激光器构成及原理,泵浦激励源,增益介质,谐振腔—激光设备技术核心

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激光器——激光设备技术核心

激光在我国原本被称为镭射,是它的英文名称 LASER 的音译, 取自Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的各单词的头一个字母组成的缩写词,意思是“受激辐射的光 放大”,1964 年按照我国著名科学家钱学森建议将“镭射”改称“激光“。

原子内电子的跃迁过程分三种:受激吸收,自发辐射、受激辐射,激光基本上就是由受激辐射机制 产生的。产生激光的必要条件:受激辐射占主导地位。

安徽快3走势图 自发辐射:自发辐射就是在没有任何外界作用下,激发态原子自发地从高能级(激发态)向低能级(基态)跃迁,同时辐射出一个光子的过程。该过程也是我们日常生活中许多光源的辐射机理,像 霓虹灯、荧光灯、LED 等常见光源辐射本质上都属于自发辐射。自发辐射中,各个原子在自发跃 迁过程中是彼此无关的,不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定 的任意性。

受激吸收:受激吸收是处于低能级El 的原子,受到外来光子的激励下,在满足能量恰好等于低、 高两能级之差ΔE 时,该原子就吸收这部分能量。

受激辐射:“受激辐射”基于爱因斯坦1916 年提出的理论: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。受激辐射的最大特点是由受激辐射 产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。 它们具有相同的频率、相同的方 向。 这样,通过一次受激辐射,一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了或者说被放 大了。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。这正是产生激光的基本过程。

1.1 激光器构成及原理:泵浦、工作介质及谐振腔为核心部件

根据激光的定义和产生机理,要获得激光发射,必须满足以下三个基本条件:

(1)形成分布反转,使得受激辐射占优势

(2)具有共振腔,以实现光量子放大

(3)至少达到阀值电流密度,使得增益至少等于损耗 对应的,激光器通常由三部分构成: (1)。激励源 (2)。工作物质 (3)。谐振腔

1.1.1 泵浦激励源——粒子搬运的动力

激光是在受激辐射中产生的,受激辐射要求粒子处在高能态。可是,在通常情况下,物质中绝大多 数粒子处于稳定状态(稳态),为了使工作介质中出现粒子数反转,必须用一定的方法去激励原子体 系,使处于上能级的粒子数增加。

一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子,称为电激励;也可用脉冲光源 来照射工作介质,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽 运。为了不断得到激光输出,必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

安徽快3走势图 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。

1.1.2 增益介质——被激发对象,激光器分类主要依据

激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中 实现粒子数反转,以获得产生激光的必要条件。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。

1.1.3 谐振腔——激光放大器

有了合适的工作物质和激励源后,可实现粒子数反转,但这样产生的受激辐射强度很弱,无法实际 应用。还需要将辐射的光进行放大。

所谓光学谐振腔,实际是在激光器两端,平行装上两块反射率很高的镜片,一块为全反射镜片,一 块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去,部分反射 镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去,而达到一定能量限度的光子则 透射而出。这样,透射而出的这部分光子就成为我们需要的,经过放大了的激光;而被反射回工作 介质的光,则继续诱发新一轮的受激辐射,光将逐渐被放大。因此,光在谐振腔中来回振荡,造成 连锁反应,雪崩似的获得放大,产生强烈的激光,直到能量达到一定的限度,从部分反射镜片中输 出。

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由上可知,激光器是激光的发生装置,主要由泵浦源、增益介质、谐振腔等组成。泵浦源为激光器 的光源,谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路,增益介质指可将光放大的工作物质。在工作状 态下增益介质通过吸收泵浦源提供的能量,经谐振腔振荡选模输出激光。泵浦源和谐振腔是激光器 的关键组成部分,直接影响激光输出参数和运转方式,其性能和稳定性是激光器企业竞争力的重要 体现。


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