急:激光器輸出功率與波長及精度的關系

【專家解說】：能發(fā)射激光的裝置。1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，并指出了產生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。近來還發(fā)展了自由電子激光器，其工作介質是在周期性磁場中運動的高速電子束，激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。按工作方式分，有連續(xù)式、脈沖式、調Q和超短脈沖式等幾類。大功率激光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所發(fā)射的激光波長已達數千種，最長的波長為微波波段的0.7毫米，最短波長為遠紫外區(qū)的210埃，X射線波段的激光器也正在研究中。 除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，裝置的必不可少的組成部分包括激勵（或抽運）、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質和諧振腔（ 見光學諧振腔）3部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現并維持粒子數反轉創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現光放大。諧振腔可使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的定向性和相干性。 激光工作物質 是指用來實現粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系，有時也稱為激光增益媒質，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質。對激光工作物質的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現較大程度的粒子數反轉，并使這種反轉在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質具有合適的能級結構和躍遷特性。 激勵(泵浦)系統(tǒng) 是指為使激光工作物質實現并維持粒子數反轉而提供能量來源的機構或裝置。根據工作物質和激光器運轉條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。①光學激勵(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質以實現粒子數反轉的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成。②氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質內發(fā)生的氣體放電過程來實現粒子數反轉的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學激勵。是利用在工作物質內部發(fā)生的化學反應過程來實現粒子數反轉的，通常要求有適當的化學反應物和相應的引發(fā)措施。④核能激勵。是利用小型核裂變反應所產生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質并實現粒子數反轉的。 光學共振腔 通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①，是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對腔內不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。 分類 激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質、激勵方式、運轉方式、輸出波長范圍等幾個方面進行分類介紹。 按工作物質分類 根據工作物質物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體（晶體和玻璃）激光器，這類激光器所采用的工作物質，是通過把能夠產生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質中構成發(fā)光中心而制成的；②氣體激光器，它們所采用的工作物質是氣體，并且根據氣體中真正產生受激發(fā)射作用之工作粒子性質的不同，而進一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機化合物液體（如SeOCl）則起基質的作用；④半導體激光器，這類激光器是以一定的半導體材料作工作物質而產生受激發(fā)射作用，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導體物質的能帶之間或能帶與雜質能級之間，通過激發(fā)非平衡載流子而實現粒子數反轉，從而產生光的受激發(fā)射作用；⑤自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產生可調諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。 按激勵方式分類 ①光泵式激光器。指以光泵方式激勵的激光器，包括幾乎是全部的固體激光器和液體激光器，以及少數氣體激光器和半導體激光器。②電激勵式激光器。大部分氣體激光器均是采用氣體放電（直流放電、交流放電、脈沖放電、電子束注入）方式進行激勵，而一般常見的半導體激光器多是采用結電流注入方式進行激勵，某些半導體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵。③化學激光器。這是專門指利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵的激光器，反希望產生的化學反應可分別采用光照引發(fā)、放電引發(fā)、化學引發(fā)。④核泵浦激光器。指專門利用小型核裂變反應所釋放出的能量來激勵工作物質的一類特種激光器，如核泵浦氦氬激光器等。 按運轉方式分類 由于激光器所采用的工作物質、激勵方式以及應用目的的不同，其運轉方式和工作狀態(tài)亦相應有所不同，從而可區(qū)分為以下幾種主要的類型。①連續(xù)激光器，其工作特點是工作物質的激勵和相應的激光輸出，可以在一段較長的時間范圍內以連續(xù)方式持續(xù)進行，以連續(xù)光源激勵的固體激光器和以連續(xù)電激勵方式工作的氣體激光器及半導體激光器，均屬此類。由于連續(xù)運轉過程中往往不可避免地產生器件的過熱效應，因此多數需采取適當的冷卻措施。②單次脈沖激光器，對這類激光器而言，工作物質的激勵和相應的激光發(fā)射，從時間上來說均是一個單次脈沖過程，一般的固體激光器、液體激光器以及某些特殊的氣體激光器，均采用此方式運轉，此時器件的熱效應可以忽略，故可以不采取特殊的冷卻措施。③重復脈沖激光器，這類器件的特點是其輸出為一系列的重復激光脈沖，為此，器件可相應以重復脈沖的方式激勵，或以連續(xù)方式進行激勵但以一定方式調制激光振蕩過程,以獲得重復脈沖激光輸出,通常亦要求對器件采取有效的冷卻措施。④調激光器,這是專門指采用一定的 開關技術以獲得較高輸出功率的脈沖激光器，其工作原理是在工作物質的粒子數反轉狀態(tài)形成后并不使其產生激光振蕩 (開關處于關閉狀態(tài))，待粒子數積累到足夠高的程度后，突然瞬時打開 開關，從而可在較短的時間內（例如10～10秒）形成十分強的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出（見技術'" class=link>激光調 技術）。⑤鎖模激光器，這是一類采用鎖模技術的特殊類型激光器，其工作特點是由共振腔內不同縱向模式之間有確定的相位關系，因此可獲得一系列在時間上來看是等間隔的激光超短脈沖（脈寬10～10秒）序列，若進一步采用特殊的快速光開關技術，還可以從上述脈沖序列中選擇出單一的超短激光脈沖（見激光鎖模技術）。⑥單模和穩(wěn)頻激光器，單模激光器是指在采用一定的限模技術后處于單橫模或單縱模狀態(tài)運轉的激光器，穩(wěn)頻激光器是指采用一定的自動控制措施使激光器輸出波長或頻率穩(wěn)定在一定精度范圍內的特殊激光器件，在某些情況下，還可以制成既是單模運轉又具有頻率自動穩(wěn)定控制能力的特種激光器件（見激光穩(wěn)頻技術）。⑦可調諧激光器，在一般情況下，激光器的輸出波長是固定不變的，但采用特殊的調諧技術后，使得某些激光器的輸出激光波長，可在一定的范圍內連續(xù)可控地發(fā)生變化，這一類激光器稱為可調諧激光器（見激光調諧技術）。 按輸出波段范圍分類 根據輸出激光波長范圍之不同，可將各類激光器區(qū)分為以下幾種。①遠紅外激光器，輸出波長范圍處于25～1000微米之間, 某些分子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即落入這一區(qū)域。②中紅外激光器，指輸出激光波長處于中紅外區(qū)(2.5～25微米)的激光器件,代表者為CO分子氣體激光器(10.6微米)、 CO分子氣體激光器（5～6微米）。③近紅外激光器,指輸出激光波長處于近紅外區(qū)（0.75～2.5微米）的激光器件，代表者為摻釹固體激光器（1.06微米）、CaAs半導體二極管激光器(約 0.8微米)和某些氣體激光器等。④可見激光器，指輸出激光波長處于可見光譜區(qū)（4000～7000?；?.4～0.7微米）的一類激光器件，代表者為紅寶石激光器 （6943埃）、 氦氖激光器（6328埃）、氬離子激光器（4880埃、5145埃）、氪離子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可調諧染料激光器等。⑤近紫外激光器，其輸出激光波長范圍處于近紫外光譜區(qū)（2000～4000埃），代表者為氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)準分子激光器（3511埃、3531埃）、 氟化氪(KrF)準分子激光器(2490埃)以及某些可調諧染料激光器等⑥真空紫外激光器,其輸出激光波長范圍處于真空紫外光譜區(qū)(50～2000埃）代表者為（H）分子激光器 (1644～1098埃)、氙(Xe)準分子激光器（1730埃）等。⑦X射線激光器, 指輸出波長處于X射線譜區(qū)（0.01～50埃）的激光器系統(tǒng)，目前軟X 射線已研制成功，但仍處于探索階段 激光器的發(fā)明 激光器的發(fā)明是20世紀科學技術的一項重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數量極大、運動極混亂的分子和原子的發(fā)光過程，從而獲得產生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線（以至X射線和γ射線）的能力。激光科學技術的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。 激光器的誕生史大致可以分為幾個階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處于高能態(tài)的物質粒子受到一個能量等于兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉變到低能態(tài)，并產生第二個光子，同第一個光子同時發(fā)射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。 此后，量子力學的建立和發(fā)展使人們對物質的微觀結構及運動規(guī)律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生后，被很快應用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并研制出許多相應的器件。這些科學理論和技術的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。 如果一個系統(tǒng)中處于高能態(tài)的粒子數多于低能態(tài)的粒子數，就出現了粒子數的反轉狀態(tài)。那么只要有一個光子引發(fā)，就會迫使一個處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個與之相同的光子，這兩個光子又會引發(fā)其他原子受激輻射，這樣就實現了光的放大；如果加上適當的諧振腔的反饋作用便形成光振蕩，從而發(fā)射出激光。這就是激光器的工作原理。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數反轉，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國物理學家查爾斯·湯斯以及蘇聯物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產生和放大微波的設計。 然而上述的微波波譜學理論和實驗研究大都屬于“純科學”，對于激光器到底能否研制成功，在當時還是很渺茫的。 但科學家的努力終究有了結果。1954年，前面提到的美國物理學家湯斯終于制成了第一臺氨分子束微波激射器，成功地開創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。 湯斯等人研制的微波激射器只產生了1.25厘米波長的微波，功率很小。生產和科技不斷發(fā)展的需要推動科學家們去探索新的發(fā)光機理，以產生新的性能優(yōu)異的光源。1958年，湯斯與姐夫阿瑟·肖洛將微波激射器與光學、光譜學的理論知識結合起來，提出了采用開式諧振腔的關鍵性建議，并預防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實現受激輻射光放大的原理性方案。 此后，世界上許多實驗室都被卷入了一場激烈的研制競賽，看誰能成功制造并運轉世界上第一臺激光器。 1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，勉強贏得了這場世界范圍內的研制競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。 “梅曼設計”引起了科學界的震驚和懷疑，因為科學家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器。 盡管梅曼是第一個將激光引入實用領域的科學家，但在法庭上，關于到底是誰發(fā)明了這項技術的爭論，曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是“激光”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發(fā)明者戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學博士學位時提出了這個詞。與此同時，微波激射器的發(fā)明者湯斯與肖洛也發(fā)展了有關激光的概念。經法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作早于古爾德9個月而成為勝者。不過梅曼的激光器的發(fā)明權卻未受到動搖。 1960年12月，出生于伊朗的美國科學家賈萬率人終于成功地制造并運轉了全世界第一臺氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學家?guī)缀跬瑫r發(fā)明了半導體激光器。1966年，科學家們又研制成了波長可在一段范圍內連續(xù)調節(jié)的有機染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網的化學激光器等紛紛問世。 由于激光器具備的種種突出特點，因而被很快運用于工業(yè)、農業(yè)、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面，并在許多領域引起了革命性的突破。比如，人們利用激光集中而極高的能量，可以對各種材料進行加工，能夠做到在一個針頭上鉆200個孔；激光作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應的手段，已在醫(yī)療、農業(yè)的實際應用上取得了良好效果；在通信領域，一條用激光柱傳送信號的光導電纜，可以攜帶相當于2萬根電話銅線所攜帶的信息量；激光在軍事上除用于通信、夜視、預警、測距等方面外，多種激光武器和激光制導武器也已經投入實用。 今后，隨著人類對激光技術的進一步研究和發(fā)展，激光器的性能和成本將進一步降低，但是它的應用范圍卻還將繼續(xù)擴大，并將發(fā)揮出越來越巨大的作用。