红宝石激光器讲解
激光器原理
激光器原理各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢典型激光器的原理与应用激光之源--典型激光器的原理、特点及应用一前言自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。
激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。
图1 第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。
其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。
激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
二典型激光器1，气体激光器气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。
它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式最常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
下面是典型激光器的示意图：图2 气体激光器示意图根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。
采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。
原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。
He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。
红宝石激光器的工作原理
红宝石激光器的工作原理
红宝石激光器是一种基于红宝石晶体的固态激光器，其工作原理如下：
1. 激发能级提升：在激光器中加入适当的能量源，如闪光灯或光电二极管。
能量源的光子会被吸收并转移给红宝石晶体中的某些电子，使其从基态跃迁到激发态能级。
2. 跃迁的受限：由于红宝石的晶格结构特殊，一部分电子在激发态能级之间会被晶格约束，无法自由跃迁到更低的激发态能级或者基态。
这种约束称为受限跃迁。
3. 受限路线的选择：受限在激发态能级之间的电子需要通过特定的能级间跃迁路径释放能量。
在红宝石晶体中，这些路径可分为两大类，即：晶格振动和与由色心引起的电子关联的激发态能级跃迁。
4. 各能级之间的跃迁：受限跃迁导致电子逐渐在不同的激发态能级之间进行跃迁，释放出储存的激发能。
这些激发态能级之间的跃迁在一定能级差的作用下频率集中，形成了激光所需要的狭窄频谱线。
5. 反射与放大：在激光腔中，红宝石晶体的一端是高反射率镜，另一端是部分透射镜。
激光腔中的激光在腔内来回反射，不断受到能级之间的跃迁放大。
同时，部分透射镜允许一部分光线从腔中逃逸，形成激光输出。
6. 激光输出：通过连续激发和放大过程，红宝石激光器将电能转化为激光能，从而实现激光输出。
激光的特性取决于红宝石晶体中能级结构和激发能源的特点，如光谱线宽度、脉冲宽度和功率等。
综上所述，红宝石激光器利用红宝石晶体中特定的能级结构和受限跃迁的特性，通过能级间的跃迁释放激发能量，最终实现激光输出。
红宝石激光器
发明者
发明者
美国物理学家、世界上第一台激光器的发明者希尔多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大温哥华的 不列颠哥伦比亚大学逝世，享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemic mastocytosis)，一种罕 见的遗传疾病。
终其一生，梅曼获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的 他，而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学 家巴索夫、普罗霍罗夫，但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还 于1984年被列入“美国发明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念 的一本书中，汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。
为了维持这种翻转的粒子数够多，必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上，这就需要脉冲激光（例 如YAG激光器、红宝石激光器）中的脉冲氙灯，半导体泵浦激光（又叫DPSS激光，例如绿色的激光笔）中的半导 体激光器，气体放电激光（例如氦氖激光器、CO2激光器）中的放电，化学激光（例如武器级的氧碘激光器）中 的化学反应等能量源来提供能量了。
红宝石激光器原理
红宝石激光器原理咱们今儿个聊聊红宝石激光器，这玩意儿可不光听着高大上，实际上也是科技圈里的一颗璀璨明珠，闪耀着智慧的光芒。
咱们就手牵手，一步步揭开它的神秘面纱，用最接地气的方式，聊聊它的来龙去脉。
一、红宝石的魔力初现1.1 缘起：石头里的光想当年，科学家们在实验室里捣鼓着各种材料，想找到能发光发热的宝贝。
这不，红宝石就这么不经意地闯入了他们的视线。
这红宝石啊，不仅颜色诱人，还藏着个不为人知的秘密——它能发光！这可不是普通的发光，而是能发射出激光的那种，厉害吧！1.2 激光的奥秘激光，简单来说，就是特别纯、特别亮、还特别直的光线。
它像一把无形的剑，能穿透很多物质，还能在远处保持能量不散。
红宝石激光器，就是利用红宝石里的某些特性，把这股力量激发出来。
二、红宝石激光器的诞生记2.1 从理论到实践的跨越理论总是美好的，但要把它变成现实可不容易。
科学家们得琢磨怎么给红宝石加点料，让它心甘情愿地发出激光。
经过无数次的尝试和失败，他们终于找到了那个“魔法配方”——掺杂点别的元素进去，再给它来点外部刺激，比如用强光或者电流。
嘿，这招还真灵！2.2 点亮第一束激光当第一束红宝石激光从实验装置中射出时，整个实验室都沸腾了。
那光线，就像夜空中最亮的星，照亮了科学探索的新道路。
那一刻，红宝石激光器正式诞生，成为了激光技术史上的一个重要里程碑。
2.3 从实验室走向生活随着技术的不断成熟和完善，红宝石激光器开始走出实验室，走进了我们的生活。
从医疗手术到工业加工，从科研探索到艺术创作，它的身影无处不在。
它就像一位多才多艺的艺术家，用光的力量在各个领域描绘着属于自己的精彩画卷。
三、红宝石激光器的魅力所在3.1 精准无比红宝石激光器发出的光线特别直、特别细，就像一根无形的针线，能够精确地定位到目标上。
这种精准性使得它在医疗手术中能够减少创伤和疼痛；在工业加工中能够提高精度和效率。
3.2 能量强大别看它只是一束光，但能量可是杠杠的。
调Q均匀红宝石激光器
调Q宽红宝石激光器红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。
在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。
激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Gr2O3。
Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。
Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。
在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。
粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。
大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。
粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。
所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hν＝E2—E1（其中h为普朗克常数，E2、E1分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。
当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。
1.1 调Q光器的特点固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。
在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。
一般固体脉冲激光器由于存在驰豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微秒甚至几毫秒，峰值功率也只有几十千瓦的水平，远不能满足以上应用要求，正是在这些要求的推动下，人们研究和发展了调Q 技术。
1.2 调Q激光器的发展前景1961年底，邓锡铭几乎与国外同时，独立提出了高功率激光Q开关原理。
他非常形象地解释：把Q开关比喻为一个稍有漏水(自发辐射跃迁)的抽水马桶，当水箱被灌(光泵注入能量)满之后水箱底部的盖快速揭开(Q值突变)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率输出)。
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
红宝石激光器
• 激光器由三部分组成： 激活介质，谐振腔和激 发源。
• 激光具有：单色性，方 向性，高亮度，相干性。
激活介质 激发源
激光器的特性参数
• 功率（平均／峰值），能量 • 波长，频率，线宽 • 脉冲宽度，重复频率 • 光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子 • 模式，波长可调谐性 • 稳定性（波长／频率／功率／能量／方
能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学 谐振腔, 要获得光自激振荡, 须令光在腔内来回一次 所获增益,至少可补偿传播中的损耗。
激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受 激辐射(激光)转变的转折点。
(一) 激光器的增益
增益系数的定义： G 1 dI (z) I (z) dz
光强随距离的变化： I (z) I (0) exp(Gz)
激光器在光电检测中的应用
• 激光测距，测长，测平面度等 • 激光大气污染检测 • 激光ＤＮＡ检测 • 激光海洋探测 • 激光制导 • 激光雷达 • 激光干涉测量（探伤） • 激全息测量
激光器工作原理
一、激光产生的阈值条件
二、激光器的工作特性 三、激光放大器
一、激光产生的阈值条件
激光工作物质位于谐振腔内，当工作物质的某对 能级之间发生粒子数反转分布时，频率处在这对能级 自发辐射谱线宽度内的微弱光信号，将获得增益而放 大；由于谐振腔内存在各种损耗，光信号在其中传输 时，又会不断衰减。
激励方法(按激励能源分类): 光泵抽运、电激励 (气体放电激励)、化学激励、 核能激励等。
(二) 激光器的损耗
1、内部损耗
增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷 而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，
脉冲红宝石激光器的发展
脉冲红宝石激光器的发展，促使聚焦时电场强度达到10^5 volts/cm的单色光（6943A）得以产生。
这种可能性吸引着研究者去尝试利用高强度的能量从合适的非线性材料中产生谐波。
在下文中，我们列举了必要的分析以及实验描述，通过注入6943A的强流束，使其通过石英晶体，我们观察到了3472A的二次谐波。
能产生光学谐波的材料必须具有非线性介电系数并且对于原始基波频率和目标频率透明。
因为所有的电介质在足够强的电场中都呈现非线性，所以石英和玻璃等材料可以用来产生谐波。
电介质中极化率和电场E的关系可以数学表示为：其中E1,E2……的数量级与原子电场相当（~10^8 esu）。
如果E随时间呈正弦变化，则等式1中的二阶和高阶项会导致极化率包含基波频率的谐波。
直流极化也将随着偶次谐波出现。
设p为电场E的二次极化强度P的分量；即p是对称张量EE的线性分量。
因为介质的点对称性，使得分量中的18个系数都须满足这个限制。
另外，当在如玻璃这种各向同性介质或者中心反演对称的介质中时，p不存在。
然而对透明石英，存在着两个独立系数α和β：表1 所有极化率的平方和垂直于光线在石英晶体中的传播方向。
入射光方向（Z是三重轴或光轴，x是二重轴）表1是对于光线以任意三个主轴方向之一穿过石英的结果预测的归纳。
在第一个情况中二次谐波不存在，第二个情况中取决于入射光的极化率，在第三个情况中与极化率无关。
如果一束高能单色光被聚焦于体积V的区域内，则二次谐波的光强为（在高斯单位下）：其中w是二次谐波角频率，c是光速，v是有效“相干体积；即p激发的相位相干体积的大小(这个体积在实际中也许远小于V)v的估计收多方面影响。
例如，光的传播方向也许不大于~[n2x(n2-n1)^-1]lambda2，其中n1和n2分别为基波和二次谐波的折射率，lambda为二次谐波的波长。
相干体积的边界宽度很大程度决定于激光的相干特性。
气体激光器的情况比红宝石激光器的情况更加支持此结论。
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红宝石激光器（三能级系统）
E3 E3 (10-9s) E3
(10-3s)
E2
E2
E2
h
E1
E1
E1
在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒 子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在 E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无 辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长， 可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成 E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hV＝ E2—E1的成分就被放大。
• 眼科：用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的 切除等；
激光的首次在医学上 的成功应用是进行眼 内手术，无需要切开 眼球。早在1962年， 一台红宝石激光器将 病人脱落的视网膜与 眼球重新连接，使他 恢复了视力。
红宝石激光器医学应用
• 皮肤科：用于照射治疗； 红宝石激光器是1960年世界上制成的第一台激光 器，也是最早应用于医疗上的激光器。 • 红宝石激光器波长为694.3nm的可见红光，这种 波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收，而黑色 素对其吸收率较高，尤其适用于各种色素性疾病。 • 临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真皮层，破坏 毛囊，永久性去除身体多余毛发； • 调Q模式，使黑色素细胞大量吸热，并在超脉冲 波的作用下破裂分解，可有效治疗蓝、黑和绿色 文身及各种良性色素性病变。
激光的诞生
1960 年 5 月 15 日 ， 美 国 加利福尼亚州休斯实验 室的科学家梅曼设计和 建造了一台小型的激光 发生器。他将闪光灯线 圈缠绕在指尖大小的红 宝石棒上，从而产生一 条相当集中的纤细红色 光柱，当它射向某一点 时，可使这一点达到比 太阳还高的温度 ，激光 时代由此开启，从此和 人们的生活息息相关。
红宝石激光器缺点
• 能级结构属三能级系统,器件阈值高; • 晶体性能随温度变化明显,室温下不适于做连续高 重频器件。 • 激发效率较低，不适合连续工作 • 输出发散角较大，一般约为3～10mrad
中国第一台激光器--“小球照明红宝石”激光器在当 时激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率
红宝石激光器的应用
红宝石激光器优点
– 机械强度和化学稳定性高,能承受很高的激光功 率密度,易生成较大尺寸; – 亚稳态寿命长,储能大,可获得大能量输出; – 荧光谱线较宽,易获得大能量单模输出; – 低温性能优良;输出可见光。
红宝石激光器优点
从应用观点看,红宝石激光器输出可见光极具吸引 力, 一、是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见 光区,而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工 作波长则位于近红外区域 二、是对于全息照相等应用,需要使用可见光作为光 源
红宝石激光器的军事应用
• 早期在军事上用于测距和照明，1961年称为柯利 达I型的世界上第一台红宝石激光测距机在美国诞 生后，1962年第一台军用激光测距机便成功地进 行了示范表演。自90年代初起，调谐的激光器进 入使用阶段，1～3µm波段的对人眼安全的激光 器，取代了对目视危险的红宝石和钕激光系统； 可调谐的可见光和近红外激光器，用以改善固定 频率的红宝石和钕激光器的抗干扰性能 。
红宝石激光器
红宝石激光器属 于三能级系统，相 应于右图的简化能 级模型。
红宝石激光器
红宝石激光器的工作过程
• 红宝石棒两个端面精磨抛光，平行度在1‘（弧分） 以内，其中一个端面镀银，成为全反射面，另一 个端面平镀银，成为透射率10% 的部分反射面。 • 激励能源是光源——螺旋形脉冲氙灯（现经常采 用直管氙灯），氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较 强有光输出，这正好同红宝石的吸收光谱对应起 来。由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面， 外有聚光器加强照射效果，闪光灯通常一次工作 几毫秒，输入能量1000-2000J，闪光灯的大部分 输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝 石所吸收，并转移到其中Cr3+的相应能级上。当 由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时，则每激 励一次，就有一束相干光从红宝石的半镀银面射 出，其波长为 6943 A（红光），谱线宽度小于 0.1 A.
红宝石激光器特点
• 大多数为脉冲激光器，脉冲频率为1.2赫兹或单个 脉冲，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约 为几个微米。 • 输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽 0.01~0.1nm，光斑直径为3~6mm。易于接收和 检测。 • 三能级结构，产生激光所要求的阈值激励功率较 高。 • 晶体升温时(大于50℃）时，荧光量子效率显著下 降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降甚至停 振，故一般应采取冷却措施。
全息术实验
• 用红宝石脉 冲激光器拍 摄的刚出壳 的小鸡的反 射全息图， 可以白光再 现。
激光器的组成
常用激光器由三部分组成：
激励能源
Байду номын сангаас
工作物质 泵浦源 光学谐振腔
工作物质
激光
M1
谐振腔
激光器结构示意图
M2
红宝石激光器的工作物质
工作元件是一根淡红色的红宝石棒（AL２O3晶 体），其中掺0.05%的铬离子（Gr3+）。这些 铬离作为激活离均匀地分布在基质（即AL２O3 晶体）中，浓度大约为 1.62×10的19次方cm3，它们替代了晶格中一部分铝离子（AL3+） 的位置，红宝石激光器有关有能级和光谱性质 都来源于Gr3+。