禾远实业(图)-激光器发明-激光器

激光器

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微米激光也是较强大的一种激光。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，也是光和核聚变研究中的重大成果。较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，的皮肤碰到了也要，所以这种激光器上都贴着“危险”的标记，激光器，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**的性能、长期稳定性、结构紧凑和**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较强者。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。

　　以脉冲方式发射的二氧化碳激光器也有很多种，在科研和工业中用途较广。如果按每一脉冲发出的能量大小作比较，那么，脉冲二氧化碳激光器又是脉冲激光器中的较强者。

　　这里，我们要回到激光**者汤斯曾经研究过的问题上来，东莞激光器，谈一谈毫米波的产生。随着激光技术的发展，许多科学家对这一难题又发起了进攻：采用放电或利用强大的二氧化碳激光作为激励源去激发氟、氨等气体分子，一步步地把发射出来的激光波长延长，扩展。开始达几十微米，后来达几百微米，也就是亚毫米波了。本世纪60年代中期到70年代中期，随着微波技术的发展，科学家根据激光的原理和方法产生了毫米波。这样，从光波到微波之间的空白地带便被不断发现的新红外激光填补了。

　　从研究中，科学家发现毫米波很有实用价值：大气对它的吸收率很小、阻碍它传播的影响也小，可以用它来作为新的大气通讯工具。

　　另一种比较特殊、新颖的激光器，可以形象地称它为“变色龙”。它不是龙，但确实能变色；只要转动一个激光器上的旋钮，就可以获得红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种颜色的激光。

　　难道染料跟激光器也有关系吗？一点也不错。这种激光器的工作物质确实就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。科学家至今还没有弄清楚这些染料的分子能级和原子结构，只知道它们与气体工作物质的气体原子、离子结构不一样；气体产生的激光有明确的波长，而染料产生的激光，波长范围较广，或者说有多种色彩。染料激光器的光学谐振腔中装有一个称为光栅的光学元件。通过它可以根据需要选择激光的色彩，就像从收音机里选听不同频率的无线电台广播一样。

　　染料激光器的激励源是光泵，可以用脉冲氙灯，也可以用氮分子激光器发出的激光。用一种颜色的激光作光泵，结果能产生其他颜色的激光可以说是染料激光器的特点之一。

　　这种根据需要可以随时改变产生激光的波长的激光器，主要用于光谱学研究；许多物质会有选择地吸收某些波长的光，产生共振现象。科学家用这些现象分析物质，了解材料结构；还用这些激光器来产生新的激光，研究一些奇异的光学和光谱学现象。

激光器一般由三个部分组成

　　1、工作物质：激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。

　　2、激励能源：它的作用是给工作物质以能量，将原子由低能级激发到高能级的外界能量。通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。

　　3、光学共振腔：作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断给光子加速；三是限制激光输出的方向。简单的光学共振腔是由放置在氦激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。当一些原子在实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地就产生出相当强的激光。

　　激光器发出的光质量纯净、光谱稳定可以在很多方面被应用

　　红宝石激光：初的激光器是红宝石被明亮的闪光灯泡所激励，高功率激光器，所产生的激光是“脉冲激光”，而非连续稳定的光束。这种激光器产生的光速质量和我们现在使用的激光二极管产生的激光有本质的区别。这种仅仅持续几纳秒的强光发射非常适合容易移动的物体，例如拍摄全息的人物肖像画，一副激光肖像在1967年诞生。红宝石激光器需要昂贵的红宝石而且只能产生短暂的脉冲光。

　　氦激光器：1960年科学家AliJavan、WilliamR.BrennetJr.和DonaldHerriot设计了氦激光器。这是一台气体激光器，这种激光器是全息摄影师常用的装备。两个优点：1、产生连续激光输出；2、不需要闪光灯泡进行光激励，而用电激励气体。

二极管泵浦固态和光纤激光器

　　高功率半导体激光器的改进使下游激光器技术的发展成为可能；在下游激光器技术领域，半导体激光器被用于激发（泵浦）掺杂晶体（二极管泵浦固态激光器）或掺杂光纤（光纤激光器）。

　　虽然半导体激光器提供高效率，激光器发明，低成本的激光能源，但有其有两个关键限制：它们不储存能量、亮度也有限。基本上这两种激光器需要用于许多应用：其中一个用于将电转换成激光发射，另外一个则用来增强该激光发射的亮度。

　　二极管泵浦固体激光器。在二十世纪八十年代后期，用半导体激光器泵浦固体激光器的应用开始在商业应用中逐渐普及。二极管泵浦固体激光器（DPSSL）较大地缩小了热管理系统（主要是循环冷却器）的尺寸和复杂性，并且获得了历来结合了弧光灯用于泵浦固态激光晶体的模块。

　　半导体激光器波长的选择是基于它们与固态激光增益介质的光谱吸收特性的重叠来进行的；与弧光灯的宽带发射光谱相比，较大地降低了热负荷。由于1064nm钕基激光器的普及，20多年以来，808nm泵浦波长成为半导体激光器中数量大的波长。

　　随着多模半导体激光器亮度的提高以及在2000年中期能够用体布拉格光栅（VBGs）稳定窄发射线宽的能力，实现了*二代改进的二极管泵浦效率。880nm左右的较弱和光谱窄的吸收特征成为了高亮度泵浦二极管的研究热点，这些二极管能实现光谱稳定。这些更高性能的激光器能够直接激发钕中的激光上能级4F3/2，减少了**缺陷，从而改善了平均功率更高的基模提取，否则将会受到热透镜的限制。

　　到2010年初，我们目睹了单横模1064nm激光器及相关系列频率转换激光器在可见光和紫外波段工作的大功率缩放趋势。由于Nd：YAG和Nd：YVO4较长的高能态寿命，这些DPSSL的Q开关操作提供了高脉冲能量和峰值功率，非常适合于烧蚀材料加工和高精度微加工应用。

　　光纤激光器。光纤激光器提供了一种转换高功率半导体激光器亮度的更加有效的方式。尽管波长复用光学器件可以将亮度相对较低的半导体激光器转换为较亮的半导体激光器，但这却是以增加光谱宽度和光学机械复杂度为代价的。光纤激光器已被证明在光度转换中特别有效。

　　在20世纪90年代引入的双包层光纤使用由多模包层环绕的单模光纤，可以将更高功率，更低成本的多模半导体泵浦激光器高效地投入光纤，从而创造出一种更经济的方式来将高功率半导体激光器到转换成更明亮的激光器。对于掺杂镱（Yb）的光纤而言，该泵浦激发了以915nm为中心的宽吸收或976nm左右的较窄带特征。随着泵浦波长接近光纤激光器的波长，所谓的**缺陷就会减少，从而效率大化，余热消散量小化。

　　光纤激光器和二极管泵浦固体激光器都依赖于二极管激光亮度的改进。一般来说，随着二极管激光器亮度的不断改善，它们泵浦的激光器功率比例也越来越大。半导体激光器的亮度提升有利于促进更高效的亮度转换。

　　正如我们所期待的那样，空间和光谱亮度对未来的系统来说将是必要的，这将使固体激光器中具有窄吸收特征的低**缺陷泵浦和直接半导体激光器应用的密集波长多路复用方案成为可能。