红宝石激光器讲解

激光器原理各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢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。

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跃迁到达激光上能级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之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hν＝E2—E1（其中h为普朗克常数，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)。

脉冲红宝石激光器的发展，促使聚焦时电场强度达到10^5 volts/cm的单色光（6943A）得以产生。

这种可能性吸引着研究者去尝试利用高强度的能量从合适的非线性材料中产生谐波。

在下文中，我们列举了必要的分析以及实验描述，通过注入6943A的强流束，使其通过石英晶体，我们观察到了3472A的二次谐波。

能产生光学谐波的材料必须具有非线性介电系数并且对于原始基波频率和目标频率透明。

因为所有的电介质在足够强的电场中都呈现非线性，所以石英和玻璃等材料可以用来产生谐波。

电介质中极化率和电场E的关系可以数学表示为：其中E1,E2……的数量级与原子电场相当（~10^8 esu）。

如果E随时间呈正弦变化，则等式1中的二阶和高阶项会导致极化率包含基波频率的谐波。

直流极化也将随着偶次谐波出现。

设p为电场E的二次极化强度P的分量；即p是对称张量EE的线性分量。

因为介质的点对称性，使得分量中的18个系数都须满足这个限制。

另外，当在如玻璃这种各向同性介质或者中心反演对称的介质中时，p不存在。

然而对透明石英，存在着两个独立系数α和β：表1 所有极化率的平方和垂直于光线在石英晶体中的传播方向。

入射光方向（Z是三重轴或光轴，x是二重轴）表1是对于光线以任意三个主轴方向之一穿过石英的结果预测的归纳。

在第一个情况中二次谐波不存在，第二个情况中取决于入射光的极化率，在第三个情况中与极化率无关。

如果一束高能单色光被聚焦于体积V的区域内，则二次谐波的光强为（在高斯单位下）：其中w是二次谐波角频率，c是光速，v是有效“相干体积；即p激发的相位相干体积的大小(这个体积在实际中也许远小于V)v的估计收多方面影响。

例如，光的传播方向也许不大于~[n2x(n2-n1)^-1]lambda2，其中n1和n2分别为基波和二次谐波的折射率，lambda为二次谐波的波长。

相干体积的边界宽度很大程度决定于激光的相干特性。

气体激光器的情况比红宝石激光器的情况更加支持此结论。

红宝石激光器工作原理一、前言红宝石激光器是一种基于固体激光器的激光器，具有高功率、高效率、稳定性好等优点，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。

本文将对红宝石激光器的工作原理进行详细介绍。

二、红宝石晶体红宝石晶体是红宝石激光器的核心部件，其化学式为Al2O3。

晶体中掺杂有Cr3+离子，这些离子受到外界能量刺激后会发生跃迁，产生较为稳定的能量差，从而发射出特定波长的激光。

三、能级结构在红宝石晶体中，Cr3+离子处于一个复杂的能级结构中。

其中最低能级为基态（4A2），最高能级为第二亚带（2E）。

在这两个能级之间还存在着多个亚带和元带。

四、吸收和辐射过程当红宝石晶体受到外界能量刺激时，Cr3+离子会从基态跃迁到第一亚带（2E）。

在此过程中，晶体会吸收光子的能量。

当Cr3+离子处于第一亚带时，它们会通过非辐射跃迁回到基态，释放出热能。

如果晶体中存在足够的外部刺激，这些Cr3+离子可以通过受激辐射跃迁到第二亚带，并在此过程中发射出激光。

五、泵浦源为了实现红宝石晶体中的受激辐射跃迁，需要提供足够的外部刺激。

这个刺激源通常被称为泵浦源。

泵浦源可以是闪光灯、半导体激光器或其他类型的激光器。

六、闪光灯泵浦闪光灯泵浦是最早也是最常见的红宝石激光器泵浦方式。

在这种方式下，一个高压电容器储存电荷并将其释放到一个氙气闪管中。

当电荷通过氙气时，会产生一个瞬间高达几百千伏的电压，从而使氙气放电并产生强烈的白光。

这种白光会被红宝石晶体吸收，并刺激Cr3+离子发生受激辐射跃迁，从而产生激光。

七、半导体泵浦半导体泵浦是一种新型的红宝石激光器泵浦方式。

在这种方式下，使用高功率的半导体激光器来代替传统的闪光灯。

由于半导体激光器具有高效率、小尺寸等优点，因此该方式已经被广泛应用。

八、输出镜和反射镜为了将产生的激光输出到外界，需要在红宝石晶体两端分别安装一个输出镜和反射镜。

输出镜通常是一个部分透明的薄膜，可以让一部分激光通过并输出到外界；反射镜则可以将未被输出的激光反射回晶体中进行进一步增益。