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深圳市茂和興精密機械有限公司
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激光配件-激光器原理、分類及用途簡介

加入日期:2013-07-03    錄入: 茂和興   查看:4779   復制鏈接

丁香六月   激光器——能發射激光的裝置。1954年制成了第一臺微波量子放大器,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范圍,1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創制了砷化鎵半導體激光器。以后,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沖式輸出。

 
  一、原理:
 
  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,為實現并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占主導地位,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)并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。
 
  二、激光工作物質
 
  是指用來實現粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系,有時也稱為激光增益媒質,它們可以是固體(晶體、玻璃)、氣體(原子氣體、離子氣體、分子氣體)、半導體和液體等媒質。對激光工作物質的主要要求,是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現較大程度的粒子數反轉,并使這種反轉在整個激光發射作用過程中盡可能有效地保持下去;為此,要求工作物質具有合適的能級結構和躍遷特性。
 
  三、激勵抽運系統
 
  是指為使激光工作物質實現并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,可以采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并實現粒子數反轉的。
 
  四、光學共振腔
 
  通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為:①提供光學反饋能力,使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續振蕩。②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制,以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①,是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀(反射面曲率半徑)和相對組合方式所決定;而作用②,則是由給定共振腔型對腔內不同行進方向和不同頻率的光,具有不同的選擇性損耗特性所決定的。
 激光器的種類是很多的。下面,將分別從激光工作物質、激勵方式、運轉方式、輸出波長范圍等幾個方面進行分類介紹。
 
  五、工作物質
 
  根據工作物質物態的不同可把所有的激光器分為以下幾大類:①固體激光器(晶體和玻璃),這類激光器所采用的工作物質,是通過把能夠產生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質中構成發光中心而制成的;②氣體激光器,它們所采用的工作物質是氣體,并且根據氣體中真正產生受激發射作用之工作粒子性質的不同,而進一步區分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等;③液體激光器,這類激光器所采用的工作物質主要包括兩類,一類是有機熒光染料溶液,另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液,其中金屬離子(如Nd)起工作粒子作用,而無機化合物液體(如SeOCl2)則起基質的作用;④半導體激光器,這類激光器是以一定的半導體材料作工作物質而產生受激發射作用,其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入),在半導體物質的能帶之間或能帶與雜質能級之間,通過激發非平衡載流子而實現粒子數反轉,從而產生光的受激發射作用;⑤自由電子激光器,這是一種特殊類型的新型激光器,工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束,只要改變自由電子束的速度就可產生可調諧的相干電磁輻射,原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區域,因此具有很誘人的前景。
 
  六、激勵方式
 
  ①光泵式激光器。指以光泵方式激勵的激光器,包括幾乎是全部的固體激光器和液體激光器,以及少數氣體激光器和半導體激光器。②電激勵式激光器。大部分氣體激光器均是采用氣體放電(直流放電、交流放電、脈沖放電、電子束注入)方式進行激勵,而一般常見的半導體激光器多是采用結電流注入方式進行激勵,某些半導體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵。③化學激光器。這是專門指利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵的激光器,反希望產生的化學反應可分別采用光照引發、放電引發、化學引發。④核泵浦激光器。指專門利用小型核裂變反應所釋放出的能量來激勵工作物質的一類特種激光器,如核泵浦氦氬激光器等。
 
  七、運轉方式
 
  由于激光器所采用的工作物質、激勵方式以及應用目的的不同,其運轉方式和工作狀態亦相應有所不同,從而可區分為以下幾種主要的類型。
 
  ①連續激光器,其工作特點是工作物質的激勵和相應的激光輸出,可以在一段較長的時間范圍內以連續方式持續進行,以連續光源激勵的固體激光器和以連續電激勵方式工作的氣體激光器及半導體激光器,均屬此類。由于連續運轉過程中往往不可避免地產生器件的過熱效應,因此多數需采取適當的冷卻措施。
  ②單次脈沖激光器,對這類激光器而言,工作物質的激勵和相應的激光發射,從時間上來說均是一個單次脈沖過程,一般的固體激光器、液體激光器以及某些特殊的氣體激光器,均采用此方式運轉,此時器件的熱效應可以忽略,故可以不采取特殊的冷卻措施。
 
  ③重復脈沖激光器,這類器件的特點是其輸出為一系列的重復激光脈沖,為此,器件可相應以重復脈沖的方式激勵,或以連續方式進行激勵但以一定方式調制激光振蕩過程,以獲得重復脈沖激光輸出,通常亦要求對器件采取有效的冷卻措施。
 
  ④調激光器,這是專門指采用一定的開關技術以獲得較高輸出功率的脈沖激光器,其工作原理是在工作物質的粒子數反轉狀態形成后并不使其產生激光振蕩 (開關處于關閉狀態),待粒子數積累到足夠高的程度后,突然瞬時打開 開關,從而可在較短的時間內(例如10~10秒)形成十分強的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出(見技術'" class=link>激光調 技術)。
 
  ⑤鎖模激光器,這是一類采用鎖模技術的特殊類型激光器,其工作特點是由共振腔內不同縱向模式之間有確定的相位關系,因此可獲得一系列在時間上來看是等間隔的激光超短脈沖(脈寬10~10秒)序列,若進一步采用特殊的快速光開關技術,還可以從上述脈沖序列中選擇出單一的超短激光脈沖(見激光鎖模技術)。
 
  ⑥單模和穩頻激光器,單模激光器是指在采用一定的限模技術后處于單橫模或單縱模狀態運轉的激光器,穩頻激光器是指采用一定的自動控制措施使激光器輸出波長或頻率穩定在一定精度范圍內的特殊激光器件,在某些情況下,還可以制成既是單模運轉又具有頻率自動穩定控制能力的特種激光器件(見激光穩頻技術)。
 
  ⑦可調諧激光器,在一般情況下,激光器的輸出波長是固定不變的,但采用特殊的調諧技術后,使得某些激光器的輸出激光波長,可在一定的范圍內連續可控地發生變化,這一類激光器稱為可調諧激光器(見激光調諧技術)。
 
  八、波段范圍
 
  根據輸出激光波長范圍之不同,可將各類激光器區分為以下幾種。
 
  ①遠紅外激光器,輸出波長范圍處于25~1000微米之間, 某些分子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即落入這一區域。
 
  ②中紅外激光器,指輸出激光波長處于中紅外區(2.5~25微米)的激光器件,代表者為CO分子氣體激光器(10.6微米)、 CO分子氣體激光器(5~6微米)。
 
  ③近紅外激光器,指輸出激光波長處于近紅外區(0.75~2.5微米)的激光器件,代表者為摻釹固體激光器(1.06微米)、CaAs半導體二極管激光器(約0.8微米)和某些氣體激光器等。
 
  ④可見激光器,指輸出激光波長處于可見光譜區(4000~7000埃或0.4~0.7微米)的一類激光器件,代表者為紅寶石激光器 (6943埃)、 氦氖激光器(6328埃)、氬離子激光器(4880埃、5145埃)、氪離子激光器(4762埃、5208埃、5682埃、6471埃)以及一些可調諧染料激光器等。
 
  ⑤近紫外激光器,其輸出激光波長范圍處于近紫外光譜區(2000~4000埃),代表者為氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)準分子激光器(3511埃、3531埃)、 氟化氪(KrF)準分子激光器(2490埃)以及某些可調諧染料激光器等。
 
  ⑥真空紫外激光器,其輸出激光波長范圍處于真空紫外光譜區(50~2000埃)代表者為(H)分子激光器 (1644~1098埃)、氙(Xe)準分子激光器(1730埃)等。
 
  ⑦X射線激光器, 指輸出波長處于X射線譜區(0.01~50埃)的激光器系統,軟X 射線已研制成功,但仍處于探索階段。
 
  九、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、光纖傳感、激光材料處理等領域獲得了廣泛的應用。
 
  由于激光器具備的種種突出特點,因而被很快運用于工業、農業、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫療、軍事等各方面,并在許多領域引起了革命性的突破。激光在軍事上除用于通信、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鉆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,由于方向性好、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,可以攜帶相當于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,并同時放出巨大輻射能量。由于激光能量可控制,所以該過程稱為受控核聚變。
 
  今后,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,但是它的應用范圍卻還將繼續擴大,并將發揮出越來越巨大的作用。