激光器都有哪些种类
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。下面介绍一下激光器都有哪些种类?
1、气体激光器
在气体激光器中,常见的是氦氖激光器。世界上台氦氖激光器是继台红宝石激光器之后不久,于1960年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。由于氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好,可以连续工作,所以这种激光器是当今使用多的激光器,主要用在全息照相的精密测量、准直定位上。气体激光器中另一种典型代表是氩离子激光器。它可以发出鲜艳的蓝绿色光,可连续工作,输出功率达100多瓦。这种激光器是在可见光区域内输出功率的一种激光器。由于它发出的激光是蓝绿色的,所以在眼科上用得多,因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏,眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光。因此,用氩离子激光器进行眼科手术时,能迅速形成局部加热,将视网膜上蛋白质变成凝胶状态,它是焊接视网膜的理想光源。氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层,而不被海水吸收,因而可广泛用于水下勘测作业。
2、液体、化学和半导体激光器
液体激光器也称染料激光器,因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光,一般采用高速闪光灯作激光源,或者由其他激光器发出很短的光脉冲。液体激光器发出的激光对于光谱分析、激光化学和其他科学研究,具有重要的意义。气体激光器
化学激光器是用化学反应来产生激光的。如氟原子和氢原子发生化学反应时,能生成处于激发状态的氟化氢分子。这样,当两种气体迅速混合后,便能产生激光,因此不需要别的能量,就能直接从化学反应中获得很强大的光能。这类激光器比较适合于野外工作,或用于军事目的,令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果。在当今的激光器中,还有一些是用半导体制成的。它们体积小,使用寿命长,激励方式简单(通常采用电激励),阈值电流低,易于规模化生产,早期的半导体激光器的输出激光相干性、方向性等性能较差,输出激光频率种类较少,大多在红外区,但是现在随着研究的深入和半导体半导体激光器
材料和结构的拓展,半导体激光器家族中出现了诸如边发射激光器、量子阱激光器、垂直腔表面发射激光器等等输出激光性能优异的新成员,输出激光频率类型在可见光区域也广有分布。尤其是垂直腔表面发射激光器,除了具有单纵模输出、低阈值电流起振等优异特性之外,还具有在生产工艺上大规模化和阵列化,这样,半导体激光器也能输出大功率激光,而且进一步降低半导体激光器的生产成本,利于激光器的普及应用。目前,半导体类激光器是激光器家族中应用为广泛的一支,如在光通信(如光纤通信)、光存储和读取(即光盘和光驱)、光开关、光逻辑器件等等。
3、固体激光器
前面所提到的红宝石激光器就是固体激光器的一种。早期的红宝石激光器是采用普通光源作为激发源。现在生产的红宝石激光器已经开发出许多新产品,种类也增多。此外,激励的方式也分为好几种,除了光激励外,还有放电激励、热激励和化学激励等。固体激光器中常用的还有钇铝石榴石激光器,它的工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体,并掺有氧化钕。激光是由晶体中的钕离子放出,是人眼看不见的红外光,可以连续工作,也可以脉冲方式工作。由于这种激光器输出功率比较大,不仅在军事上有用,也可广泛用于工业上。此外,钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器,对治疗白内障和青光眼十分有效。
4、“隐身”和“变色”激光器
另外还有两种较为特殊的激光器。一种是二氧化碳激光器,可称“隐身人”,因为它发出的激光波长为10.6微米,“身”处红外区,肉眼不能觉察,它的工作方式有连续、脉冲两种。连接方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生的波长10.6微米激光也是强大的一种激光。人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展,也是光武器和核聚变研究中的重大成果。普通的二氧化碳激光器是一支长1米左右的放电管。它的一端贴上镀金反射镜片,另一端贴一块能让10.6微米红外光通过的锗平面镜片作为红外激光输出镜。一般的玻璃镜片不让这种红外光通过,所以个能做输出镜。放电管放电时发出粉红色的自发辐射光,它产生的激光是看不见的,在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。做实验时,一不小心就会把自己的衣服烧坏,裸露的皮肤碰到了也要烧伤,所以这种激光器上都贴着“危险”的标记,操作时要特别留神。
5、近红外光谱仪
近红外光谱仪专为满足实际应用的挑战而设计的,具有卓越的性能、长期稳定性、结构紧凑和超低功耗的优点。二氧化碳激光器形式很多。放电管长的达200多米,要占据很大的场地。科学家想出办法,将笔直的放电管弯成来回转折的形状,或是把放电管叠起来安装,将它们的实际长度压缩到20米左右;为了使激光器的光路不受振动的影响,整个器件安放在地下室粗大的管道内。后来发明的一种称为横向流动的二氧化碳激光器,长度缩到只有一张大办公桌那样长短,能射出几千瓦功率的激光。这样的激光器已被许多汽车拖拉机厂用来加工大型零件。输出功率更大的一种二氧化碳激光器结构像大型喷气发动机,开动起来声音响得吓人,它能产生上百万瓦的连续激光,是连续方式发射激光中的强者。初的激光打坦克靶实验,用的就是这种激光器。它是科学家把空气动力学和激光科学相结合而制造出来的。