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 )、
蔡格尔(Zeiger)等人在哥伦比亚大学成功地制成了波长为1.25厘米的氨分子微波量子放大器。亦即脉塞(Microwave amplification by the stimulated emission of radiation).后来，因为“在量子力学领域的基础工作导致建立在脉塞和激光原理上的振荡器和放大器的制造”，汤斯和莫斯科列别捷夫研究所的巴索夫和普罗霍洛夫一起得到了1964年的诺贝尔奖金。
1956年，布隆贝根(Bloembcrgen)在一种可调谐高功率宽频带量子放大器的思想指导下，提出了三能级固体量子放大器的制造方法.同年，贝尔(Dell)电话实验室的斯科维耳(Scovii ) ,费尔(Feher)和塞德尔(sc;idel)等人研制出第一部这种三能级固体量子放大器.
1957年末，密执安(I1'lichi,}an)人学工程研究院的马克霍夫(Makhov ) ,菊池( Kikuchi )、兰比(L}mbe)和特尔秀尼(Terhune )等人又用红宝石获得了微波固体量子放大.
1960年7月，在美国加利福尼亚州(California)休斯(Ilughes)飞机公司研究实验室工作的科学家梅曼首一先发明了历史上第一台激光器——红宝石(Ruby)固体脉冲激光器。他用了一块边一长约1厘术的人造红室石，把它相对的两面镀上银。当晶体放在一架闪光灯(灯光被长为X500埃)下照射时，使能级实现粒子数反转，晶体便产生了一种波长为8943埃的脉冲辐射。这是一种恰好在可见光内的深红色激光。
二、理论基础
红宝石的工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Gr2O3。Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而在其中，光学上属于负。在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的，此时晶体对频率ν满足
hν＝E2—E1
（其中h为，E2、E1分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分端有波长为6943×10-10米的激光输出。
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 )、
用钢尺测量激光器波长 、引言 激光作为一种单色性、方向性极好的相干光源，近年来被广泛的应用到各种 科学实验中。但由于激光材料的不同，激光被分为狠多的种类，激光器的特性也不尽相同，比如说其最重要的特性中心波长。我们在使用激光器之前了解其波长是十分必要的，当然在现代的实验室中有各种各样的精密仪器可以方便的测出激光的波长，但是如果我们不依靠实验室里的这些仪器，仅用我们日常生活中一些常用的工具能否测出激光的波长呢？下文我们就介绍了一种方案，结合激光的波动性，仅利用一把我们日常生活中使用的钢尺就能较准确地测出激光的波长。一把普通钢尺在日常生活中常常用来粗测物体的长度，但是如果有精妙的实验方案，利用小小的钢尺完全可以较精确的测量出激光的波长。这听来似乎完全“不可思议”。如果能够巧妙的利用光的波动性的话，这个奇迹完全可以创造。而且本试验所需器材简单易找，完全来源的于日常生活，符合“从生活到物理” 的新课程理念。是学生课下作为“探究性”实验的极好素材。 、正文部分 1）实验原理 激光是一种方向性和单色性极好的光源，试验过程中首先将钢尺固定 在水平桌面上，使激光的一部分照射在钢尺的刻痕上，一部分反 射到垂直于桌面的墙壁上。这时通过微调激光的入射角度，则会在墙面上出现系列亮点S。，S。，S。，S。等。这是因为 S。，S o 激光在钢尺两刻痕之间的许多光滑面上均发生了反射，这些反射光线如果相位相同则会相互叠加而在墙面上形成亮斑。原理如图 1所示。
激光器 图一 由于钢尺上有周期性排列的间隔为1mm 的间隔，也就是钢尺的刻度，两刻度之间 为表面光滑的钢面，可以较好的反射激光，而刻度由于表面为黑色而且不光滑, 所以不能很好的反射激光，这样我们可以将钢尺看成一个反射光栅， 而激光又是 单色性、相干性非常好的光源，当激光打在钢尺的刻度上反射之后， 就能够形成 相应的衍射条纹。具体的实验原理如下图所示: 在图二A 处放置一激光发生器，其发出的激光以接近 90度的入射角照射在BB' 上（BB 为钢尺上刻度与刻度之间的平滑面能够反射激光），由于BB'非常的小, 其可以和激光的波长相比较，所以光束在反射的同时又发生衍射，当两束衍射光 的相位相同时，则会相互叠加而加强，在光屏上形成亮斑；当两束衍射光相位相 反时，则由于相互叠加而减弱，形成暗斑。如图所示激光以跟平面成 角入射在 光滑平面上，经过反射之后到达光屏，其光程差为: AB' P ABP DB' D' B d(cos cos ) k
医学中常用的激光器 自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。 一．气体激光器 气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：(1)原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10毫瓦数量级。 (2)分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。分 子激光器以二氧化碳(CO 2)激光器为代表，其他还有氢分子(H 2 )，氮分子(N 2 )和一氧化碳(CO)分子等激光 器。分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。(3)离子激光器：这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子(激活介质为Ar＋)激光器。氦镉激光器(激活介质为Cd＋)等。离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。 气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。 1、氦氖激光器 氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光，具有连续输出的特性。它的光束质量很好(发散角小，单色性好，单色亮度大)。激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。氦氖激光器在工业、科研、国防上应用很广，医疗上主要用于照射，有刺激、消炎、镇痛、扩张血管和针灸等作用，广泛用于内科、皮肤科、口腔科及细胞的显微研究。 氦氖激光器有三种结构形式：内腔式、外腔式和半内腔式。它们均由放电管、谐振腔、激励电源等三部分组成。以内腔式为例，放电毛细管是产生气体放电和激光的区域，它的内径很小，约在1到几毫米。电极A为阳极，由钨杆或钼(或镍)筒制成。阴极K为金属圆筒，由铝、钼、钽等制成，它们均有足够的电子发射能力和抗溅射能力。组成谐振腔的两块反射镜紧贴于放电管两端，并镀以多层介质膜。其中一个为全反射镜，另一个则为部分反射镜，整个谐振腔在出厂前已调整完毕，因此使用简单、方便。放电管的管径比放电毛细管粗几十倍，用以保持氦氖气压比及加固谐振腔。为了避免放电管变形而引起激光输出下降，内腔管的长度不宜过大，一般不超过一米。外腔式激光器可以更换不同的反射镜，使输出功率最大，光束发散角最小。也可在反射镜和放电管之间插入光学元件，以研究激光器的输出特性，调制它的频率或幅度，并可制成单频大功率激光器。 2、二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的能量转换效率达20～25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)。它的输出波长为10.6微米，属于远红外区，连续输出功率可达万瓦级，常用电激励，结构比较简单紧凑，使用 方便，是目前最常用的激光器之一，在医学上，CO 2激光器作为手术刀使用日益引起人们的重视。CO 2 激 光器也用于皮肤科、外科、神经外科、整形外科、妇科和五官科的手术，在癌症的治疗上也有一定成效。 最常见的封离型内腔式二氧化碳激光器的管壳是由硬质玻璃或石英材料制成的。常见为三层玻璃套管结构，其最内层是放电管，中间层是水冷套，外层是储气管。在内外层之间有气体循环通路，这是为了保证混合气体的均匀分布而设计的。其光学谐振腔通常用平凹球面腔。球面镜可用石英或其他光学玻璃做基片，然后，在表面上镀层金属膜。平面镜是输出窗片，要求它对10.6μm的激光有很好的透过率，且表面不易损伤，机械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用锗单晶做输出片，大功率的用砷化镓
不同波长激光的特性 蓝绿激光：穿透深度最浅，作用与视网膜内层和外层，主要被RPE吸收，如氩激光。 绿色激光：组织穿透力比蓝光强，被血红蛋白和RPE吸收，57%被RPE吸收，47%被脉络膜吸收。 黄激光：视网膜神经纤维层的弥散很少，穿透力强，黄色激光被RPE层和脉络膜内层的吸收各占50%。 红光和红外激光：穿透力最强，主要作用于脉络膜中、外层的激光。红色激光随波长的增加被脉络膜的吸收逐渐增加。 不同组织的吸光波长 1.激光波长从400~950nm在眼内的穿透性可以达到95%。RPE和脉络膜在波长450~630nm是 吸收率可以达到70%。随着波长的增加，吸收率很快下降，因而氩激光（蓝绿）激光和532激光是眼内最常使用的激光光谱。 2.血红蛋白对光的吸收特性： 在波长400~600nm（蓝到黄的部分），血红蛋白有较高的吸收率，而600nm以上（红和接近红外）的波长很受被血红蛋白吸收，所以有视网膜下出血时可选用600nm（红）以上的激光。 3.叶黄素的吸收特性： 叶黄素是锥体细胞的感光色素，对480nm一下的波长有较高的吸收峰，容易造成叶黄素的破坏，为了避免损伤，用绿色以上的波长对视锥细胞较安全，其中810激光对其损伤最小。 眼科激光的分类 眼科激光分气体、液体和固体激光三大类 ,其中气体激光又分分子(CO2 分子) 、原子(氦氖原子)和离子(氩离子及氪离子)激光三种。液体激光有染料激光。固体激光有红宝石激光 ,Nd：YAG激光 ,半导体激光。应用途径有眼内和眼外 2种途径。眼内激光是在玻璃体手术时眼内使用。眼外激光使用途径有2 种, 一种为经过瞳孔的,另一种是经巩膜的。 眼底光凝治疗的原理 眼底病进行光凝治疗的原理是: 激光被眼底之色素吸收后产生热能。热能使它作用的组织发生变化, 从而达到治疗目的。眼底吸收激光的物质主要为黑色素, 其次为叶黄素的血红蛋白。眼底含有黑色素的组织为视网膜色素上皮和脉络膜。这些色素和血红蛋白对不同波长光的吸收曲线是激光光凝的依据。眼底色素吸收激光后产生的热能可以使组织凝固、坏死及发生炎症, 继而机化从而达到使组织粘连, 还可以直接使视网膜上的新生血管和微血管瘤封闭, 直接破坏产生新生血管生长因子的视网膜组织和视网膜及脉络膜上的肿瘤组织。 激光光凝四要素 激光技术四要素是指波长，光斑大小，曝光时间和输出功率 ,这是完成眼底激光治疗技中十分重要且不能忽视的问题 ,是与治疗效果十分相关的因素,是保证实现视网膜有效光斑的关键。 波长选择的原则 波长的选择主要由病变部位和性质决定 ,当具有多种波长激光时 ,可以选择最合适的激光波长但当只有单波长激光时 ,选择的余地不存在,可发挥其他参数的功能. 氩激光（蓝绿激光）：主要作用于视网膜内层和外层。如糖网，静脉阻塞，EALES,视网膜裂孔等选择绿色以上的波长，临床多使用绿光。
激光器的分类介绍 实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器。气体型的激光器主要有He-Ne（氦－氖）、CO2及氩离子激光器等。由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而应用范围也不相同。最常用而范围广的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可连续工作，如He-Ne laser；有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。 （一）固体激光器 实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。 在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。由于工作物质很复杂，造价高。当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长 1.06μm呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。 固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。 （二）气体激光器 工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。 气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子
几种常用激光器的概述 一、CO2激光器 1、背景 气体激光技术自61年问世以来，发展极为迅速，受到许多国家的极大重视。特别是近两年，以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速，已成为气体激光器中最有发展前途的器件。 二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”，而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。1961年，Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate 研制出第一支二氧化碳分子气体激光器，输出功率仅为1毫瓦，其效率为0.01%。不到两年，现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦，其效率为17 %，电源激励脉冲输出功率为825瓦，采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。最近，有人认为，进一步提高现有的工艺水平，近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。 2、工作原理 CO2激光器中，主要的工作物质由CO?，氮气，氦气三种气体组成。其中CO?是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO?激光器中起能量传递作用，为CO?激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO?分子激光跃迁能级图CO?激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO?分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO?分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。 3、特点 二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点： （1）工作波长处于大气“窗口”，可用于多路远距离通讯和红外雷达。 （2）大功率和高效率( 目前，氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦，其效率为0.17 %，原子激光器的连续波输出功率一般为毫瓦极,其效率约为0.1%，而二氧化碳分子激光器连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17%）。 （3）结构简单，使用一般工业气体，操作简单，价格低廉。由此可见,随着研究工作的进展、新技术的使用，输出功率和效率会不断提高,寿命也会不断增长,将会出现一系列新颖的应用。例如大气和宇宙通讯、相干探测和导航、超外
调Q宽红宝石激光器 红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久，红宝石就被 首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al 2O 3 ，晶体内掺有约 0.05%（重量比）的Gr 2O 3 。Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置 而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来 处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E 3能级。粒子在E 3 能级的平均 寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E 2。粒子在E 2 能级 的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E 2能级上积累起大量粒子，形成E 2 和E 1 之间的粒 子数反转，此时晶体对频率ν满足 hν＝E 2—E 1 （其中h为普朗克常数，E 2、E 1 分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即 对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。 1.1 调Q光器的特点 固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。一般固体脉冲激光器由于存在驰豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微秒甚至几毫秒，峰值功率也只有几十千瓦的水平，远不能满足以上应用要求，正是在这些要求的推动下，人们研究和发展了调Q 技术。 1.2 调Q激光器的发展前景 1961年底，邓锡铭几乎与国外同时，独立提出了高功率激光Q开关原理。他非常形象地解释：把Q开关比喻为一个稍有漏水(自发辐射跃迁)的抽水马桶，当水箱被灌(光泵注入能量)满之后水箱底部的盖快速揭开(Q值突变)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率输出)。采用调Ｑ技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十个纳秒的激光巨脉冲。调 Q 技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了一些
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。
激光器的分类 来源：全球五金网 2011-10-31 作者：佛山市科镭激光科技有限公司公司产品公司商机公司招商公司新闻 激光器作为所有激光应用产品的核心部件，是所有激光应用产品的重中之重；而且激光器的种类是很多。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。 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中心而制成的； 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。 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。 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
各种激光器比较 一、气体激光器 （1）：原子激光器 典型特例，He—Ne激光器，他发出的激光波长为0.6328um，输出功率几毫瓦到100毫瓦之间，能量转换功率低，约为0.01%。激光器器方向性，单色性好，谱线宽度窄。该激光器常用来外科医疗，激光美容，建筑测量，准直指示，激光陀螺等。 （2）：离子激光器 典型特例，Ar+离子激光器，波长大约为0.488um的蓝光，输出功率约为150W。能量转换功率为1%。长用此激光器用做彩色电视，信息储存，全息照相等方面。 （3）：分子激光器 典型特例，CO2激光器，波长约为10.6um的红外线。输出功率与管长成正比，1M的管长可获得100W的输出功率。能量转换效率较高，大约为30%。单色性好。能量输出强，常用来美容，工业和军事上。 （4）：准分子激光器 是稀有气体与卤素气体的混合，发出的波长是紫外波。输出功率小，大约为百微焦。能量转换功率约为1%。 总述：气体激光器，连续输出功率大，方向性好，其器件造价低廉，结构简单。 二、液体激光器 典型特例，若丹明6G染料，他的波长在紫外到红外之间，最大特点是连续可调。能量转换功率较高，这种激光器特点是制备容易，可循环操作，便宜。 三、固体激光器 典型特例，红宝石激光器。它的波长在可见光到近红外波段，输出功率高，约为20kw。能量转换率低，仅为0.1%。单色性差。但结构紧凑，牢固耐用，易于光纤耦合。这种激光器广泛用于测距，材料加工，军事等方面。 四、半导体激光器 典型特例，砷化镓，硫化镉等。他的输出波长在近红外波段。920nm到1.65um之间。输出功率小，能量转换功率高，但是单色性差。这种激光器最大特点是体积小，重量轻，结构简单，寿命长。因此，广泛使用于光纤通信，光信息储存，光信息处理等方面。
红宝石激光器原理及应用 教学学院化学与生命科学学院 届别 2012届 专业材料化学 学号 120843077 姓名田静 完成日期 2015.5.9
目录 1摘要 (1) 2激光与激光器 (1) 2.1激光 (1) 2.2激光器 (2) 3固体激光器 (3) 3.1工作原理和基本结构 (3) 3.2红宝石激光器 (5) 3.3红宝石激光器的优缺点 (6) 4固体激光器的应用 (7) 4.1固体激光器在军事国防上的应用 (7) 4.2红宝石激光器的应用 (9) 参考文献 (11) 1
2摘要 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
不同波长的光纤激光器介绍 光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。现在来介绍几种波长的光纤激光器。 最长的一种2.8 μm附近(掺Ho3+，Er3+ 光纤激光器，该波段光纤激光器在生物、医疗等领域具有潜在的应用。此外2.8 μm光纤激光器还可以用作中远红外激光器的抽运光源，利用Er3+离子的4I11/2→4I13/2和Ho3+离子的5I6→5I7跃迁发射，可获得波长位于2.8 μm附近的激光输出。由于2.8 μm附近激光发射需要基质材料具有低声子能量和高的光学透过率，所以一般采用氟化物玻璃作为光纤基质。 其次是2.0 μm附近(掺Tm3+，Ho3+) 光纤激光器，2.0 μm激光是人眼安全的激光，在气象监测、激光测距、激光雷达、遥感等方面具有广泛应用。此外，水分子在2.0 μm附近有强烈的中红外吸收峰，用该波段激光进行手术，有利于加快血液凝结，减小手术创伤，中红外光纤激光器在医疗和生命科学领域也具有重要的应用。于2.0 μm附近中红外激光输出的激光激活粒子主要有Tm3+和Ho3+离子等。利用Tm3+离子的3F4→3H6和Ho3+离子的5I7→5I8跃迁发射，可分别获得波长位于2.0 μm和2.1μm 附近的激光输出。 接着就是1.5 μm附近(掺Er3+，Er3+/Yb3+) 光纤激光器，由于激光输出波长位于石英光纤的1.5 μm光通信窗口附近，对Er3+掺杂以及Er3+/Yb3+共掺玻璃光纤的激光输出性能的深入研究，关于1.5 μm附近光纤激光器的研制已较成熟。 目前最短的就是1.0 μm附近(掺Yb3+，Nd3+) 光纤激光器，1.0 μm附近光纤激光器由于在光纤通信、激光制导、倍频激光光源、抽运光源等领域的应用而得到了广泛研究。1.0 μm附近光纤激光器的掺杂稀土离子主要有Yb3+离子和Nd3+离子等。在Nd3+离子掺杂光纤中实现了Nd3+离子4F3/2→4I9/2的激光发射，该激光波长在900~945 nm内可调。而后，随着激光抽运光源的完善，Yb3+离子掺杂光纤激光器也被成功研制出来，其激光输出波长的调谐范围达到1.01~1.16 μm。
激光器的种类及性能参数总结 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。 （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。 工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义：
实验40 用迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光器波长 一、实验目的 1.了解迈克尔逊干涉仪的结构及调整方法，并用它测光波波长 2.通过实验观察等倾干涉现象 二、实验仪器 氦氖激光器、迈克尔逊干涉仪(250nm)、透镜、毛玻璃等。 迈克尔逊干涉仪外形如图一所示。 其中反射镜M1是固定的，M2可以在导轨上前后移动，以改变光程差。反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统，转动粗调手轮（2）可以实现粗调。M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺（5）上读得。通过读数窗口，在刻度盘（3）上可读到0.01mm；转动微调手轮（1）可实现微调，微调手轮的分度值为1×10-4mm。可估读到10-5mm。M1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度，倾度的微调是通过调节水平微调（15）和竖直微调螺丝（16）来实现的。 图一图二 三、实验原理 1.仪器基本原理 迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图二所示。M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜。P1、P2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45°角。P1的一个表面镀有半反半透膜，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；P1称为分光板。当光照到P1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过P2，在P1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过P1射向E。由于光线（2）前后共通过P1三次，而光线（1）只通过P1一次，有了P2，它
们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以P 2称为补偿板。当观察者从E 处向P 1看去时，除直接看到M 2外还看到M 1的像M 1ˊ。于是（1）、（2）两束光如同从M 2与M 1ˊ反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M 1′～M 2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。 2.干涉条纹的图样 本实验用He-Ne 激光器作为光源（见图三），激光S 射向迈克尔逊干涉仪，点光源经平面镜M 1、M 2反射后，相当于由两个点光源S 1ˊ和S 2ˊ发出的相干光束。S ˊ是S 的等效光源，是经半反射面A 所成的虚像。S 1′是S ′经M 1′所成的虚像。S 2′是S ′经M 2所成的虚像。由图三可知，只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象。如果M 2与M 1′严格平行，且把观察屏放在垂直于S 1′和S 2′的连线上，就能看到一组明暗相间的同心圆干涉环，其圆心位于S 1′S 2′轴线与屏的交点P 0处，从图四可以看出P 0处的光程差ΔL =2d ，屏上其它任意点P ′或P ″的光程差近似为 ?cos 2d L =? (1) 式中?为S 2′射到P ″点的光线与M 2法线之间的夹角。当λ?k d =?cos 2时，为明纹；当 2/)12(cos 2λ?+=?k d 时，为暗纹。 由图四可以看出，以P 0为圆心的圆环是从虚光源发出的倾角相同的光线干涉的结果，因此，称为“等倾干涉条纹”。?=0时光程差最大，即圆心P 0处干涉环级次最高，越向边缘级次越低。当d 增加时，干涉环中心级次将增高，条纹沿半径向外移动，即可看到干涉环从中心“冒”出；反之当d 减小，干涉环向中心“缩”进去。 图三 图四 由明纹条件可知，当干涉环中心为明纹时，ΔL =2d=k λ。此时若移动M 2（改变d)，环心处条纹的级次相应改变，当d 每改变λ/2距离，环心就冒出或缩进一条环纹。若M 2移动距离为Δd ，相应冒出或缩进的干涉环条纹数为N ，则有
一、激光产生的原理 1、物质的发光过程 在自然界，任何物质的发光都需要经过两个过程，受激吸收过程和自发辐射过程。 （1）、吸收过程 当物质受到外来能量如光能、热能、电能等的作用时，原子中的电子就会吸收外来能量(如一个光子)，从低轨道跃迁到高轨道上去，或者说处于低能态的粒子会吸收外来能量，跃迁至高能态。 由于吸收过程是在外来光子的激发下产生的，所以称之为“受激吸收”。受激吸收的特点是：必须有外来光子(或其他方式的能量)“刺激”，而且这个外来光子的能量必须是： 0N h E E ν=- (N=1，2，3……) 式中E 0是粒子吸收外界能量前所处的能级，E N 是吸收后所处的能级 ，h 为普朗克常数。 （2）、自发辐射过程 被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它们在高能级上只能停留一个极为短暂的时间，然后立即向低能级跃迁。这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进行的，所以称为“自发跃迁”。粒子在自发跃迁过程中，要把原先吸收的能量释放出来，所释放的能量数值为E=E N -E 0。释放能量转变为热能，传给其他粒子，这种跃迁叫做“无辐射跃迁”，不会有光子产生。另一种是以光的形式释放能量(叫做自发辐射跃迁)，即向外辐射一个光子，于是就产生了光。自发辐射过程放出的光子频率，由跃迁前后两个能级之间的能量差来决定，即： 可见，两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。 当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射，如此循环不止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。 0N E E h ν-=