激光器的原理组成及应用
时间:2025-01-28
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激光是一种可以发射激光的设备。根据工作介质，激光器可分为四类：气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器。最近，自由电子激光器得到了发展。高功率激光器通常是脉冲式的。输出。
激光器的工作原理：
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理是相同的。激光产生的必要条件是粒子数反转和增益大于损耗，因此该器件中不可或缺的组件是激发（或泵浦）源和具有亚稳态能级的工作介质。激发是指工作介质在吸收外部能量后被激发到激发态，为实现和维持粒子数反转创造条件。激发方法包括光激发、电激发、化学激发和核能激发。
工作介质的亚稳态能级使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组件包括谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）不是不可或缺的组件。谐振腔可以使腔内的光子具有相同的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。此外，它可以很好地缩短工作材料的长度，还可以通过改变谐振腔的长度来调节产生的激光的模式（即模式选择），因此通常激光器都有谐振腔。
激光器一般由三部分组成：
1.工作物质：在激光器的核心，只有能够实现能级跃迁的物质才能用作激光器的工作物质。
2.鼓励能量：其功能是给工作物质提供能量，并激发原子从低能级到高能级的外部能量。通常可以有光能、热能、电能、化学能等。
3.光学谐振腔：第一个功能是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断加速光子；第三是限制激光输出的方向。最简单的光学谐振腔由放置在氦氖激光器两端的两个平行镜组成。当一些氖原子在已经实现粒子数反转的两个能级之间跃迁，并平行于激光方向辐射光子时，这些光子将在两个镜子之间来回反射，从而连续产生受激辐射。非常强的激光产生得非常快。
激光发出的光的质量是纯净的，光谱是稳定的，可以用在很多方面：
红宝石激光器：最初的激光器是红宝石被一个明亮的闪光灯泡激发，产生的激光是“脉冲激光”，而不是连续稳定的光束。这种激光器产生的光速质量与我们现在使用的激光二极管产生的激光有着根本的不同。这种仅持续几纳秒的强光发射非常适合捕捉容易移动的物体，例如人的全息肖像。第一幅激光肖像画诞生于1967年。红宝石激光器需要昂贵的红宝石，并且只能产生短脉冲光。
氦氖激光器：1960年，科学家Ali Javan、William R.Brennet Jr.和Donald Herriot设计了一种氦氖激光器。这是第一台气体激光器。这种类型的激光通常由全息摄影师使用。两个优点：1.产生连续的激光输出；2.不需要闪光灯进行光激发，而是使用电激发气体。
激光二极管：激光二极管是最常用的激光器之一。二极管PN结两侧电子和空穴自发复合发光的现象称为自发发射。当自发辐射产生的光子穿过半导体时，一旦它穿过发射的电子-空穴对附近，它就可以激发两者复合并产生新的光子。这个光子诱导激发的载流子复合并发射新的光子。这种现象被称为受激辐射。
如果注入电流足够大，将形成与热平衡态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层中的载流子发生大量反转时，少量的自发辐射由于谐振腔两端的往复反射而产生感应辐射，导致频率选择性谐振正反馈，或获得一定的频率。当增益大于吸收损耗时，PN结可以发射出具有良好光谱线的相干光激光。激光二极管的发明使激光应用迅速普及。各种类型的信息扫描、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光光盘、激光指示器、超市收藏等，都在不断发展和普及。
如果注入电流足够大，将形成与热平衡态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层中的载流子发生大量反转时，少量的自发辐射由于谐振腔两端的往复反射而产生感应辐射，导致频率选择性谐振正反馈，或获得一定的频率。当增益大于吸收损耗时，PN结可以发射出具有良好光谱线的相干光激光。激光二极管的发明使激光应用迅速普及。各种类型的信息扫描、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光光盘、激光指示器、超市收藏等，都在不断发展和普及。
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