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苏州铭奥机电有限公司 (编号 40432)
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激光产生原理
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激光器展厅
半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...
一、激光产生原理

1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射

普通常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等地发光)是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级(E2)的电子寿命很短(一般为10-8~10-9秒),在没有外界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将产生光(电磁波)辐射。辐射光子能量为

hυ=E2-E1

这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程,各发光原子的发光过程各自独立,互不关联,即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方,另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度,所以发射光的频率也不是单一的,而有一个范围。

在通常热平衡条件下,处于高能级E2上的原子数密度N2,远比处于低能级的原子数密度低,这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小,即N∝exp(-E/kT),这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为

N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}

式中k为波耳兹曼常量,T为绝对温度。因为E2>E1,所以N2 < < N1。例如,已知氢原子基态能量为E1=-13.6eV,第一激发态能量为E2=-3.4eV,在20℃时,kT≈0.025eV,则

N2/N1∝exp(-400)≈0

可见,在20℃时,全部氢原子几乎都处于基态,要使原子发光,必须外界提供能量使原子到达激发态,所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来,这种光源所辐射光的能量是不强的,加上向四面八方发射,更使能量分散了。

2、受激辐射和光的放大

由量子理论知识知道,一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态,除能量外,还有轨道角动量L和自旋角动量s,它们都是量子化的,由相应的量子数来描述。对轨道角动量,波尔曾给出了量子化公式Ln=nh,但这不严格,因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。

量子理论告诉我们,电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l(角动量量子数)量子数相差±1的两个状态之间,这就是一种选择规则。如果选择规则不满足,则跃迁的几率很小,甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级,一旦电子被激发到这种能级上时,由于不满足跃迁的选择规则,可使它在这种能级上的寿命很长,不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是,在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级,并放出光子。这种过程是被“激”出来的,故称受激辐射。

受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时,第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性,这是激光的基础。受激辐射的过程大致如下:原子开始处于高能级E2,当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点,就是原子可发出与诱发光子全同的光子,不仅频率(能量)相同,而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是,入射一个光子,就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光,就是激光。

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3、粒子数反转

一个诱发光子不仅能引起受激辐射,而且它也能引起受激吸收,所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时,受激辐射跃迁才能超过受激吸收,而占优势。由此可见,为使光源发射激光,而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多,这种情况,称为粒子数反转。但在热平衡条件下,原子几乎都处于最低能级(基态)。因此,如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。

粒子数如何实现反转分布,涉及两个方面:一是粒子体系(工作物质)的内结构;二是给工作物质施加外部作用。所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态,而实现光放大,不是每一种物质都能做工作物质。粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂,只有10-8秒。有一部分寿命相对较长些,如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级,除铬离子外,还有一些亚稳态能级,主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。有了亚稳态能级,在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转,以达到对特定频率辐射光进行光放大。意即粒子数反转是产生光放大的内因。那外因是什么?既对亚稳态能级粒子体系(主要工作物质)增加某种的外部作用。由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的粒子数,总是大于处在高能级上的粒子数,当要实现粒子数反转,就得给粒子体系增加一种外界的作用,促使大量低能级上的粒子反转到高能级上,这种过程被叫做激励,或被称为泵浦,尤如把低处的水抽到高处一样。对固体形的工作物质常应用强光照射的办法,即为光激励。这类工作物质常应用的有掺铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。对气体形的工作物质,常应用放电的办法,促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励,常应用的工作气体物质,有分子气体(如CO2气体)及原子气体(如He-Ne原子气体)。如工作物质为半导体的物质,采用注入大电流方法激励发光,常见的有砷化镓,这类注入大电流的方法被叫做注入式激励法。此外,还可应用化学反应方法(化学激励法)、超音速绝热膨胀法(热激励),电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击(电子束泵浦、核泵浦)等方法,都能实现粒子数反转分布。从能量角度看,泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源,是由激励装置,其它形式的能量(诸如光、电、化学、热能等)转换而来。

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。

按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置,可将光学谐振腔区分为:平行平面腔,平凹腔,对称凹面腔,凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上,则称为半共焦腔;如果凹面镜的球心落在平面镜上,便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点,便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心,称为共心腔。如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外,则称该腔为稳定腔,否则称为不稳定腔。上述列举的谐振腔都属稳定腔。用两块凸面镜组成的谐振腔为不稳定腔。平凹腔中如腔长太长,使凹球面的球心落在腔内,则腔中除沿光轴的光线外,其它方向光束经多次反射后必然会逸出腔外,故也为不稳定腔。对称凹面腔中,如腔长太长,使两球面球心分别落在腔中心点靠近自身一侧,也是一种不稳定腔。谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后,许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态,放出光子。其中,偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现,从而使轴向行进的光子数不断增加,最后从部分反射镜中输出。所以,谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统。谐振腔的另一功能是对激光波型加以选择,使输出激光具有一定的纵模和横模

以红宝石激光器为例,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。

三、激光器的种类

对激光器有不同的分类方法,一般按工作介质的不同来分类,在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外,根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器,其中脉冲激光的峰值功率可以非常大,还可以按发光的频率和发光功率大小分类。

1、固体激光器

一般讲,固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子,除了前面介绍用红宝石和玻璃外,常用的还有钇铝石榴石(YAG)晶体中掺入三价钕离子的激光器,它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上,脉冲峰值功率可达109W。

2、气体激光器

气体激光器具有结构简单、造价低;操作方便;工作介质均匀,光束质量好;以及能长时间较稳定地连续工作的有点。工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体,有的物质在通常条件下是液体(如非金属粒子的有水、汞),及固体(如金属离子结构的铜,镉等粒子),经过加热使其变为蒸气,利用这类蒸气作为工作物质的激光器,统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外,为了延长器件的工作寿命及提高输出功率,还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。

气体激光器大多应用电激励发光,即用直流,交流及高频电源进行气体放电,两端放电管的电压增压时可加速电子,带有一定能量,在工作物质中运动的电子与粒子(气体的原子或分子)碰撞时将自身的能量转移给对方,使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转,产生激光。气体激光器与固体激光器相比较,两者中以气体激光器的结构相对简单得多,造价较低,操作简便,但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性(惰性)原子、离子气体、分子气体三种激光器。

3、半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。常用材料有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。这种激光器的特点是体积小,能耗低,功率低(因此对人眼相对安全一些),能在常温下运行。双异质结构激光的概念是1963年由克勒默提出的,其要点如下:处于反转态的载荷子集中在带隙更小的薄层里,这一薄层像三明治一样嵌插在高带隙的各层之间,形成活性区。这些被激发的载荷子的密度变得越来越比掺杂的区域高。光子都限制在这一活性区内,带隙低而折射率高。异质结构就像光导管一样工作,在高带隙的区域内光损失可以忽略不计。于是,引起激光效应的反转载流子和光子都集中在活性区里。这样就有可能在不加冷却的情况下大大降低阈电流并且实现连续操作。克勒默还建议基极采用斜坡式的能隙,以取代结上出现能隙的突变。

在这个理论的引导下,1970年双异质结的半导体激光器终于实现了室温下连续运行。如今异质结构的半导体激光器在得到广泛应用,可以说我们常见的激光器,包括本文论及的多媒体设备中使用到的激光光源,绝大部分都是这种激光器。克勒默本人也因为在半导体技术方面的出色研究获得了2000年诺贝尔物理学奖。

4、液体激光器

常用的是染料激光器,采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中(乙醇、丙酮、水等)中使用,也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光(在可见光范围)。染料激光器一般使用激光作泵浦源,例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调,且覆盖面宽是它的优点,使它也得到广泛应用。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2012-10-7)
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