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各种激光的解释

更新时间:2/9/2012 11:02:11 AM  来源:hanzlaser  编辑:hanzlaser  浏览数:

 各类激光详解
按激光光的收激物质分类,主要的分类方式来分:
1、 绝缘固体激光(Solid state laser)
2、 液体激光
3、 气体激光(Gaseous laser)
4、 化学激光(Chemical laser)
5、 半导体激光(Semiconductor laser)
6、 色中心(Color-center)激光
7、 自由电子 (Free electron) 激光
8、 倍频(Frequency double)激光
1、绝缘固体激光(Solid state laser)
这种激光的激光介质是掺有杂质的绝缘质固体,包括晶体激光、玻璃激光与光纤激光。 晶体、玻璃与光纤是寄主材料(host material),其中取代某些寄主离子的「杂质(Impurity)」离子是激光的主动介质。 例如红宝石的寄主是三氧化二铝晶体(Sapphire;常译为「蓝宝石」) ,主动介质是铬【铬读作「各」】离子(Cr3+)。下文中,将用「Cr3+:Al2O3」这样的记号表示主动介质与寄主,以及「铬―氧化铝激光」形式的记号表示激光名称。
一种主动介质,可以掺入于几种晶体、玻璃与光纤中。由于各寄主中的电子分布及对称性有差别,所以同一种离子在其中的能阶结构及能阶差有差异,产生的激光光波长可能相近,但不会完全相同。例如,钕【钕读作「女」】离子(Nd3+)的激光都有接近1μm但不相等的波长。以不同材料为寄主的其他差异,在于增益、散热性、可用之晶体长度等。这些因素会影响激光能达到的功率,因而影响商品规格及价格。
a、红宝石(Ruby laser)激光
红宝石激光可产生694.3 nm及692.8 nm的激光光,但后者的增益较低,一般都取其694.3 nm的输出。
b、钕离子(Nd3+)的激光
钕离子的激光中,钕-雅克(Nd-YAG)激光是知名度最高的。雅克是YAG的音译,它代表钇铝石榴石(Yttrium aluminum garnet;Y3Al5O12)。主动介质是YAG晶体中,取代约1%钇离子(Y3+)的钕离子。(钕离子的相关激光之波长)
c、钛-蓝宝石(Titanium-sapphire)激光及其他可变频固体激光
钛-蓝宝石激光的主动介质,是掺入Al2O3晶体中的Ti3+离子,它取代铝离子。它有两个特点:(1)输出激光光频率可在660至1,180 nm之间调变;(2)它可以产生短于100 fs的超短脉波。(可调波长的固体激光)
d、其他固体激光
其他固体激光
2、液体激光
液体激光是以溶于溶剂的染料作为主动介质,通常称为染料激光(Dye laser)。染料分子具有含多个苯环的复杂结构。它们的能阶中,对应于每个电子能阶,有许多间隔细密的振动能阶,成带状分布,所以一个范围内的频率,都能发生跃迁,而产生激光光。
另一方面,染料的能阶结构也使它能吸收频率范围相当广的激发光,这些频率大多在紫外线和可见光波段。用不同的激发波长照射一种染料,产生的激光光波长也会不同。(蔷薇红6G激光光波长数据)
一部可调变激光光波长的装置,可以产生多种需要的激光光,所以用途相当广。但是固体激光在体积、耗电量、电压需求、冷却需求、安全性、稳定性方面的优点,比染料激光高出许多。这些优点使固体激光在小型化及可移植性(Portability)方面占尽优势。由于固体可变频激光的适用波长范围仍多属红外线区,虽然可以藉放大器及非线性变频装置,产生波长较短的高质量光束,有许多波长范围仍未可及,所以染料激光在目前仍有存在及利用的空间。
3、气体激光(Gaseous laser)
以气体为主动介质的激光中,包括中性原子激光、离子气体激光、金属蒸汽激光、分子气体激光、准分子激光。分别介绍如下:
(1)、稀有气体元素的中性原子激光与离子气体激光
a、中性原子激光
中性原子激光与离子气体激光的差别,在于前者的激光光来自中性原子能阶( 如图二所示氦原子与氖原子能阶 )之间的跃迁,后者是离子的能阶( 如Ar+,Kr+ )间之跃迁。因此,氩激光(Argon laser)与氩离子激光(Argon ion laser)并不相同,前者的激光光波长属于红外线波段,后者则在可见光和紫外线区。但是,一方面氩激光很少见,另一方面为了便于称呼,人们常将氩离子激光简称为氩激光。不但中文叙述如此,英文文献亦见此用法,所以在不致混淆的时候,仍可用氩激光称呼氩离子激光。
中性原子激光中,最常见的是氦氖激光。它的红光尤其为大家所熟悉。它的光色显著,所以常用作非可见光激光中的指引光束(Guiding beam)。其优越的同调性及方便的操作条件(只须气冷、110V的电压、价格相对地低廉),使它广用于扫描读码装置及全像等。
b、离子激光
稀有气体离子激光中,以氩离子激光及氪离子激光为最常见。除了直接利用之外,氩离子激光常以其紫外线及蓝绿光激发染料激光。20W机型可产生275.4至1090.0 nm的一些激光光。主要的可见光波长分别是514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。蓝绿光波段中,最强而最常用的是514.5及488 nm。
氪离子激光可产生337.4至799.3 nm,最强的是647.1 nm,其次为413.1及530.9 nm。商品中,有将氩气与氪气混合的机型。
(2)、金属蒸汽的中性原子激光与离子激光
a、中性原子激光
Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金属的蒸汽,都是中性原子激光的主动介质。它们的蒸汽中,常混入低压力的惰性气体,以提高放电效率。铜蒸汽激光商品可产生100W以上的绿光(511 nm)及黄光(578 nm),金蒸汽激光则可得数十瓦的红光 (628 nm)。
这两种激光有很多用途,例如血紫质衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光谱的峰值约为628 nm,而癌细胞能吸收此物质。此物质受到628 nm的激光光照射后会分解,产生可杀死癌细胞的物质。不过,铜蒸汽激光激发染料激光,也可得到这种光,而不必依靠金蒸汽激光。此外,578 nm的激光可以除去某些胎记,效果优于用氩离子激光。
b、离子激光
金属蒸汽离子激光中,氦镉(He-Cd)激光是最主要的,氦硒(He-Se)、氦锌(He-Zn)等激光为此家族中之成员。氦镉激光的325 nm紫外线,和441.6 nm蓝光,是最常见的输出。加上特殊设计时,它可同时产生红光(635.6及636.0 nm)和绿光(533.7及537.8 nm)。它的短波长成分,在信息处理方面很有用。适当调配各波长的输出,几乎可以产生所有可见光的颜色,因而它的白光激光产品也是有名的。储存密度及鉴别能力的提高,使它在量度、检验、记录、印刷等方面有许多应用。
(3)、分子气体
二氧化碳激光和氮气激光是最常见的分子气体激光,其主要激光光分属红外线(10,640 nm)及紫外线(337 nm)。生物组织中的水分会吸收它的10,640 nm激光光,所以能用于手术,所需激光光功率约为50W。此外,非金属材料的加工、金属表面的热处理、光谱学及光化学研究、环境遥测、测距、激发其他激光、产生离子体(俗称电浆;Plasma)等,也都可用二氧化碳激光来进行。
氮气激光的紫外线激光光,适合激发染料激光,及使多种物质产生荧光,而可用于检验及研究工作。其缺点在于效率及功率均低,每个脉波的能量大约只有10mJ,平均功率约为数百mW。
(4)、准分子(Excimer)激光
准分子一词的原意,是「两个同种原子组成,而只存在于受激态的分子」,如稀有气体分子He2、Ar2、Xe2等;其英文原名为 Excited Dimer 组合成的术语。现在已经将它的适用范围放宽,以包括「不存在于基态,只以受激态呈现的任何双原子分子(有时还包括三原子分子)」。重要的准分子激光,以稀有气体的卤化物为主动介质,如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因为受激态常以星号(*)上标表示,所以有些数据上写成ArF*等。
准分子不会自然出现,而是在气体混合物中放电时形成的。此外,用电子束撞击,或在导波管型装置中以微波激发,也都可以造成准分子。它的激光光来自准分子解离成原子的电子跃迁,所以其激光光属紫外线,应用于精细蚀刻(如电路制程)、化学蒸着(Chemical vapor deposition)、化学反应研究及医疗上的用途较多。这些应用中,有的是以准分子激光激发可变频激光之后进行的。
商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等准分子居多,激光光频率分别是193、249、308、350 nm。
4、化学激光(Chemical laser)
由化学反应造成居量反转的激光,称为化学激光。
在化学、军事、材料研究与生物医学方面,都有化学激光发挥所长之处。例如氟化氢激光的光束可能是骨科手术所需要的。氟化氢激光中的反应可表示为2F2 + H2 →2HF* + F2,其实它的细部反应是链式反应:F + H2 →HF* + H ,F2 + H → HF* + F,而且可用放电使反应启动。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有类似作用。
化学激光的波长
5、半导体激光(Semiconductor laser)
半导体激光是用半导体制成的,其构造及电性质为二极管(Diode),也就是具有两个外接电路端点,分别位于其中的p型与n型部分,其间有个接面(Junction)。因此,半导体激光又名半导体二极管激光(Semiconductor diode laser)或二极管激光(Diode laser)。
电流较低时,它成为发光二极管(Light emitting diode;LED),发出自发射的光;电流够大的时候,才能造成自由电子的居量反转。另一方面,制程中适当的步骤使二极管两端具有相当高的反射率,就具备激光所需要的条件。
半导体激光技术的研发,使半导体激光成为效率很高的激光,但散热仍是重要问题。此外,端射型及面射型激光数组的研发,使系统产生的光束在能量及控制方面提升许多。随着半导体种类的扩增,半导体激光能产生的波长,也不断增加。下表列出几种室温下操作的半导体激光的波长数据。
半导体激光的例子:
半导体激光的介质体积小(典型尺寸约为10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作电流及电压低,消耗能量少,所以为人们所乐于使用。用许多个半导体激光激发其他的固体激光,是一种很有价值的应用。
6、色中心(Color-center)激光
碱金属的卤化物晶体中有某些杂质时,受到适当辐射照射后会显现颜色。卤化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等,杂质则有Li、Na等。这些杂质称为「色中心」。
7、自由电子 (Free electron) 激光
自由电子激光(FEL)以极高真空中的高速自由电子为主动介质。其波长可以调变,由微波到软X射线都可能。因此是一部装置可执行多种功能。现在的研究方向之一,是开发桌上型的机种,以便扩大应用场合,并降低价格。
8、倍频(Frequency double)激光
倍频激光实际上是加上倍频晶体的激光,但是有些数据上用造成倍频效应的晶体称呼它们,例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此,本文列出这一项,以引起读者注意KDP及KTP并非激光的主动介质,并略为介绍此类晶体。 倍频是非线性光学晶体(Nonlinear optical crystal)的功能之一。选用晶体时,产生倍频波的适用波段及转换效率(Conversion efficiency)是重要指标。其他要注意的项目包括是否会潮解、会造成损坏的光强度、晶体切割方向及镀膜状况等。
KDP是磷酸二氢钾(KH2PO4),为最早使用的倍频晶体,某些条件下的转换效率很高,但是会潮解,须注意防范。KTP是磷酸钾钛氧(KTiOPO4),性能与KDP相似,但是不会潮解。偏硼酸钡(Beta barium borate,β-BaB2O4; BBO)是较受重视的一种非线性光学晶体,它具有一些优良性质,但与其他晶体相同,并非适用于一切场合。举例来说,有些晶体适合产生二倍频,但不适用于三倍频。

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