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激光是什么？激光器分類根據(jù)什么？

作者:奧固鴻已有:N多人關(guān)注

激光是60年代初出現(xiàn)的一種新穎光源。它的發(fā)光方式不同于普通光源。普通光源的發(fā)光是由于原子核周圍的電子從高能極向低能級遷時放出光子而發(fā)光。在一般情況下，原子核周圍的電子處于自然狀態(tài)——低能態(tài)（或稱基態(tài)），這時電子所處位置稱為低能級，物體并不發(fā)光。當(dāng)原子受到外界影響（如加熱、放電、光照等）時，處于低能級的電子就跳到高能級，使原子處于高能狀態(tài)。電子在高能級是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，它要自發(fā)地向低能級躍遷，同時輻射出光子，使物體發(fā)光。這種發(fā)光狀態(tài)叫做自發(fā)輻射。普通的白熾燈、水銀燈等都屬于這種狀態(tài)。在普通的發(fā)光體里，處于高能態(tài)的原子數(shù)量較低能態(tài)的原子數(shù)量總是要少，因而它的發(fā)光能力總是不會很高。但對某些所謂激光物質(zhì)，當(dāng)它受到外界影響（如光照）時，大量處于低能級的電子跳到高能級，使處于高能態(tài)的原子數(shù)量較低能態(tài)的要多，即所謂“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，這時如有適當(dāng)能量的外來光子刺激（感應(yīng)）處于高能狀態(tài)的原子，就會引起高能級上的電子向低能級躍遷，并發(fā)出和外來光子相同的光子，使物體發(fā)光。由于這種發(fā)光狀態(tài)是受外來刺激而輻射出來的，因此稱為受激輻射（激光）。輻射出來的光子為外來光子和電子躍遷時放出的光子，也就是說輻射出來的光要較外來光亮的多，這就是所謂光放大。激光器的英文名稱Laser即英文受激輻射放大的縮寫。當(dāng)然，實際上激光器的工作不僅僅是上述一次放大，而是通過激光器內(nèi)諧振腔的作用，反復(fù)進(jìn)行放大、振蕩，然后輸出，因而有很大的亮度。下圖是常見的氦氖氣體激光器示意圖，放電管2用硬質(zhì)玻璃或石英玻璃制成，內(nèi)充氦氖氣體。儲氣套3使激光器有較長工作壽命。4為圓筒形陰極，6為陽極。1、5為反射鏡（構(gòu)成諧振腔），其中一塊用于輸出激光的窗口、反射率為93.5~99%，另一塊要求反射率在99%以上。兩塊反射鏡的反射面要嚴(yán)格平行。當(dāng)玻璃管內(nèi)的兩個電極沒有接通時，氦氖氣體的原子處于基態(tài)，沒有光輻射。給兩個電極機上電壓，使氣體放電，產(chǎn)生光輻射。這時的光輻射還是屬于一般光輻射，光子的方向是雜亂無章的，其中有些逸出管外；有的垂直射到反射鏡表面。這些垂直射到反射鏡表面的光子被反射回去，成為“初始信號”，它們激發(fā)工作氣體的原子成高能態(tài)，再放出光子，然后再被反射鏡反射回去，再激發(fā)工作氣體放出光子，循環(huán)往復(fù)而使反射光不斷地被放大到一定程度后，其中一部分光線透過反射率稍低的那塊反射鏡射出，另一部分仍被反射回去，再激發(fā)工作物質(zhì)而發(fā)射光子。當(dāng)然，反射光的放大并不是無限的，它受各種因素的影響而到一定程度就不能再增大。但較普通光源來說，由于多次的光放大而變得非常強。

由于只有垂直射到反射鏡表面的光子才能在兩反射鏡之間來回反射，直到最后輸出，因此，輸出光束的發(fā)散角很小，即方向性好，能量也非常集中，這也是激光高亮度的原因之一。激光的單色性好也與諧振腔有關(guān)。從圖可以看出，諧振腔的兩塊反射鏡類似于前面介紹過的多光束干涉的兩塊反射鏡。設(shè)兩塊反射鏡之間的距離為L，激光的某一束光纖在反射鏡之間來回反射，就形成了一組平行光，從反射鏡輸出后都是相干光。任意兩條相鄰的相干光的光程差Δ彼此相等，即
Δ=2nLcosα
式中α為反射光束與鏡面法線間的夾角，取α≈0，則的cosα=1。諧振腔內(nèi)氣體折射率近似取為1，則公式就稱為
Δ=2L
當(dāng)Δ=2L=kλ時（k=0,1,2,…..）,光束相干后得到最大光強度。由此可見，能夠被增強的光束的波長與諧振腔的長度L有關(guān)，即
λ=2L/K
或者根據(jù)λ=c/ν改寫為
ν=Kc/2L
稱為共振（諧振）條件或駐波條件。頻率ν稱為諧振頻率或共振頻率，也稱縱模。至于那些滿足多光束干涉光強度極小條件的波，則被濾掉而無輸出。適當(dāng)選擇諧振腔的長度和采取一系列的選頻穩(wěn)頻措施，就可使激光器實現(xiàn)單模輸出，即輸出光纖具有良好的單色性。
以上以氦氖氣體（原子狀態(tài)）為工作物質(zhì)的氣體激光器為例，簡要地介紹了激光器的工作原理。氣體激光器是目前種類最多，應(yīng)用最廣泛的一種激光器。
激光器發(fā)展迅速，種類繁多，下表列出了四類激光器及其中一些激光器的名稱。

類別		名稱
氣體激光器	中性原子激光器	氦氖激光器
	離子激光器	氬離子激光器、氪離子激光器
	分子激光器	二氧化碳激光器、氯化氫激光器、H2O激光器
固體激光器	晶體激光器	紅寶石激光器、釔鋁石榴石（YAG）激光器
	非晶體（玻璃）激光器	釹玻璃激光器
	塑料激光器
液體激光器	無機液體激光器	二氯氧化硒（SeOCl2）激光器
液體激光器	有機液體激光器	螯合物激光器、燃料激光器
半導(dǎo)體激光器	P-n結(jié)激光器	G2A3、aSb激光器
	電子束激勵激光器	CdS,ZnS激光器
	光激勵半導(dǎo)體激光器	G2As PbTe激光器