激光器

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定义:基于光的受激辐射,可以产生可见光或者不可见光的器件。

激光器(Laser)是受激辐射被放大的光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的简称,它是在1957年由Gordon Gould发明的。尽管该词最初是为了表示一种工作原理(利用激发原子或离子的受激辐射),但是现在主要用来表示基于激光器原理产生光的器件。有些特定的情况下,也指激光振荡器,或者指包含激光放大器的器件。

第一个激光器装置是脉冲红宝石激光器,是1960年Theodore Maiman制作的[2,3]。同年,实现了第一台气体激光器(氦氖激光器[5])和第一个激光二极管。在该实验工作之前,Arthur Schawlow, Charles Hard Townes, Nikolay Basov和Alexander Prokhorov发表了关于激光器工作原理的开创性的理论工作,而在1953年Townes的小组就发表了关于微波放大器和振荡器的工作。最初是采用了镭射(Optical maser, microwave amplification by stimulated amplification of radiation)一词,之后由激光器(laser)取代。

激光器技术是光子学领域的核心技术,主要是由于激光具有很多特殊的性质:

  1. 它通常是以激光光束的形式被辐射出来,发射角很小,并且可以聚焦成很小的点。
  2. 它的光学带宽很窄,而大多数照射灯辐射非常宽光谱的光。
  3. 它可能是连续光的形式,或者是短脉冲或超短脉冲,长度可以从毫秒降低到几飞秒。

激光的这些性质使其有很广泛的应用,是激光辐射很高相干性的结果。更多细节可参阅词条激光激光器应用


目录

激光器工作原理

激光振荡器通常包含一个光学谐振腔激光谐振腔,激光),光可以在其中往返运动(例如,在两个反射镜之间),谐振腔中存在增益介质(例如,激光晶体),是用来放大光的。如果不存在增益介质,那么光每往返一周后都会变得越来越弱,因为它会受到一些损耗,例如来自于反射镜反射引起的损耗。但是,由于增益介质可以放大往返的光,因此如果增益足够高可以补偿损耗。增益介质需要外加的泵浦能量,例如通过注入光(光学泵浦)或者电流(电泵浦,参阅半导体激光器)。激光放大的原理是受激辐射


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图1:一种简单的光学泵浦激光器的示意图。激光器谐振腔是有很高反射率的弯曲反射镜和部分透射的平的反射镜,以及输出耦合器组成,后者将往返的激光提取出来一部分作为有用的输出。增益介质为激光器晶体,它是边泵浦的,例如来自于闪光灯发出的光。

如果增益小于谐振腔损耗,那么无法实现激光产生,这一装置就是工作在激光阈值以下,只能得到发光现象。只有当泵浦功率大于激光阈值才会有较大的功率输出,这时激光器增益大于损耗。 如果增益大于损耗,激光谐振腔中的光功率从很低的荧光强度量级迅速变大。由于高的激光功率会使增益饱和,激光功率会达到一个稳态,在该态下饱和增益等于谐振腔损耗(参阅增益钳制)。阈值泵浦功率是指小信号增益足够产生激光时的泵浦功率。

在谐振腔中往返光的一部分光功率通过一个部分透明反射镜后发生透射,该反射镜称为输出耦合反射镜。产生的光束包含激光器的有用输出部分。输出耦合反射镜的透射可以进行优化得到最大的输出功率(参阅斜度效率)。

有些激光器是连续光工作,而其他的激光器则产生脉冲,脉冲可能非常强。有很多种方法使激光器得到脉冲产生,可以得到长度为毫秒,纳秒皮秒甚至几个飞秒的脉冲(参阅来自锁模激光器超短脉冲)。

当只有一个谐振腔模式可以发生振荡时(参阅单频工作),连续光激光器的光学带宽(或线宽)非常小。而在其它情况下,尤其是锁模激光器,带宽非常大,极限情况下可以拓展到一倍频程。激光辐射的中心频率通常在峰值增益频率附近,但是如果谐振腔损耗与频率有关的话,激光波长可以在增益足够大的一个范围内进行调谐。有些宽带增益介质,例如钛蓝宝石铬硒化砷能够实现波长在几百个纳米范围内调谐。

由于受到各种影响,激光器的输出中包含很多噪声,例如在输出功率或者光学相位中。


激光器类型

常见的激光器类型包括:

  1. 半导体激光器(大多数为激光二极管),是由电泵浦的(有时是光泵浦的),可以有效的产生很高的输出功率(通常光束质量较差),或者具有很好空间特性的低功率的光(例如,应用到CD和DVD播放器中),或者产生很高脉冲重复速率的脉冲(例如,用于通信应用)。一些特殊的类型包括量子级联激光器(中红外光)和表面发射半导体激光器(VCSELs和VESELs),后者适宜于得到高功率的脉冲。
  2. 基于离子掺杂晶体或玻璃的固态激光器掺杂绝缘体激光器),是由放电灯激光二极管泵浦的,得到很高的输出功率,或者具有很高光束质量、空间纯度和稳定性的低功率光(用于测量),或者长度为皮秒或飞秒的超短脉冲。常见的增益介质为Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:glass, Yb:YAG, Yb:glass, 钛蓝宝石,Cr:YAG和Cr:LiSAF。
  3. 光纤激光器,利用光纤纤芯中掺杂的一些激光活性离子。光纤激光器可以得到具有很高光束质量、很高输出功率的光(几千瓦),可以进行很宽的波长调谐,窄线宽工作等。
  4. 气体激光器(例如,氦氖激光器二氧化碳激光器氩离子激光器)和准分子激光器,通常利用在放电情况下气体被激发的原理。常用的气体包括CO2,氩气,氪气和一些气体混合物,例如氦氖。而常见的准分子包括ArF, KrF, XeF和F2

一些较不常见的激光器包括化学和核泵浦激光器,自由电子激光器X射线激光器


广泛意义上的激光光源

有些光源并不严格是激光,但是也被称为激光光源:

  1. 有些情况下,是指不需要入射就有辐射光的放大装置(种子放大器除外)。例如X射线激光器,通常是超发光光源,是自发辐射产生之后被单级放大得到的。它不包含激光谐振腔光学参量产生器中的情况类似,但是放大过程不是基于受激辐射。这种装置产生的光具有激光性质,例如辐射具有很强的方向性和有限的光学带宽。
  2. 有些情况下,激光光源仅仅指光源中包含一个激光器,还有一些其它的器件。激光器和放大器组合在一起就是这种情况(主振荡功率放大器),还有非线性频率转换得到的激光辐射,例如,利用倍频器或者光参量振荡器


激光安全

利用激光器工作会产生安全问题。有些直接与激光有关,尤其是产生很高的光强时,还有一些与激光光源相关。更多细节可参阅词条激光安全

参考文献

[1] A. L. Schawlow and C. H. Townes, “Infrared and optical masers”, Phys. Rev. 112 (6), 1940 (1958) (ground-breaking work; also contains the famous Schawlow–Townes equation)

[2] T. H. Maiman, “Stimulated optical radiation in ruby”, Nature 187, 493 (1960) (first experimental demonstration of a laser)

[3] T. H. Maiman, “Optical maser action in ruby”, Br. Commun. Electron. 7, 674 (1960)

[4] P. P. Sorokin and M. J. Stevenson, “Stimulated infrared emission from trivalent uranium”, Phys. Rev. Lett. 5 (12), 557 (1960) (the first four-level laser)

[5] A. Javan, W. R. Bennett Jr., and D. R. Herriott, “Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing a He–Ne mixture”, Phys. Rev. Lett. 6 (3), 106 (1961)

[6] G. Smith, “The early laser years at Hughes Aircraft Company”, IEEE J. Quantum Electron. 20 (6), 577 (1984)

[7] R. E. Slusher, “Laser technology”, Rev. Mod. Phys. 71, S471 (1999)

[8] L. Sutherland, Laser video documentary, http://www.laservideodocumentary.com

[9] J. M. Gill, “Lasers: a 40-year perspective”, IEEE J. Quantum Electron. 6 (6), 1111 (2000)

[10] "Bright idea: the first lasers", American Institute of Physics (2010)

[11] J. Hecht, “Short history of laser development”, Opt. Eng. 49, 091002 (2010)

[12] A. E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA (1986)

[13] O. Svelto, Principles of Lasers, Plenum Press, New York (1998)

[14] F. Träger (ed.), Handbook of Lasers and Optics, Springer, Berlin (2007)

[15] R. Paschotta, Field Guide to Lasers, SPIE Press, Bellingham, WA (2007)



参阅:激光激光放大激光物理激光器设计激光谐振腔激光晶体增益介质二极管泵浦激光器灯泵浦激光器固态激光器光纤激光器波导激光器上转换激光器半导体激光器气体激光器X射线激光器锁模激光器调Q激光器可见光激光器斜度效率激光器噪声线宽相干性波长调谐激光安全激光性能指标