皮秒激光器的原理及应用
皮秒激光器的原理及应用
?激光技术对国民经济及社会发展的重要作用：激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备等领域都起到重要作用。激光产业在我国发展了五十多年，已经与多个学科形成了不同类型技术应用，比如光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。
激光器及其配件在激光产业的整个产业链中占有非常重要的地位，属于技术和专业性都很强的产业。
激光通信、激光存储和激光显示主要应用在信息领域。激光加工（包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用广泛。
超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工厂的地板上发现这些应用的工业副产物。在工业应用中，除去质量因素以外，可重复生产性和每个零件的成本也是很重要的标准。
激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。每个零部件的成本基本上和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。高附加值，高重复率的生产力，可靠的技术等所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。
皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在The Photonics West2005上被报道。
20ps脉冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。不同的同心圆环形成一个园盘，去除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。在过去几年中，绝大多数超快激光器制造商集中精力在飞秒激光器的开发上。这些激光器需要一种复杂的CPA技术来保持峰值功率密度在某一个损伤阈值下的放大阶跃内。用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限制在几KHZ。比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是有利的。柴油机的注入喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要进一步的清洁处理。
LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器STACCATO。因为它的脉冲时间在皮秒范围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。激光工作物质Nd：YVO4允许用激光二极管直接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频率。STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚焦。
?与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。在紫外光谱区域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。从STACCATO发出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激
光波长532nm，355nm和266nm。当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲打到材料上时冷切除被触发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。因此对一个好的结果而言，不但超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。据证明像开孔这样的工艺对微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当的使用辅助气体和真空喷嘴也很重要。热引起的裂纹，液化点可以通过使用适当的加工策略避免。图2左右分别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离子体的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设计得理想。下面的考虑涉及到超快激光器对靠近表面的材料的精密去除的理想的参数。
在许多实验中一般的经验表明，如果在合理的的去除速率条件下最好的精度可以通过功率密度选择在5-10倍的阈值超短激光脉冲获得。对金属而言，这意味着10PS的脉冲的能量密度应该为1J/cm2。如果微机械加工的激光束被聚焦成典型的直径10μm的光斑，那么最佳的脉冲能量应该为1μJ。在这种情况下每个激光脉冲熔化的材料厚度的典型值为10-100nm，等离子的形成是最小的，质量是很好的，可以加工出来0.1μm精度的微结构。
STACCATO皮秒激光器的100个脉冲处理后，材料按照定义的方式被去除，以致激光束的轮廓被映射到材料上。有希望的实际应用是为机械，化学，液体设计的金属部件的表面加工。皮秒激光器激光加工可以进行几乎所有高生产率的结构加工。结构是通过STACCATO激光器在50KHZ，将532nm的光辐射聚焦到直径为25μm的一个点上加工出来的。涡轮叶片表面的适当设计的结构能非常显著地减小摩檫力，燃料消耗和环境损坏。
作为上述内容的总结，表面加工激光器应该有皮秒级的脉冲持续时间，几μJ的中等脉冲能量和非常高的重复率。这样的激光器最近由LUMERA投入市场，这款激光器名为RAPID。因为相对简单的设计，使RAPID这款激光器具有尺寸小的，结构紧凑的特点，它由皮秒激光振荡器，放大器和非常快的Pockels核组成，以致它能提供高达500KHZ 的重复率。超快激光器的微机械加工要求各种加工参数。RAPID的重复率可以从外部进行控制。单脉冲工作，突发模式或任何外部定义的脉冲序列都可以通过TTL脉冲来触发。这致使各种加工策略成为可能，并能提供光束路径的控制。光束束斑质量非常好，而且很稳定，在各种重复率的不同环境下几乎没有任何影响，这些特点是非常显著的。RAPID 的激光束几乎接近衍射极限因此表现出良好的可聚焦性。它的脉冲持续时间大约为
10ps，脉冲能量即使在高的重复率和转换成532nm，355nm，266nm的条件下也是足够超过去除金属的阈值能量的。脉冲与脉冲的能量变化小于1%rms。
RAPID激光器的技术设计中，其输出激光参数、可控性能等指标表明该激光器是金属表面加工的理想工具，如金属表面打孔，存储器的修补，以及在半导体工业中的打标等。
2μm激光器及其应用
?2um激光器的研究近来成为热门的课题之一，因为其在医疗等领域应用前景广阔。
人体组织中水的比例大约占70％，因而组织对光的吸收情况与水相似。水在中红外波段有两个强的吸收谱带，分别为2.5～4.0μm和5.6～10μm。因此，当激光与人体组织相互作用时，水对所用激光吸收系数的大小就决定了激光在组织中的穿透深度、损伤区域以及手术精度等。
Nd:YAG激光器的波长为1.06μm，可以用石英光纤传输，在医疗方面有不少应用。
但是，由于水对它的吸收仅为0.1cm-1，在有些外科手术中，它的穿透深度较深，损伤区域较大，手术精度不高，因此不宜使用。Er:YAG激光波长为2.94μm,水对它的吸收为3000cm-1，属水的强吸收波段。对医疗应用来说，铒激光器是一个十分理想的光源，然而令人遗憾的是：铒激光不能用石英光纤传输，能够传输铒激光的非石英光纤容易断裂，防碍其临床应用。
Ho:YAG激光波长为2.1μm，位于水较强吸收谱线。水对其吸收约为25cm-1，是水对Nd:YAG激光吸收的250倍。显然，水对Ho:YAG激光的强吸收使其可以在大部分软组织和硬组织中产生浅的穿透深度、高的手术精度和独特的凝血作用，大大限制了损伤区域。在未来几年中，它将逐步取代Nd:YAG激光器。虽然水对钬激光的吸收只是水对铒激光吸收的一百二十分之一，然而钬激光能用低OH-的石英光纤传输，这就使钬激光能有效地工作在气体和液体环境中，为医生切除软骨和其它硬组织提供精确的途径，使钬激光成为现有激光内窥镜系统中最适宜的光源[37]。钬激光在软组织中的外科手术精度与CO2激光相比较，可能略低于CO2激光的手术精度，然而它能为大部分组织提供更好的凝血功能。除此之外，二者之间的最大区别是CO2激光不能用石英光纤传输，只能借助于笨重的关节臂来导光，十分不便；而能用光纤传输的脉冲钬激光则是切除和烧蚀软骨以及其它硬的钙化的组织的有效工具。因此有人称钬激光对于CO2激光来说具有挑战性，在某些手术中钬激光具有取代CO2激光的潜力。
由于人体其它部分组织也都含有大量的水分，由此可以推出，人体组织对2.1μm的钬激光均有强烈的吸收作用，这一特点使得钬激光器在医学上有着广阔的应用前景。
激光制冷的发展、应用及其它制冷技术
?制冷技术在促进国民经济建设以及推动科学技术发展中具有极其重要的作用，在农业方面，如在水果蔬菜产区，储存水果蔬菜即需要大量的冷库寻找和开发更优越的低温制冷技术一直是农产品储藏领域的研究热点。
随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，与国计民生息息相关的制冷空调行业也面临着新的机遇和挑战，传统的制冷方式也逐渐暴露出其缺点和不足，尤其是限制破坏臭氧层物质和温室效应气体相关协定的出台，对蒸汽压缩式制冷方式提出了严峻的考验。
不管是超导还是BEC，超低温都是其必不可少的条件。从热力学开创至发展以来。
绝对零度一直是一个可望而不可及的温度，尽管我们不可达到，但我们都试图去接近它。
不仅是在热力学，在其他领域，绝对零度都是一个很值得去深究的问题。我们通过一些超低温实验来验证或者发现某些规律。而激光制冷具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、环保等优点，是我们努力研究的制冷方向，是通向超低温领域的一个必不可少的途径。
一、激光制冷原理
激光制冷原理有两种：多普勒制冷技术和反斯托克斯荧光制冷技术。
1.温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
众所周知，我们周围的一切分子和原子都在进行着永不停息的无规则的热运动。而我们制冷的实质就是降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度。
激光制冷中的一个很重要的技术就是多普勒冷却技术，多普勒冷却技术的原理就是通过激光发出光子来阻碍原子的热运动，而这个阻碍过程则是通过减小原子的动量来实现的。那么，激光究竟是如何来减小这些原子的动量呢？
首先，量子力学提出，原子只能吸收特定频率的光子，从而改变其动量。多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。同样，对于原子也是如此，当原子的运动方向与光子运动相反时，则此光子的频率将增大，而当原子运动方向于此光子运动方向相同时，则此光子频率将减小。然后的话，另一个物理学原理就是光虽然没有静质量，但其具有动量。
那么综合以上几个个物理学特性，我们就能构建出激光冷却的简单模型。
激光器的频率在一定范围内是可调的，而把激光器的频率调至略低于某原子的可以吸收的频率时，就会有意想不到的结果。当用这样一束光照射某一特定的原子时，就会发生这样的情况。如果原子是向着激光束运动时，由于光的多普勒效应，则光子的频率增加，而原来激光光子的频率刚好是略小于原子的可吸收的频率，则此时由于多普勒效应则刚好被原子吸收。而这一吸收表现为动量改变。因为光子的运动方向与原子的运动方向相反，则在光子与原子碰撞之后，原子跃迁到激发态，并且动量减小，故动能也随之减小。而对于其他运动方向的原子，则其对应的光子的频率不会增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不会有动量增加这一现象的发生，相对于动能来讲也是一样。
当我们用多束激光从不同角度来照射原子，则在不同运动方向上的原子的动量都会减小，从而动能减小。而由于在激光只减小原子的动量，所以在此过程持续一段时间后，大多数的原子的动量就会达到一个很低的水准，从而达到制冷的目的。
但此技术所应用的范围大多是用于原子冷却，而对于分子，这种方法很难将其冷却到超低温。但超冷分子比超冷原子的意义更大，因为其属性更为复杂。目前，冷却分子
的方法是将超冷碱原子结合在一起，产生双碱分子。不久之前，耶鲁大学就曾经将氟化锶（SrF）冷却到几百微开。
? 2.另一种激光制冷也称反斯托克斯荧光制冷(AntistokesFluorescentCooling)，是正在发展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差实现制冷。反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短因此，散射荧光光子能量高于入射光子能量，其过程可简单理解为：用低能量激光光子激发发光介质，发光介质散射出高能量的光子，将发光介质中的原有能量带出介质而制冷。与传统制冷方式相比，激光起到了提供制冷动力的作用，而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体。
由于制冷材料对泵浦光的吸收有限，激光冷却材料一般含有杂质离子如Cu2+Co2+Cr3+，杂质中心会导致荧光猝灭和非辐射的多声子驰豫振荡和竞争，从而导致制冷效率降低，当前试验效率均不高于3%
目前国内外研究主要集中在：
①进一步深化理论研究，寻找更适合能级结构的原子离子或其他基团，作为制冷元
件的荧光中心，以提高制冷循环的制冷量和制冷系数；
②优化光路设计，提高激光利用率；
③提高介质纯度，减少杂质引起的制冷消耗；
④改进系统设计，提高系统绝热系数，优化系统整体结构。
?二、激光制冷的发展
1.普勒激光制冷的发展
1975年，T.W.Hānsch和A.L.Schawlow首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。他们的方法是：把激光束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率，利用多普勒原理就可使中性原子冷却。
1985年，华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相对互相垂直的六束激光使原子减速。他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻碍下来，之后把钠原子引进六束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征波长长一些。而其效果就是不管钠原子向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。从而在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。大家给这种机制起了一个绰号，叫“光学粘胶”。但由于重力的作用，这一现象并为维持多久，因为其并未使原子陷俘。
1987年，磁光陷阱被做成，从而有了新的突破，它是用上述六束激光再加上两个线圈组成。线圈产生微小变化的磁场，该磁场最小值处于激光相交的位置，由于塞曼效应。
就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。从而原子被约束在一个很小的区域。以便科学研究。
亚多普勒冷却
从多普勒激光冷却原理可知，多普勒激光冷却是有一个温度极限的，但是，科学家们却发现冷却的原子温度却低于这个极限温度。于是，又产生了亚多普勒冷却。
?1988年初，菲利普斯和他在美国国家标准技术院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠原子冷云团。他们发现，原子的温度约为40μK，比预计的多普勒极限240μK 低得多。他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。
之后，科学家们便作出了产生这一现象的理论解释。原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。故而，人们将这种新的冷却机制称为“偏振梯度冷却”。
1989年，菲利普斯访问巴黎，他与高等师范学院的小组合作，共同证明了中性铯原子可以冷却到2.5μK。他们发现，和多普勒冷却一样，其它类型的激光冷却也有相应的极限。以从单个光子反冲而得的速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限。之后为了突破这一极限，法国的研究小组和美国斯坦福大学的研究小组分别提出了速度选择相干布居数囚禁(VSCPT，VelocitySelectiveCoherentPopulationTrapping)和拉曼跃迁冷却(RamanCooling)的冷却方案。
2010年，科学家使用激光，把分子冷冻到接近绝对零度，这是单分子激光制冷首次达到这样的低温。向控制物质化学物理过程，制造量子计算机迈进了一大步。
上世纪七八十年代，物理学家就能将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。基本原理就是用激光作用在原子上使之减速。当原子被冷冻到接近绝对零度时，它们就会遵守特殊的量子力学定律。在与它们的低能级相应的状态下振动，这被用作超敏加速计和量子钟，原子本身也会粘在一起形成一种“超级原子”，这就是著名的“玻色—爱因斯坦凝聚”。
?对分子制冷要比对单个原子更加复杂。原子可以通过激光来制冷，因为来自激光束的光粒子被吸收后，原子会重新发出一个光子，从而减少动能。经过上千次这种反应滞后，原子就被冷冻在绝对零度附近十亿分之几的范围内。但分子比原子更重，更难对激光起反应。而且，分子会以原子键和旋转、自旋的方式储存能量，这些因素都让分子很难变冷。
2.反斯托克斯荧光制冷的发展
早在1929年，PPringsheim就提出通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的设想，但遭到SV当日咯烷等人的强烈反对。其后，他与反对派物理学家SVdrilow等人进行了长达16年的论战，论战的焦点主要在于该制冷方法是否违背热力学的基本原理。
1946年著名的物理学家LLandan利用热力学的基本原理，吧发光物体与光组成的系统作为热力学研究对象，证明了利用激光制冷是可能的。
1950年，法国学者AlfredKastler发现了“Lumino-caloric”效应。他紧紧报道了实验中系统温度升高的速度变小，没能观察到系统的温度降低。
1995年，美国LosAlamos国家实验室空间制冷技术研究组的Epstein及同事首次通过激光诱导反斯托克斯荧光在固体材料上成功地获得可测量的制冷量。
1999年，低温物理学家EFinkeipen利用掺杂蓝宝石激光器激发GaAs/GaAlAs半导体量子阱材料的空穴激子，实现空穴激子的反斯托克斯荧光发射，给出了不同温度下制冷效率与制冷温度的关系。
中国科学院激发态物理开放实验室的科研人员在理论研究中，先后提出了反斯托克斯荧光制冷的单中心制冷物理模型、能量传递模型及双机制并行的物理模型
?三、激光制冷应用与展望
首先，得介绍一下，在二十世纪七八十年代以后，科学家们在实验室能够达到的最低温度可用μK作单位的温度了。可想而知，激光冷却与我们科学研究的意义。激光制冷的优点是可冷却温度低，但其也有局限性，因为其可冷却空间极小。
激光制冷技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标(原子钟)，后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。激光冷却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、费米子凝聚态、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。然后还有最近的超冷分子，其为量子计算机的制造提供了可能性依据。
玻色-爱因斯坦凝聚
提到激光制冷就不得不提到BEC（Bose-Einsteincondensation）玻色-爱因斯坦凝聚。早在1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念，并且将这篇论文寄给了爱因斯坦，进过对这一问题进行研究之后，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变-新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说的玻色-爱因斯坦凝聚。
但由于一直无法使物质接近接近绝对零度，从而一直未观察到此状态。之后，从20世纪90年代以年来，由于大家所熟知的三位物理学家（Chu（朱棣文），Cohen，Phillips)的杰出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件。直到1995年，人们从实验室获得了这一状态。
?由于BEC的种种性质，我们可以利用BEC的这些特殊状态做出些通常物质无法做到的东西。这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。又比如说原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。除此之外，原子激光也是BEC产物。而且与此相对的费米子凝聚态也是通过BEC达到，其将促进人们对超导的研究。然而促成这一切的就是激光制冷。
超冷分子
这种超冷分子有助于科学家研究量子力学的化学属性。超低温度下，极性分子可被看作是微小的磁体，有着南北两极，研究人员可利用这一性质，构建一个反应系统，让极冷粒子在其中相互反应，而这用超冷原子是做不到的。
研究人员表示，最终超冷材料将应用在量子计算机上。由于超冷分子具有“磁体”特征，这意味着分子之间能通过磁场互相反应。使它们能执行分类量子计算，可能会突破现有计算机的编码和解码问题，实现量子重叠与牵连原理产生的巨大计算能力。这是当前最大的超级计算机由于物理化学方面的限制而无法实现的。
量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。
量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的，量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的。
大规模集成电路
对于大规模或超大规模集成电路来说由于内部的电子元件数量巨大，往往发热都非常严重。对其制冷后，它可以在85℃以下正常工作，工作温度相对来说比较高。而较高的工作温度对于荧光制冷意味着比较高的制冷效率。
空间遥感领域
目前空间探测器上普遍使用的致冷方式主要有：辐射致冷，固体致冷，机械致冷等，但由于空间环境的特殊性，空间致冷必须具备质量轻，体积小，寿命长，低功耗，低振动，低电磁辐射等特点。以上几种方式均存在缺陷，而激光致冷完全具备以上特点，且寿命长。
激光制冷从提出至今不过几十年的发展，但其所在科研领域做出的贡献却是无可比拟的。它不仅涉及各个领域，而却通过超低温的实现，验证不少理论的完备性，并且通过超低温试验，使某些比较离奇的设想成为可能。然而，其也有很多不足，比如说冷却效率不高、冷却范围小等，这是值得我们去完善的。制冷技术发展面临最重要的问题在于不断提高其环保和节能性能当前，激光制冷技术发展迅速，尽管还没能得到广泛的推广应用，但其优越性已得到了肯定，小范围的应用已比较普遍可以预见，激光制冷技术的研究发展必将极大地推动工农业生产的发展。
四、以下介绍目前国内外正在研制的新型制冷技术。
1.半导体制冷
半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷，其理论主要依据是贝塞尔效应和珀尔贴效应其热电对由半导体材料制造，热电对有2条电偶臂，分别用P型和N型半导体制造电偶臂的两端均有金属片，称为汇流条当有电流流经热电对时，在其两端处会产生帕尔贴效应，一面形成冷端，另一面形成热端，冷端从外界吸热，热端对外放热把这样的热
电偶串联到电路中，借助于其他传热器件，使热电制冷组件的热端不断放热，把其冷端放到需要的工作环境中即可降温。
?半导体制冷无机械运动无磨损无噪音运行可靠制冷迅速，可做成重量轻体积小的微型亚微型小型半导体制冷器它不使用制冷剂，绿色环保，可在失重或超重等极端环境下运行，而且便于通过工作电流来实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制方法，容易实现遥控程控，便于自动化；其缺点是制冷效率较低。
当前，其研究集中在对半导体材料的研发模块设计制造和系统优化设计等方面影响其制冷效率的主要因素是材料的电导率和热导率其在工业医疗军事航空日用品等多方面有着广阔应用前景：
①工业热电制冷零点基准仪的应用就是对传统以冰块作为零度基准点的重大创新；
②医疗可用于对高烧病人的降温，在外科手术中实施冷冻麻醉等；
③军事应用于导弹雷达装置中红外探测器的冷却等；
④航空太空望远镜的热设计中就利用了半导体制冷，其正被研究应用于控制红外探
测器的工作温度提高光纤陀螺惯导系统温度稳定性迅速达到稳定工作状态方面；
⑤日用品日常生活中，半导体制冷可用于冰箱空调电脑CPU散热；对温度反应灵敏
使用条件严格的电子元器件，用半导体制冷很适合在高精尖科技领域内，常对各种电子元器件的温度性能要求很高，为了定标测量标准电子元器件的温度性能，国产超级恒温槽采用半导体制冷，温度控制精度可在0.005左右此外具有我国自主知识产权的高效半导体热电元件其优值系数已在原来的基础上成倍增长，可超过1.310-2K，现在高效的半导体制冷器在温差50时，制冷系数大于3，制冷效率高于常规压缩机。
? 2.磁制冷
磁制冷（又称磁卡效应，Magneto-CaloricEffect）即利用磁热效应制冷磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量对与铁磁性材料，磁热效应在其居里温度（磁有序-无序转变的温度）附近最为显著，当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放热；反之当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸热。
它采用磁性物质作为制冷工质，也不导致温室效应其运动部件少，减小了机械振动和噪声，可靠性高，效率高（能达到卡诺循环的30％60%）其应用范围广，从KmK直到室温以上均适用；在低温（制取液氮液氦液氢）领域和高温（特别是近室温）领域都有广泛应用前景。当前，低温区（20K以下）磁制冷的研究已比较成熟并实用化高温区磁制冷还处于试验研究开发阶段，目前80K至室温的磁制冷技术是研究的热点研究出低成本且具有巨磁卡效应的材料以及利用NdFeB等永磁体产生外场（不用结构复杂而昂贵的超导磁体）是室温磁制冷关键。
面临的主要困难：①每次磁制冷循环所产生的温差还不够大，只有13K，磁性材料磁熵太小；②热交换速度不够快，使制冷周期延长，整个循环效率下降；③室温条件下，不利用超导技术，仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场，则两磁极面总存在空气隙，进入磁场的磁制冷材料有限，这要求有绝热效果好的隔热层。
其突破方向：①磁场分析，完善磁体结构；②针对相应的温区选择换热介质，设计出最佳的热开关或换热回路，提高换热效率；③制冷材料的研制，通过改进工艺和材料重组制备性能更优越的材料。
磁制冷技术可广泛应用于木本植物高体革鯻精子怀山药种质资源的包埋玻璃化茅苍术种质资源等的超低温保存，以及水果冷冻贮藏方面此外在极低温和液化氦等小型装置中，其高效无污染无噪声等众多特点使其在未来的太空开发和民用需要方面让人充满期待；在要求制冷源设备重量轻振动和噪音小操作方便可靠性高工作周期长工作温度和冷量范围广的国防领域也有很好前景。
? 3.化学吸附式制冷
化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面原子发生化学反应，生成表面络合物的过程无规则运动的气态吸附质分子与固体表面发生碰撞，如果是弹性碰撞，则气相与固相表面均不发生可察觉变化；若发生非弹性碰撞，气相分子一部分能量将被固相分子吸收当气态分子与表面碰撞损失的能量超过某一临界值后，分子将没有能力爬出表面势阱而被俘获一个基本的化学吸附式制冷系统由吸附反应器和冷凝器蒸发器构成，工作过程由加热解吸和冷却吸附组成。
吸附式制冷采用低品位能源（太阳能和废热）作驱动源，工质对环境无污染其整体结构简单可靠，操作方便，无运动部件，使用寿命长，运转费用低廉，无噪声，特别适用于无电地区有大量低品位余热排放的工业过程及震动频繁的移动机械上。当前对吸附制冷的研究主要集中在对吸附特性和循环特性的理论分析上由于化学吸附工质的使用寿命短，反应速度慢，系统的导热效率低，使得吸附制冷的发展和推广利用受到限制。
近年来，化学吸附制冷技术得到了初步应用如法国国家科学研究中心研制了化学吸附供热/制冷机组，其容量为制热60kWh制冷40kWh；上海交通大学研制出了以氯化钙/活性炭-氨为工质对的高效复合交变热管型化学吸附制冰机组该技术以其绿色环保节能等优势，在农业生产科技制冷空调领域具良好发展潜力，在低品位热能回收再利用及太阳能等新能源开发方面具有广阔应用前景。
4.热声制冷
热声效应即可压缩流体的声振荡与固体介质由于相互作用而产生时均能量效应当处于声场中的固体介质与振荡的流体之间有相互作用时，在距固体壁面一定范围内沿声波传播的方向会产生一个时均热流，并在该区域内产生或吸收声功。
热声制冷分线性制冷和非线性制冷两种线性热声理论已经成熟，非线性热声理论的研究也不断取得发展，热声制冷机正朝着利用低品位能源的目标前进。热声制冷具环保结构简单无可动部件运行可靠等优点，使其在食品冷冻冷藏天然气液化普冷领域空调回收掩埋式垃圾场产生的可燃性气体以及石油液化分离等方面有广阔的应用前景。
?近几年，热声理论与试验同步进行，取得了很大进展国外正在开发微型热声制冷装置，利用压电驱动器来驱动与微制造结合的热声元件和谐振腔，应用于微电子芯片和微电子电路系统的散热冷却目前样机使用一个大气压的空气工质，压电喇叭作为声驱动器，制冷温差达到11；由于其仅是试验样机，还有许多改进空间（如用其他惰性气体提高工质的均压及改进谐振腔形状等）。
5.太阳能制冷
主要类型及原理主要有吸收式吸附式冷管式除湿式喷射式和光伏等制冷类型。
6.辐射制冷陆地地面将自身热量以电磁波形式辐射到外太空，达到自身冷却的目的
辐射制冷技术在太阳能的热技术利用中已引起了广泛注意实现辐射制冷的方法主要有2种：①透明盖板和选择性辐射体的组合；②具有选择透过特性的盖板与黑体辐射体的组合。
7.噪声制冷利用微弱的声掀动来制冷的新技术，当前第一台样机在美国已试制成功。
8.铁电致冷利用逆热释电效应-电生热效应，即在绝热条件下对铁电材料施加外电
场，其温度发生变化的现象外加反向电场诱使极化后材料热熵熵值发生改变，由有序低能量状态进入无序混乱的高能量状态，从外界吸收能量使熵值增大，从而致冷。
9.余热制冷核心是化学压缩，直接利用一次能源(热能)驱动，几乎不需运动部件当前，
利用余热驱动制冰机制冰用作小型冷库已经应用于渔轮，在氯碱生产中的应用也得到深入研究。
皮秒连续锁模激光技术
所谓皮秒连续锁模激光器，就是脉冲宽度压缩到ps量级（10-12s）的“超短”脉冲连续锁模激光器。按照泵浦方式，可以分为灯泵浦皮秒连续锁模激光器和半导体泵浦皮秒连续锁模激光器；按照锁模方式，可以分为半导体可饱和吸收体连续锁模皮秒激光器和染料连续锁模皮秒锁模激光器；按照激光媒质，可以分为固体皮秒连续锁模激光器和光纤皮秒连续锁模激光器等。
一般采用半导体可饱和吸收镜作为锁模器件，LD泵浦的皮秒连续锁模激光器。所谓半导体可饱和吸收镜，一般是采用外延法将半导体可饱和吸收体直接生长在半导体布拉格反射镜上，因此被叫做可饱和半导体布拉格反射镜(Saturable Bragg Reflector，简称SBR)或半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,简称SESAM)。
所谓SESAM，它是一种将半导体可饱和吸收材料和反射镜结合在一起的新型器件，当激光入射到可饱和吸收体表面时，下能级的粒子受到激发跃迁到上能级，当上能级的粒子数饱和后，吸收体便被漂白。半导体可饱和吸收体具有两个特征的驰豫时间：带内驰豫时间和带间驰豫时间。带内驰豫时间很短，约为100-200fs；而带间驰豫时间相对较长，约为几皮秒到几百皮秒。在SESAM锁模过程中，带间驰豫时间提供了锁模自启动机制，带内驰豫时间有效压缩脉宽、维持锁模稳定。
1965年，H.W.Mocker 和R.J.Collins等人首次报道了采用半导体可饱和吸收体锁模的固体激光器，然而当时广泛的认为，采用半导体可饱和吸收体锁模无法实现
Nd:glass、Nd:YAG、Nd:YLF等晶体的固体激光器的纯的连续锁模，主要因为可饱和吸收体可利用的参数范围有限。而这些晶体的上能级寿命比较长，一般大于100μs，且没
有Q调制和Q调制锁模。然而，随着技术的发展，半导体可饱和吸收体的吸收波长、饱和能量、恢复时间得到精确的控制。到1992年，U.Keller等人将反共振的发布里-珀罗标准具可饱和吸收体(antiresonant Fabry-Perot saturable absorber,A-FPSA)用于
Nd:YLF和Nd:YAG激光器的腔内，首次实现固体皮秒激光器的被动锁模。1993年，他们将此项技术用于解决KLM锁模的自启动问题。如今，采用SESAM已经实现了多种晶体的连续锁模皮秒激光器，如Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YLF等，特点效率较高，稳定性高。
采用SESAM实现皮秒锁模的激光器刚刚兴起，普遍用在国防、精细加工等领域，诸如受控核聚变、等离子体物理学、化学及物理动力学、生物学、医学、光谱学等，特别用于高精度激光卫星测距、非线性频率变换、医疗诊断、激光切割、激光打孔、激光雷达与大气探测、激光精细微加工、激光内雕等领域，具有巨大的经济价值。
高稳定性大功率全固态皮秒激光器结构小巧，系统稳定。作为大功率皮秒激光器的种子源，在激光显示技术和自由电子激光器等方面有潜在的应用价值，通过一到二级功率放大，再利用倍频、三倍频、四倍频技术，实现绿光/紫外波段皮秒激光输出，就可以应用于太阳能电池划膜等精细加工领域。研究表明：超短激光脉冲减小了热效应，重复性更好。同时大量实验表明1064 nm的皮秒激光可以作为一项通用的技术被应用于CIS 薄膜太阳能电池加工中的所有过程。最新型的皮秒激光器具有高的重复频率，加工所得的刻线具有高质量和高稳定性的特点，能够减少加工损耗，延长太阳能电池模块的寿命。
利用SESAM进行被动锁模，具有自启动、稳定性好、结构简单等优点，相对主动锁模元件，SESAM的各种优点更加突出，SESAM锁模比主动锁模获得的脉宽窄，能得到几个皮秒甚至更窄的脉宽，而且用于主动锁模的声光器件的频率随温度改变而发生变化，故必须经常调节其频率，使之与腔长相匹配。同样与用于被动锁模的可饱和吸收染料相比，SESAM不像染料那样需要频繁更换，很大程度上降低了激光器的成本，也加强了激光器的可操作性。由此可见，在半导体泵浦的全固态激光器应用SESAM锁模比起其他的锁模方式具有更大的优势，满足工业对高质量、高稳定性皮秒激光器的需求。
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器 固体激光器发展历程 固体激光器发展历程 固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。 这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：
具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉 、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；http://具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质 固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。 玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。 晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943
激光器激励原理
激光器激励原理 —固体激光器 1311310黄汉青 1311343张旭日辅导老师：
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 1引用 世界上第一台激光器—红宝石激光器（固体激光器）于1960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。 固体激光器从其诞生开始至今，一直是备受关注。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。 未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展： a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量 现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 2激光与激光器
2.1激光 2.1.1激光（LASER） 激光的英文名——LASER，是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写[1]。2.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件[2]： 1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； 2)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转； 3)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 3固体激光器 3.1工作原理和基本结构 在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。 如图1所示,固体激光器的基本结构（有部分结构没有画出）。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用
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编号 赣南师范学院学士学位论 文 固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别2010届 专业电子科学与技术 学号 060803０13 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 201０.5.10
目录 摘要 ............................................................................... 错误!未定义书签。关键词 ........................................................................... 错误!未定义书签。Abstract ....................................................................... 错误!未定义书签。Kｅy words ................................................................... 错误!未定义书签。1引用2? 2激光与激光器 ........................................................ 错误!未定义书签。 2.1?激光 ........................................................................ 错误!未定义书签。 2.2激光器 ............................................................... 错误!未定义书签。３?固体激光器 .............................................................. 错误!未定义书签。３．1?工作原理和基本结构 ........................................ 错误!未定义书签。３．2?典型的固体激光器?错误!未定义书签。 ３.３典型固体激光器的比较?错误!未定义书签。 3.4固体激光器的优缺点?错误!未定义书签。 4固体激光器的应用?错误!未定义书签。 4.1?军事国防?错误!未定义书签。 4．2?工业制造?错误!未定义书签。 4.3医疗美容?错误!未定义书签。 5结束语 .................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ....................................................................... 错误!未定义书签。
第一台激光器——红宝石固体激光器
第一台激光器——红宝石固体激光器摘要：本文主要回顾了第一台激光器的研制历程，介绍了红宝石激光器的工作原理和它的发明者梅曼先生。 一、发展历程 1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”( Light amplification by the stimulated emission of radiation )。爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到. 1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。 1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。 1934年，克赖克汤和威廉}i} i}i}于振荡器发现了电磁波和分a:.的相互作用。这是最旱期的电磁波谱学实验。 30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础. 1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础. 1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备.他们开始着手进行微波波谱学山研究。当时，韦伯(Webber )、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫(11po1。二。。)以及汤斯("l}ow'nes)等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。这是激光理论发展的重要起点. 1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。 关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。这是哥伦比亚大学的兰姆( Larnb)和另一同事的共同成果。他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。 作为激光的物理基础—受激辐射早在1917年就为人所知.可是，从1917年到1950年30多年来，在实验上却一直没有人去证明这个过程的存在.人们以为，要想在小于一亿分之一秒的时间里进行原子受激发射的宏观观察是难于做到的。但在后来激光器制成后.实验工作并不象人们最初所设想的那样艰难。从1940年观察到离子数反转到激光器，这中间仅仅一步之差，可是这“一步”却一直走了20年. 人类对电磁波的利用和无线电技术的发展，使社会和生产急需把这种利用由无线电波段向微波波段扩展，这就导致了微波放大理论及其器件的产生. 1951年，美国的汤斯提出了利用受激辐射获得放大的原理首先获得微波放大的设想.同年，普塞耳(I'urcell)和庞德(Pound)用核磁共振所进行的一次实验，造成了粒子数反转，进一步确认了受激辐射过程，给微波放大器的产生带来了希望。其后，汤斯进行了两年半的艰苦工作，干1953年末和果尔登(Gordon )、
半导体激光器工作原理及主要参数
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
CO2激光器原理及应用
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)
摘要：本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器；基本原理；基本结构；应用； Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用 摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 1激光与激光器 1.1激光 1.1.1激光（LASER） 激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 1.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件： 1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分 子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； 2)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产 生粒子数反转； 3)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择 被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 1.1.3激光的特点 与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。
激光的原理及激光器分类
激光器的原理及分类 一、基础原理 量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很
长，就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子，在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转 通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。 三、光放大过程
固体激光器原理及应用
编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application
固体激光器的应用
固体激光器的应用 所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。距今已有整整五十年了，在这五十年固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃并且对人类社会产生了巨大的影响。固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。 固体激光器从其诞生开始至今一直是备受关注。其输出能量大峰值功率高结构紧凑牢固耐用因此在各方面都得到了广泛的用途其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用给我们的现实生活带了许多便利。现在激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域它标志着新技术革命的发展。诚然如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比我们不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 一、固体激光器的类别： 固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：Al2O3)、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd：YAG）、掺钛的铝酸忆（Nd：Y ALO）、掺钛的氟化忆锂（Nd：YLF）等多种。它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694．3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。 二、固体激光器的构造及原理： 在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。 固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激励，会发射出各种不同波长的激光。 早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器，来完成激光工作物质内原子的受激辐射过程的，这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电能直接转化为激光的能量，一直是人们梦寐以求的事情。近年来，科学家成功地研制出了半导体激光器，一旦接通电源，便会发出激光。选用不同的半导体材料和不同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
皮秒激光器的原理及应用
皮秒激光器的原理及应用 * 激光技术对国民经济及社会发展的重要作用：激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备等领域都起到重要作用。激光产业在我国发展了五十多年，已经与多个学科形成了不同类型技术应用，比如光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。 激光器及其配件在激光产业的整个产业链中占有非常重要的地位，属于技术和专业性都很强的产业。 激光通信、激光存储和激光显示主要应用在信息领域。激光加工（包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用广泛。 超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工厂的地板上发现这些应用的工业副产物。在工业应用中，除去质量因素以外，可重复生产性和每个零件的成本也是很重要的标准。 激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。每个零部件的成本基本上和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。高附加值，高重复率的生产力，可靠的技术等所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。 皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在The Photonics West2005上被报道。20ps脉冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。不同的同心圆环形成一个园盘，去除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。在过去几年中，绝大多数超快激光器制造商集中精力在飞秒激光器的开发上。这些激光器需要一种复杂的CPA技术来保持峰值功率密度在某一个损伤阈值下的放大阶跃内。用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限制在几KHZ。比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是有利的。柴油机的注入喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要进一步的清洁处理。 LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器STACCATO。因为它的脉冲时间在皮秒范围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。激光工作物质Nd：YVO4允许用激光二极管直接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频率。STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚焦。 * 与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。在紫外光谱区域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。从STACCATO发出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激光波长532nm，355nm和266nm。当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲打到材料上时冷切除被触发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。因此对一个好的结果而言，不但超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。据证明像开孔这样的工艺对微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当的使用辅助气体和真空喷嘴也很重要。热引起的裂纹，液化点可以通过使用适当的加工策略避免。图2左右分别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离子体的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设计得理想。
激光器原理及其应用讲解
激光器原理及其应用 应用化学0402班宋彬 0120414450201 摘要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、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。关键词激光器激光工作物质激励(泵浦系统光学共振腔分类及应用 正文： 激光器 laser 能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L. 肖洛和C.H. 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T.H. 梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A. 贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N. 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。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。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X 射线波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3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。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定向性和相干性。
现代激光器的分类 原理及应用..
NANCHANG HANGKONG UNIVERSITY 题目：现代激光器的种类及原理、应用 学院：测试与光电工程学院系光电系 专业班级：光电信息科学与工程 学号： 11085109 姓名：杨恒
前言 自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家T.H.Mainman博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。 激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。 激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
现代激光器 1、气体激光器（Laser) 气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。 根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。 原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。He-Ne 激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。它于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物。根据工作条件的不同，可以输出5种不同波长的激光，而最常用的则是波长为632.8纳米的红光。输出功率在0.5～100 毫瓦之间，具有非常好的光束质量。氦-氖激光器是当前应用最为广泛的激光器之一，可用于外科医疗、激光美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中学的实验室也在用它做演示实验 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子，激光跃迁发生在气体分子不同的振—转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2激光器。 离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子，激光跃迁发生在气体离子不同的激发态之间。采用的离子气体主要有惰性气体离子、分子气体离子和金属气体离子三类。其典型代表为Ar+激光器。
固体激光器的特点及应用
第一章引言 激光是人类在上个世纪所创造的最杰出的技术成就之一。自上世纪60年代，梅曼发明了全球首台激光器以来，激光技术的发展至今已经硕果累累，并且已经在人类社会的各行各业中普遍应用。 从固体激光器的出现到今天，一直都特别的备受大家的关注。因为它具有峰值功率高，输出能量大，以及结构紧凑耐用等特点，所以在各个方面都有广大的用途，具有不可估量的价值。有了这些优异的特点，固体激光器在科学研究、国防军工、工业生产、医疗健康等领域获得了大量的运用，使我们的日常生活越来越美好。 目前激光器的研究重点方向是使器件的体积愈来愈小、器件的重量愈来愈轻、效率愈来愈高、光束质量愈来愈好、可靠性愈来愈高、寿命愈来愈长、运转愈来愈敏捷的全固态激光器。全固态激光器的应用扩展到了我们生活的各个领域，它是应用领域中基础的、特别重要的核心器件，已经成为了我们日常活动中不可或缺的帮手。它的结构、输出功率、转换效率以及光束质量都取得了非常大的进步，具有强大的生命力。 全固态激光器汇聚了半导体激光器和固体激光器的特点，具有体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、运转灵便等优点，所以是前途光明的激光研究方向,它通过变频获得宽波段输出、便于模块化和电激励等应用优势，已经在科研、医疗、工业加工、军事等领域获得了广泛的应用，是新一代性能卓越的绿色、节能光源[1]。 现如今，激光技术在各个领域的广泛应用，已经是企业向信息化转型的不可缺少的推动力量，而且推动了一个完整的高新技术链条的有序成长。根据国外的相关资料统计，国外的激光产业发展状况呈现出繁荣昌盛的景象，市场需求不断上涨，每年以百分之二十以上的速度上升。如今，我国的激光市场发展稳定、增长速度飞快。根据统计报告，我国的激光产品在1999年的市场销售额仅为14.13亿，2005年达到了47.75亿。所以固体激光器的发展呈现出非常好的趋势，具有非常广阔的市场，有很大的发展空间。
激光器工作原理
激光器工作原理 1. 1. 引言 2. 2. 原子基础知识 3. 3. 原子形成激光的核心原理 4. 4. 激光器与原子的关系 5. 5. 激光 6. 6. 红宝石激光器 7.7. 三级激光器 8.8. 激光器类型 9.9. 激光器的波长 10.10. 激光器分类 11.11. 了解更多信息 12.12. 阅读所有物理学类文章 激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。从CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手电筒光束的区别何在呢？ NASA供图 美国国家航空航天管理局兰利研究中心（Langley Research Center） 的光学损伤阀值测试装置有三部激光器：高能脉冲钕-钇铝 石榴石激光器、钛-蓝宝石激光器和谐振氦氖激光器。 原子基础知识 整个宇宙中大约只有100多种不同的原子。我们看到的所有东西都是由这100多种原子以穷极无限的方式组合而成。这些原子之间排列组合的方式决定了构成的物体是一杯水、一块金属或是汽水瓶中的泡沫！
原子是永恒运动着的。它们不停地振动、移动和旋转，就连构成我们座椅的原子也是不断运动着的。固体实际上也在运动！原子有几种不同的激发状态，换言之，它们具有不同的能量。如果赋予原子足够的能量，它就可以从基态能量层级上升到激发态能量层级。激发态能量层级的高低取决于通过热能、光能、电能等形式赋予原子的能量有多少。 下图可以很好地阐释原子的结构： 最简单的原子模型 由原子核和沿轨道旋转的电子组成。 简单原子由原子核（含有质子和中子）和电子云组成。我们可以把电子云中的电子想象成沿多个不同轨道环绕原子核运动。 原子形成激光的核心原理 想一想上一页中的原子结构图。即便以现代技术观察原子，我们也无法看到电子的离散轨道，但把这些轨道设想成原子不同的能级会对我们的理解有所帮助。换言之，如果我们对原子加热，处于低能量轨道上的部分电子可能受激发而跃迁到距离原子核更远的高能量轨道。 能量吸收： 原子可以吸收热能、光能、电能等形式的能量。然后电子可以从低能 量轨道跃迁至高能量轨道。
典型激光器的原理与应用
激光之源 --典型激光器的原理、特点及应用 一前言 自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家T.H.Mainman博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。 图1 第一台红宝石激光器 激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。 激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。 二典型激光器 1，气体激光器（Gas Laser）
气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。下面是典型激光器的示意图： 图2 气体激光器示意图 根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。 原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。它于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物。根据工作条件的不同，可以输出5种不同波长的激光，而最常用的则是波长为632.8纳米的红光。输出功率在0.5～100毫瓦之间，具有非常好的光束质量。氦-氖激光器是当前应用最为广泛的激光器之一，可用于外科医疗、激光美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中学的实验室也在用它做演示实验 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子，激光跃迁发生在气体分子不同的振—转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2激光器。 离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子，激光跃迁发生在气体离子不同的激发态之间。采用的离子气体主要有惰性气体离子、分子气体离子和金