激光器

　　激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。激光器的诞生史大致可以分为几个阶段。

　　1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同diyi个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。

　　20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大;如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。这就是激光器的工作原理。

　　1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”，对于激光器到底能否研制成功，在当时还是很渺茫的。

　　1958年，汤斯与阿瑟肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。此后，世界上许多实验室都被卷入了一场激光器研制竞赛，看谁能成功制造并运转世界上diyi台激光器。

　　1960年，美国物理学家西奥多梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。“梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑，因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。1960年12月，出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界diyi台气体激光器——氦氖激光器。

　　1962年，有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年，科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。

　　由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、yi疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔;激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在yi疗、农业的实际应用上取得了良好效果;在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于万根电话铜线所携带的信息量;激光器在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。

与激光器的发展历史相关文文章：

　　激光器是一种能发射激光的装置，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。目前已经运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、YL、军事等各方面。

激光器是什么

　　激光器是一种能发射激光的装置。1954年制成了diyi台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年肖洛和汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年梅曼等人制成了diyi台红宝石激光器。1961年贾文等人制成了氦氖激光器。1962年霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。现代高科技领域中，激光器从发明到渐渐深入发展，并逐渐占有越来越重要的地位。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。

激光器的原理

　　激光器顾名思义就是能发射激光的装置。从1954年制成了diyi台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。一直到现在，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类，近来还发展了自由电子激光器。其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。

　　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。

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。激光器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。激光器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。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。

激光器的主要特点

　　激光器主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

　　激光器的高亮度：固体激光器的亮度更可高达10^11W/cm2Sr。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。

　　激光器的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件

　　激光器的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。

　　激光器的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。

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　　激光器是激光设备的心脏，对激光切割质量起着决定性的作用。一个好的激光器，应该具备理想的模式，稳定的功率等要素。激光器的种类是很多的，一般从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面分类。

激光器按工作物质分类

　　根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：

　　①固体(晶体和玻璃)激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光ZX而制成的;

　　②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等;

　　③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液，其中金属离子(如Nd)起工作粒子作用，而无机化合物液体(如SeOCl)则起基质的作用;

　　④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用;

　　⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。

激光器按激励方式分类

　　①光泵式激光器。指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。

　　②电激励式激光器。大部分气体激光器均是采用气体放电(直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入)方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。

　　③化学激光器。这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。

　　④核泵浦激光器。指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。

激光器按运转方式分类

　　由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。

　　①连续激光器，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免地产生器件的过热效应，因此多数需采取适当的冷却措施。

　　②单次脉冲激光器，对这类激光器而言，工作物质的激励和相应的激光发射，从时间上来说均是一个单次脉冲过程，一般的固体激光器、液体激光器以及某些特殊的气体激光器，均采用此方式运转，此时器件的热效应可以忽略，故可以不采取特殊的冷却措施。

　　③重复脉冲激光器，这类器件的特点是其输出为一系列的重复激光脉冲，为此，器件可相应以重复脉冲的方式激励，或以连续方式进行激励但以一定方式调制激光振荡过程，以获得重复脉冲激光输出，通常亦要求对器件采取有效的冷却措施。

　　④调制激光器，这是专门指采用一定的开关技术以获得较高输出功率的脉冲激光器，其工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡(开关处于关闭状态)，待粒子数积累到足够高的程度后，突然瞬时打开开关，从而可在较短的时间内形成十分强的激光振荡和高功率脉冲激光输出。

　　⑤锁模激光器，这是一类采用锁模技术的特殊类型激光器，其工作特点是由共振腔内不同纵向模式之间有确定的相位关系，因此可获得一系列在时间上来看是等间隔的激光超短脉冲序列，若进一步采用特殊的快速光开关技术，还可以从上述脉冲序列中选择出单一的超短激光脉冲。

　　⑥单模和稳频激光器，单模激光器是指在采用一定的限模技术后处于单横模或单纵模状态运转的激光器，稳频激光器是指采用一定的自动控制措施使激光器输出波长或频率稳定在一定精度范围内的特殊激光器件，在某些情况下，还可以制成既是单模运转又具有频率自动稳定控制能力的特种激光器件。

　　⑦可调谐激光器，在一般情况下，激光器的输出波长是固定不变的，但采用特殊的调谐技术后，使得某些激光器的输出激光波长，可在一定的范围内连续可控地发生变化，这一类激光器称为可调谐激光器。

激光器按输出波段范围分类

　　根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种。

　　①远红外激光器，输出波长范围处于25～1000微米之间，某些分子气体激光器以及自由电子激光器的激光输出即落入这一区域。

　　②中红外激光器，指输出激光波长处于中红外区(2.5～25微米)的激光器件，代表者为CO2分子气体激光器(10.6微米)、CO2分子气体激光器(5～6微米)。

　　③近红外激光器，指输出激光波长处于近红外区(0.75～2.5微米)的激光器件，代表者为掺钕固体激光器(1.06微米)、CaAs半导体二极管激光器(约0.8微米)和某些气体激光器等。

　　④可见激光器，指输出激光波长处于可见光谱区(4000～7000埃或0.4～0.7微米)的一类激光器件，代表者为红宝石激光器(6943埃)、氦氖激光器(6328埃)、氩离子激光器(4880埃、5145埃)、氪离子激光器(4762埃、5208埃、5682埃、6471埃)以及一些可调谐染料激光器等。

　　⑤近紫外激光器，其输出激光波长范围处于近紫外光谱区(2000～4000埃)，代表者为氮分子激光器(3371埃)、氟化氙(XeF)准分子激光器(3511埃、3531埃)、氟化氪(KrF)准分子激光器(2490埃)以及某些可调谐染料激光器等。

　　⑥真空紫外激光器，其输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50～2000埃)代表者为(H)分子激光器(1644～1098埃)、氙(Xe)准分子激光器(1730埃)等。

　　⑦X射线激光器，指输出波长处于X射线谱区(0.01～50埃)的激光器系统，目前软X射线已研制成功，但仍处于探索阶段。

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　　激光器顾名思议就是激光设备Z核心的重要配置，激光器在选择时需要根据不同的使用设备进行参考的选配，才能为激光器与设备之间形成互补互助的使用产生良好的激光使用功能。

激光器的应用

　　由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、YL、军事等各方面。

　　1、激光通信

　　激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。激光通信的应用主要有以下几个方面：①地面间短距离通信;②短距离内传送传真和电视;③由于激光通信容量大，可作导 弹靶场的数据传输和地面间的多路通信。④通过卫星全反射的通信和星际通信，以及水下潜艇间的通信。

　　2、激光加工技术

　　激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术。

　　①激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器;

　　②激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器;

　　③激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器;

　　④激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器;

　　⑤激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主;

　　⑥激光快速成型(将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主);激光涂敷(在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主)。

　　3、YL应用

　　激光器在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光ZL，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床ZL的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。

　　4、激光用作热源

　　激光器的激光光束细小，且带着巨大的功率，如用透镜聚焦，可将能量集中到微小的面积上，产生巨大的热量。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔;激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在YL、农业的实际应用上取得了良好效果。

　　5、激光测距

　　激光作为测距光源，由于方向性好、功率大，可测很远的距离，且精度很高。

激光器的选购

　　激光器是激光设备的心脏，一个好的激光器，应该具备理想的模式，稳定的功率等要素。如何选好激光器要看以下五要素：

　　1、激励模式：二氧化碳激光器是采用电极激励二氧化碳气体而产生激光，按照金属电极的安装位置可分为直流激励和射频激励。

　　2、光束发散角：从严格的角度来讲，光束发散角不属于激光器部分的内容，但是因为激光器的模式对远场发散角影响很大，所以我们把它放在这里一起讨论。光束发散角对切割质量的影响体现在切口的宽度和坡度上，越小的发散角切口宽度越窄，坡度越小，因而质量越高。

　　3、激光频率：激光输出分脉冲输出和连续输出，用于切割和焊接的激光主要采用脉冲输出方式，脉冲频率主要影响切割的速度和切口粗糙度，要获得高速切割，高频率是必不可少的。目前大多数厂家生产的二氧化碳激光器频率都在5000Hz以内。

　　4、激光模式：是衡量激光质量Z重要的指标之一。可分为单模，基模和多模。基模既TEM00模，它在X和Y轴上的指数均为0，所以是一个理想的圆点。采用TEM00模的激光可以获得Z小的光束直径，在切割加工中因其光斑小而获得Z小的切缝及更快的切割速度。而多模更是在XY方向上均为非0指数，其光束质量较差，一般只用与焊接而不用与切割。

　　5、激光功率：包括峰值功率，能量稳定性等要素。不同功率在金属板材的切割中可切穿的厚度不同，以150W的CO2激光器为例，它可切割20mm以内的亚克力板，或18mm以内刀模板;而90W以下的CO2激光器只可以切割12mm以下的亚克力板，8MM以下的木板。功率的另一个指标是功率稳定性，率稳的功率是的切割质量的保证，功率稳定了才能保持切割口的光滑平整。

　　另外，在使用激光器的过程中，长期生产对激光器也是一个非常重要的考验。直流激励激光器由于电极烧蚀，导致在长期工作状态下功率衰减。另外，由于有的激光器的真空泵和涡轮泵采用润滑油进行润滑，导致润滑油污染激光谐振腔，而减短了激光器寿命，所以，如果可以让你的机器在工作一段时间后可以得到休息半会是Z好的。

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