,重量輕、效率高、能耗小、壽命長以及金屬對半導體激光吸收高等優點,隨著半導體激光技術的不斷發展,以半導體激光器為基礎的其他固體激光器,如光纖激光器、半導體泵浦固體激光器、片狀激光器等的發展也十分迅速。其中,光纖激光器發展較快,尤其是稀土摻雜的光纖激光器,應在光纖通信、光纖感測、激光材料處理等領域獲得了廣泛的應用。
由於激光器具備的種種突出特點,因而被很快運用於工業、農業、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫療、軍事等各方面,並在許多領域引起了革命性的突破。激光在軍事上除用於通信、夜視、預警、測距等方面外,多種激光武器和激光制導武器也已經投入實用。
1、激光用作熱源。激光光束細小 ,且帶著巨大的功率,如用透鏡聚焦,可將能量集中到微小的面積上,產生巨大的熱量。比如,人們利用激光集中而極高的能量,可以對各種材料進行加工,能夠做到在一個針頭上鑽200個孔;激光作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應的手段,已在醫療、農業的實際應用上取得了良好效果。
2、激光測距。激光作為測距光源,由於方向性好、功率大,可測很遠的距離,且精度很高。
3、激光通信。在通信領域,一條用激光柱傳送信號的光導電纜,可以攜帶相當於2萬根電話銅線所攜帶的信息量。
4、受控核聚空中的應用。將激光射到氘與氚混合體中,激光所帶給它們巨大能量,產生高壓與高溫,促使兩種原子核聚合為氦和中子,並同時放出巨大輻射能量。由於激光能量可控制,所以該過程稱為受控核聚變。
今後,隨著人類對激光技術的進一步研究和發展,激光器的性能將進一步提升,成本將進一步降低,但是它的應用範圍卻還將繼續擴大,並將發揮出越來越巨大的作用。
滿天星丶單點丶調焦

  滿天星丶單點丶調焦

激光指示器是以激光作為指示用途的小型低功率激光器,屬於一般民用品,也稱為激光筆、指星筆等。是一種用途廣泛的產品:教學、科研單位作為教學、學術報告、會議等場合配合視像設備作為指示用;軍事單位用於配合大屏幕指揮系統指示;旅遊單位用於導遊講解;建築及裝修監理單位用於建築、裝修驗收時的指示等。某些場合還可將其固定作為定向工具;亦可將其作為禮品。

4總結

以脈衝方式發射的二氧化碳激光器也有很多種,在科研和工業中用途極廣。如果按每一脈衝發出的能量大小作比較,那麼,脈衝二氧化碳激光器又是脈衝激光器中的最強者。這裡,我們要回到激光先驅者湯斯曾經研究過的問題上來,談一談毫米波的產生。隨著激光技術的發展,許多科學家對這一難題又發起了進攻:採用放電或利用強大的二氧化碳激光作為激勵源去激發氟甲烷、氨等氣體分子,一步步地把發射出來的激光波長延長,擴展。開始達幾十微米,後來達幾百微米,也就是亞毫米波了。本世紀60年代中期到70年代中期,隨著微波技術的發展,科學家根據激光的原理和方法產生了毫米波。這樣,從光波到微波之間的空白地帶便被不斷發現的新紅外激光填補了。
從研究中,科學家發現毫米波很有實用價值:大氣對它的吸收率很小、阻礙它傳播的影響也小,可以用它來作為新的大氣通訊工具。
另一種比較特殊、新穎的激光器,可以形象地稱它為「變色龍」。它不是龍,但確實能變色;只要轉動一個激光器上的旋鈕,就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顏色的激光。
難道染料跟激光器也有關係嗎?一點也不錯。這種激光器的工作物質確實就是染料,如碳花青、若丹明和香豆素等等。科學家至今還沒有弄清楚這些染料的分子能級和原子結構,只知道它們與氣體工作物質的氣體原子、離子結構不一樣;氣體產生的激光有明確的波長,而染料產生的激光,波長範圍較廣,或者說有多種色彩。染料激光器的光學諧振腔中裝有一個稱為光柵的光學元件。通過它可以根據需要選擇激光的色彩,就像從收音機里選聽不同頻率的無線電台廣播一樣。

5未來展望

染料激光器的激勵源是光泵,可以用脈衝氙燈,也可以用氮分子激光器發出的激光。用一種顏色的激光作光泵,結果能產生其他顏色的激光可以說是染料激光器的特點之一。
這種根據需要可以隨時改變產生激光的波長的激光器,主要用於光譜學研究;許多物質會有選擇地吸收某些波長的光,產生共振現象。科學家用這些現象分析物質,了解材料結構;還用這些激光器來產生新的激光,研究一些奇異的光學和光譜學現象。

6易發事故

在使用激光切割機時,激光器激光射出可能引起以下事故:
  (1)激光射出沾到易燃物引起火災。大家知道激光發生器的功率很高,尤其遇到高功率激光切割機,射出的激光溫度非常高。當激光射出沾到易燃物體后引起火災的可能性非常大。
  (2)機器在運行時會可能會產生有害氣體。例如在用氧氣切割時與切割材料發生化學反應,生成不明化學物質或細小顆粒等雜質。被人體吸收以後可能會產生過敏反應或引起肺部等呼吸道的不適。在進行作業的時候應做好防護措施。
  (3)激光直射人體會對人體有害。激光對人體的損害主要包括對眼睛和對皮膚的損害。在激光的傷害中,一機體對眼睛的傷害最為嚴重。而且眼睛的傷害是永久性的。所以在進行作業時一定要注意保護眼睛。
  所以,進行切割的環境應該中嚴禁易燃物體靠近機器並且保持通風,工作場所還應該配有滅火器。工作人員在進行作業時要做好自我防護措施。

7前景展望

光纖激光器可實現800nm-2100nm波段的激光輸出,最大功率已達到萬瓦量級,應用也從光通信擴展到激光加工、激光打標、圖像顯示、生物工程、醫療衛生等領域。未來光纖激光器的發展趨勢將體現在以下幾個方面:
(1)光纖激光器本身性能的提高:如何提高輸出功率和轉換效率,優化光束質量,縮短增益光纖長度,提高系統穩定性並使其更加小巧緊湊將是未來光纖激光器領域研究的重點。
(2)新型光纖激光器的研製:在時域方面,具有更小占空比的超短脈衝鎖模光纖激光器一直是激光領域研究的熱點,高功率飛秒量級脈衝光纖激光器一直是人們長期追求的目標,該領域研究的突破不僅可以給光通信時分復用(OTDM)提供理想的光源,而且可以有效帶動激光加工、激光打標及激光加密等相關產業的發展。在頻域方面,寬頻輸出並可調諧的光纖激光器將成為研究熱點,一種採用ZEBLAN材料(Zr、Ba、La、Al、Nd)為激光介質的非線性光纖激光器引起了人們的重視,該激光器具有相當寬的帶寬和低損耗,可實現波長上轉換幾個波段,被專家譽為下一代通信材料,如能實現大規模生產將會在激光列印和大屏幕顯示領域產生幾十億美元的市場。可以預見,隨著相關技術的完善,光纖激光器將向更廣闊的領域發展,並有可能成為替代固體激光器和半導體激光器的新一代光源,形成一個新興的產業。
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