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激光器的类型都有哪些,激光器的工作原理是什么?

发布日期:2018-08-20

激光器的种类
  1. 气体激光器
  在气体激光器中,最常见的是氦氖激光器。世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久,于1960年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。由于氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好,可以连续工作,所以这种激光器是当今使用最多的激光器,主要用在全息照相的精密测量、准直定位上。
  气体激光器中另一种典型代表是氩离子激光器。它可以发出鲜艳的蓝绿色光,可连续工作,输出功率达100多瓦。这种激光器是在可见光区域内输出功率最高的一种激光器。由于它发出的激光是蓝绿色的,所以在眼科上用得最多,因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏,眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光。因此,用氩离子激光器进行眼科手术时,能迅速形成局部加热,将视网膜上蛋白质变成凝胶状态,它是焊接视网膜的理想光源。氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层,而不被海水吸收,因而可广泛用于水下勘测作业。
  2. 液体、化学和半导体激光器
  液体激光器也称染料激光器,因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光,一般采用高速闪光灯作激光源,或者由其他激光器发出很短的光脉冲。液体激光器发出的激光对于光谱分析、激光化学和其他科学研究,具有重要的意义。
  化学激光器是用化学反应来产生激光的。如氟原子和氢原子发生化学反应时,能生成处于激发状态的氟化氢分子。这样,当两种气体迅速混合后,便能产生激光,因此不需要别的能量,就能直接从化学反应中获得很强大的光能。这类激光器比较适合于野外工作,或用于军事目的,令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果。
  在当今的激光器中,还有一些是用半导体制成的。它们叫砷化镓半导体激光器,体积只有火柴盒大小,这是一种微型激光器,输出波长为人眼看不见的红外线,在0.8~0.9微米之间。由于这种激光器体积小,结构简单,只要通以适当强度的电流就有激光射出,再加上输出波长在红外线光范围内,所以保密性特别强,很适合用在飞机、军舰和坦克上。
  3. 固体激光器
  前面所提到的红宝石激光器就是固体激光器的一种。早期的红宝石激光器是采用普通光源作为激发源。现在生产的红宝石激光器已经开发出许多新产品,种类也增多。此外,激励的方式也分为好几种,除了光激励外,还有放电激励、热激励和化学激励等。

  固体激光器中常用的还有钇铝石榴石激光器,它的工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体,并掺有氧化钕。激光是由晶体中的钕离子放出,是人眼看不见的红外光,可以连续工作,也可以脉冲方式工作。由于这种激光器输出功率比较大,不仅在军事上有用,也可广泛用于工业上。此外,钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器,对治疗白内障和青光眼十分有效。

  4. “隐身”和“变色”激光器
  另外还有两种较为特殊的激光器。一种是二氧化碳激光器,可称“隐身人”,因为它发出的激光波长为10.6微米,“身”处红外区,肉眼不能觉察,它的工作方式有连续、脉冲两种。连接方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生的波长10.6微米激光也是最强大的一种激光。人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展,也是光武器和核聚变研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支长1米左右的放电管。它的一端贴上镀金反射镜片,另一端贴一块能让10.6微米红外光通过的锗平面镜片作为红外激光输出镜。一般的玻璃镜片不让这种红外光通过,所以个能做输出镜。放电管放电时发出粉红色的自发辐射光,它产生的激光是看不见的,在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。做实验时,一不小心就会把自己的衣服烧坏,裸露的皮肤碰到了也要烧伤,所以这种激光器上都贴着“危险”的标记,操作时要特别留神。
  5.近红外光谱仪
  近红外光谱仪专为满足实际应用的挑战而设计的,具有卓越的性能、长期稳定性、结构紧凑和超低功耗的优点。
  二氧化碳激光器形式很多。放电管最长的达200多米,要占据很大的场地。科学家想出办法,将笔直的放电管弯成来回转折的形状,或是把放电管叠起来安装,将它们的实际长度压缩到20米左右;为了使激光器的光路不受振动的影响,整个器件安放在地下室粗大的管道内。后来发明的一种称为横向流动的二氧化碳激光器,长度缩到只有一张大办公桌那样长短,能射出几千瓦功率的激光。这样的激光器已被许多汽车拖拉机厂用来加工大型零件。输出功率更大的一种二氧化碳激光器结构像大型喷气发动机,开动起来声音响得吓人,它能产生上百万瓦的连续激光,是连续方式发射激光中的最强者。最初的激光打坦克靶实验,用的就是这种激光器。它是科学家把空气动力学和激光科学相结合而制造出来的。
  以脉冲方式发射的二氧化碳激光器也有很多种,在科研和工业中用途极广。如果按每一脉冲发出的能量大小作比较,那么,脉冲二氧化碳激光器又是脉冲激光器中的最强者。
  这里,我们要回到激光先驱者汤斯曾经研究过的问题上来,谈一谈毫米波的产生。随着激光技术的发展,许多科学家对这一难题又发起了进攻:采用放电或利用强大的二氧化碳激光作为激励源去激发氟甲烷、氨等气体分子,一步步地把发射出来的激光波长延长,扩展。开始达几十微米,后来达几百微米,也就是亚毫米波了。本世纪60年代中期到70年代中期,随着微波技术的发展,科学家根据激光的原理和方法产生了毫米波。这样,从光波到微波之间的空白地带便被不断发现的新红外激光填补了。
  从研究中,科学家发现毫米波很有实用价值:大气对它的吸收率很小、阻碍它传播的影响也小,可以用它来作为新的大气通讯工具。
  另一种比较特殊、新颖的激光器,可以形象地称它为“变色龙”。它不是龙,但确实能变色;只要转动一个激光器上的旋钮,就可以获得红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种颜色的激光。
  难道染料跟激光器也有关系吗?一点也不错。这种激光器的工作物质确实就是染料,如碳花青、若丹明和香豆素等等。科学家至今还没有弄清楚这些染料的分子能级和原子结构,只知道它们与气体工作物质的气体原子、离子结构不一样;气体产生的激光有明确的波长,而染料产生的激光,波长范围较广,或者说有多种色彩。染料激光器的光学谐振腔中装有一个称为光栅的光学元件。通过它可以根据需要选择激光的色彩,就像从收音机里选听不同频率的无线电台广播一样。
  染料激光器的激励源是光泵,可以用脉冲氙灯,也可以用氮分子激光器发出的激光。用一种颜色的激光作光泵,结果能产生其他颜色的激光可以说是染料激光器的特点之一。
  这种根据需要可以随时改变产生激光的波长的激光器,主要用于光谱学研究;许多物质会有选择地吸收某些波长的光,产生共振现象。科学家用这些现象分析物质,了解材料结构;还用这些激光器来产生新的激光,研究一些奇异的光学和光谱学现象。