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解決方案
激光器的種類與結構
2021-01-08
二、激光器的結構，激光器一般包括三個部分。
1、激光工作介質(zhì)
激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉世非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外道遠紅外，非常廣泛。
2、激勵源
為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。
3、諧振腔
有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。
下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質(zhì)量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發(fā)明的激光器所產(chǎn)用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。
紅寶石激光器中，用高壓氙燈作“泵浦”，利用氙燈所發(fā)出的強光激發(fā)鉻離子到達激發(fā)態(tài)E3，被抽運到E3上的電子很快（～10－8s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E2到E1的自發(fā)輻射幾率很小，壽命長達10-3s，即允許粒子停留較長時間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實現(xiàn)E2和E1兩能級上的粒子數(shù)反轉。從E2到E1受激發(fā)射的波長是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個光脈沖的持續(xù)時間不到1ms，每個光脈沖能量在10J以上；也就是說，每個脈沖激光的功率可超過10kW的數(shù)量級。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過程中涉及到三條能級，故稱為三能級系統(tǒng)。由于在三能級系統(tǒng)中，下能級E1是基態(tài)，通常情況下積聚大量原子，所以要達到粒子數(shù)反轉，要有相當強的激勵才行。
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