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激光器的种类与结构

2021-01-08

二、激光器的结构,激光器一般包括三个部分。
  1、激光工作介质
  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。在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在,对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种,可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外,非常广泛。
  2、激励源
  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。
  3、谐振腔
  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。于是人们就想到了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,面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射,一块光大部分反射、少量透射出去,以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光,继续诱发新的受激辐射,光被放大。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,从部分反射镜子一端输出。
  下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光,所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜,一端镀上全反射膜,一端有10%的透射率,可让激光透出。
  红宝石激光器中,用高压氙灯作“泵浦”,利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E3,被抽运到E3上的电子很快(~10-8s)通过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级,E2到E1的自发辐射几率很小,寿命长达10-3s,即允许粒子停留较长时间。于是,粒子就在E2上积聚起来,实现E2和E1两能级上的粒子数反转。从E2到E1受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光,每一个光脉冲的持续时间不到1ms,每个光脉冲能量在10J以上;也就是说,每个脉冲激光的功率可超过10kW的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级,故称为三能级系统。由于在三能级系统中,下能级E1是基态,通常情况下积聚大量原子,所以要达到粒子数反转,要有相当强的激励才行。

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