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【兆恒機械】激光器工作原理

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  • 添加日期:2021年07月06日

激光器廣泛用于各種產(chǎn)品和技術(shù),其種類之多令人驚嘆。從CD播放機、牙鉆、高速金屬切割機到測量系統(tǒng),似乎所有東西都有激光器的影子,它們都需要用到激光器。但是,到底什么是激光器呢?激光光束和手電筒光束的區(qū)別何在呢?

 



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NASA供圖
美國國家航空航天管理局蘭利研究中心(Langley Research Center)
的光學(xué)損傷閥值測試裝置有三部激光器:高能脈沖釹-釔鋁
石榴石激光器、鈦-藍寶石激光器和諧振氦氖激光器。


美國國家航空航天管理局蘭利研究中心(Langley Research Center)
的光學(xué)損傷閥值測試裝置有三部激光器:高能脈沖釹-釔鋁
石榴石激光器、鈦-藍寶石激光器和諧振氦氖激光器。


整個宇宙中大約只有100多種不同的原子。我們看到的所有東西都是由這100多種原子以窮極無限的方式組合而成。這些原子之間排列組合的方式?jīng)Q定了構(gòu)成的物體是一杯水、一塊金屬或是汽水瓶中的泡沫!

原子是永恒運動著的。它們不停地振動、移動和旋轉(zhuǎn),就連構(gòu)成我們座椅的原子也是不斷運動著的。固體實際上也在運動!原子有幾種不同的激發(fā)狀態(tài),換言之,它們具有不同的能量。如果賦予原子足夠的能量,它就可以從基態(tài)能量層級上升到激發(fā)態(tài)能量層級。激發(fā)態(tài)能量層級的高低取決于通過熱能、光能、電能等形式賦予原子的能量有多少。

下圖可以很好地闡釋原子的結(jié)構(gòu):



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最簡單的原子模型
由原子核和沿軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成。


由原子核和沿軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成。


簡單原子由原子核(含有質(zhì)子和中子)和電子云組成。我們可以把電子云中的電子想象成沿多個不同軌道環(huán)繞原子核運動。

即便以現(xiàn)代技術(shù)觀察原子,我們也無法看到電子的離散軌道,但把這些軌道設(shè)想成原子不同的能級會對我們的理解有所幫助。換言之,如果我們對原子加熱,處于低能量軌道上的部分電子可能受激發(fā)而躍遷到距離原子核更遠的高能量軌道。



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能量吸收:
原子可以吸收熱能、光能、電能等形式的能量。然后電子可以從低能量軌道躍遷至高能量軌道。





盡管這種描述很簡單,但它確實揭示了原子形成激光的核心原理。

電子躍遷至更高能軌道后,最終仍要回到基態(tài)。在此過程中,電子以光子(一種光線粒子)的形式釋放能量。您會發(fā)現(xiàn),原子不斷地以光子形式釋出能量。例如,烤箱中的加熱元件變成亮紅色,其中的紅色就是由于原子受熱激發(fā)而釋放的紅色光子。觀看電視屏幕上的圖像時,您看到的其實是磷原子受高速電子激發(fā)所釋放的各種不同顏色的光線。任何發(fā)光物體,包括熒光燈、煤氣燈、白熾燈,都是通過改變電子軌道并釋放光子來發(fā)光的。

激光器是控制受激原子的光子釋放方式的設(shè)備?!癓aser”是light amplification by stimulated emission of radiation(受激輻射光放大)的簡稱。這一名稱簡要的描述了激光器的工作原理。

雖然激光器種類繁多,但它們都有一些基本特征。激光器中,激光介質(zhì)須經(jīng)過泵激使原子處于激發(fā)狀態(tài)。一般來說,高強度閃光或放電可以泵激介質(zhì),進而產(chǎn)生大量激發(fā)狀態(tài)的原子(含高能電子的原子)。而激光器要有效運行就必須要有大量處于激發(fā)狀態(tài)的原子。一般來說,原子必須受激上升到基態(tài)以上兩到三個能量層級。這就提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指處于激發(fā)態(tài)的原子和處于基態(tài)的原子之間的數(shù)量比。

激光介質(zhì)受到泵激后,其中就包括一批帶有激發(fā)態(tài)電子的原子。受激電子所含能量比低層級電子的能量高。就像電子可以吸收一定能量達到激發(fā)態(tài)一樣,電子也可以釋放這種能量。如下圖所示,電子只要向低層級躍遷,就會釋放部分能量。釋放的能量轉(zhuǎn)化為光子(光能)的形式。發(fā)射出的光子具有特定的波長(顏色),這取決于釋出光子時電子的能量狀態(tài)。兩顆擁有相同電子狀態(tài)的原子會釋放出相同波長的光子。

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激光和普通光區(qū)別很大。它具有以下特性:

  • 發(fā)射的激光具有單色性。激光含有一種特定波長(即特定顏色)的光線。光線的波長由電子回到低能軌道時釋放的能量決定。

  • 發(fā)射的激光具有良好的相干性。激光的組織結(jié)構(gòu)較好,每個光子都緊跟其他光子運動。也就是說,所有光子的波前完全一致。

  • 激光具有良好的指向性。激光光束緊密、集中且能量極高。相反,手電筒發(fā)出的光線朝多個方向散射,光線能量弱,集中度低。

為了實現(xiàn)以上三個特性,需要經(jīng)過一個稱為受激發(fā)射的過程。這種現(xiàn)象不可能在普通手電筒中出現(xiàn),因為它的原子是隨機釋放光子。而受激發(fā)射時,原子是有組織地發(fā)射光子。

原子釋放的光子具有特定的波長,此波長取決于激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的能量差。如果光子(擁有一定能量和相位)碰到另一個原子,且該原子擁有處于相同激發(fā)狀態(tài)的電子,即可引起受激發(fā)射。第一個光子可以激發(fā)或引導(dǎo)原子發(fā)射光子,而后發(fā)射的光子(即第二個原子發(fā)射的光子)按與進入光子相同的頻率和方向振蕩。

激光器的另一個關(guān)鍵部件是一對反光鏡,分別位于激光介質(zhì)的兩端。特定波長和相位的光子通過兩端反光鏡的反射,在激光介質(zhì)之間來回穿行。在此過程中,它們會激發(fā)更多的電子由高能軌道向低能軌道跳躍,從而發(fā)射出更多相同波長和相位的光子,隨后將產(chǎn)生“瀑布”效應(yīng),進而在激光器內(nèi)迅速聚集起大量相同波長和相位的光子。激光介質(zhì)某一端的鏡面采用“半反射”鍍層,也就是說它只會反射部分光線,而其他光線則可以穿透。穿透的光線就是激光。

紅寶石激光器包括類似相機閃光燈的閃光管、紅寶石棒和兩面反射鏡(其中一面為半反射鏡面)。紅寶石棒是激光介質(zhì),閃光管是泵激源。


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1. 未發(fā)射狀態(tài)的激光器


 


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2. 閃光管閃光并將光線射入紅寶石棒。光線激發(fā)紅寶石內(nèi)的原子。


 


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3. 其中的部分原子釋放出光子。


 


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4. 部分光子沿紅寶石軸的平行方向運動,因而在兩塊反光鏡之間來回反彈。它們經(jīng)過紅寶石晶體時,還會繼續(xù)激發(fā)其他原子。


 


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5. 單色、單相柱狀光線通過半反射鏡射出紅寶石棒,形成激光!



以下是真實的三級激光器的工作原理示意圖。


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激光器分為許多不同種類。激光介質(zhì)可以是固體、氣體、液體或半導(dǎo)體。我們通常按照用于發(fā)出激光的介質(zhì)對其進行分類:

  • 固態(tài)激光器的發(fā)光材料分布在固態(tài)基質(zhì)中(如紅寶石激光或釹-釔鋁石榴石激光)。釹-釔鋁石榴石激光器可以發(fā)出波長為1064納米(nm)的紅外激光,其中1納米等于1x10-9米。

  • 氣態(tài)激光器主要輸出紅色的可見光束,最常見的氣態(tài)激光器包括:氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以發(fā)射遠紅外能量,用于切割高硬度物質(zhì)。

  • 準分子(Excimer)激光器使用由氯、氟等活性氣體和氬、氪、氙等惰性氣體組成的混合物,其英語名稱取自“excited”(受激發(fā)的)和“dimers”(二聚體)兩個單詞。通電激發(fā)時,可產(chǎn)生準分子(即二聚體)。發(fā)射激光后,二聚體可產(chǎn)生紫外波段的光線。

  • 染料激光器使用羅丹明6G等合成有機染料的溶液或懸濁液作為激光介質(zhì)。染料激光器具有極為寬廣的波長調(diào)節(jié)范圍。

  • 半導(dǎo)體激光器,有時也稱為二極管激光器,屬非固態(tài)激光器。這種電子設(shè)備通常體積小、功率低。它們可以內(nèi)置到大型激光二極管陣列(如激光打印機CD播放機的寫入源)中。


紅寶石激光器(如前所述)屬固態(tài)激光器,其釋放的波長為694納米。根據(jù)所需發(fā)射的波長(參閱下表)、功率、脈沖持續(xù)時間,可以選擇其他激光介質(zhì)。有些激光器功能非常強大,例如二氧化碳(CO2)激光器可以切割鋼板。二氧化碳激光器如此危險的原因在于其發(fā)射的激光處于光譜的紅外和微波區(qū)域。紅外輻射就是熱量,因此二氧化碳激光器基本上可以熔化其對準的所有物體。

其他激光器,如二極管激光器,功率較弱,通常用于現(xiàn)在的便攜式激光指示器。這些激光器通常能發(fā)出波長在630納米至680納米之間的紅色光束。激光器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研領(lǐng)域,例如,使用強激光激發(fā)其他分子,以觀察其反應(yīng)。

以下是一些常見的激光器及其激光波長:


激光種類
波長(納米)
氬氟激光(紫外光)
193
氪氟激光(紫外光)
248
氙氯激光(紫外光)
308
氮激光(紫外光)
337
氬激光(藍光)
488
氬激光(綠光)
514
氦氖激光(綠光)
543
氦氖激光(紅光)
633
羅丹明6G染料(可調(diào)光)
570-650
紅寶石(CrAlO3)(紅光)
694
釹-釔鋁石榴石(近紅外光)
1064
二氧化碳(遠紅外光)
10600


根據(jù)可能造成的生理傷害,激光器可分為四個廣泛的種類。每套激光設(shè)備都應(yīng)具有以下四種標志之一:

  • I級:這種激光器不會構(gòu)成任何已知程度的傷害。

  • I.A.級:這是一個特殊的級別,指“不適宜用眼睛直接觀看”的激光器,比如超市使用的激光掃描器。此級別激光器的最高限定功率為4.0毫瓦。

  • II級:指低功率可見光激光器,其發(fā)射功率比I級高,但是輻射功率不高于1毫瓦。人類對強光的自動防御反應(yīng)可以保護人類不受傷害。

  • IIIA級:指中低功率激光器(連續(xù)波:1-5 mW),只有光束內(nèi)視的情況下才會構(gòu)成危險。多數(shù)的筆狀激光指示器都屬于該級別。

  • IIIB級:指普通功率的激光器。

  • IV級:指高功率激光器(連續(xù)波:500毫瓦,脈沖波:10 J/cm2或漫反射極限值),任何情況下,無論直接還是間接觀測都有危險,而且可能引發(fā)火災(zāi)或灼傷皮膚。IV級激光設(shè)備必須接受嚴格的控制。