固体激光器等激光器的工作原理及其应用范围大全

　　激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。

　　用光、电及其他办法对物质进行激励，使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射，物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用，也就是这种波长的光辐射通过物质时，会发射强度放大并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射，这种称为激光放大器。

　　若把激发的物质放置于共振腔内，光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过物质，光辐射被放大许多倍，形成一束强度大、方向集中的光束“激光”，这就是激光振荡器。

　　激光器工作原理

　　除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。

　　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。

　　激光器的种类是很多的。可以从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类，下面就九种接触比较多的激光器原理及应用做一下全面介绍。

　　一、固体激光器

　　用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。

　　工作物质：固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。

　　玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。

　　晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石（Cr:Al2O3，波长6943埃）、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG，波长1.064微米）、氟化钇锂（LiYF4，简称YLF;Nd:YLF，波长1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF，波长2.06微米）等。

　　1973年以来又有一类自激活激光晶体。它的激活离子是晶体的一个化学组分，因而激活离子浓度高，不致产生荧光猝灭。这种晶体的激光增益高，抽远阈值低。主要品种有五磷酸钕（NdP5O14）、四磷酸锂钕（NdLiP4O12）和硼酸铝钕【NdAl3（BO4）3】等。它们多用熔盐法生长，晶体尺寸小，可用于小型固体激光器。

　　已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体，如终端声子跃迁的金绿宝石（Cr:BeAl2O4，波长0.701～0.815微米，室温工作）、掺镍氟化镁（Ni:MgF2，波长1.6～1.8微米，低温工作）、5d→4f跃迁的掺铈氟化钇锂（Ce:YLF，波长0.306～0.315微米，用准分子激光器激励，室温工作）和碱卤化物的色心激光晶体（不掺杂或掺杂的氯化钾、氟化锂等，波长0.8～3.9微米，大多在低温下工作）。