激光器是一种能够产生激光的装置,它基于受激辐射原理,将其他形式的能量转化为光能,产生具有高度相干性、方向性和单色性的激光束。以下从其工作原理、结构、分类和应用领域等方面进行具体介绍:
工作原理
受激吸收:激光器中的工作物质(如固体材料、气体、液体等)在泵浦源的作用下,吸收外界能量,使工作物质中的粒子从低能级跃迁到高能级,形成粒子数反转分布。
受激辐射:处于高能级的粒子在外界光子的诱发下,会跃迁到低能级,并发射出与入射光子具有相同频率、相位、偏振态和传播方向的光子,这种现象就是受激辐射。大量受激辐射的光子在光学谐振腔内不断反射、振荡,形成光放大,最终输出高能量、高方向性的激光束。
基本结构
工作物质:是激光器的核心部分,决定了激光的波长、功率等特性。常见的工作物质有红宝石、钕玻璃、二氧化碳气体、氦氖气体等。
泵浦源:为工作物质提供能量,使其实现粒子数反转。泵浦源的形式有很多种,如闪光灯泵浦、半导体激光泵浦、电子束泵浦等。
光学谐振腔:由两个反射镜组成,一个是全反射镜,另一个是部分反射镜。它的作用是使受激辐射的光在腔内来回反射,形成稳定的振荡,同时对激光的方向和频率进行选择,保证输出激光的高方向性和单色性。
主要分类
按工作物质分类:可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。固体激光器如红宝石激光器、钇铝石榴石(YAG)激光器;气体激光器有氦氖激光器、二氧化碳激光器;液体激光器常见的有染料激光器;半导体激光器如砷化镓(GaAs)激光器等。
按输出方式分类:有连续输出激光器和脉冲输出激光器。连续激光器能持续输出稳定的激光束,如连续的氦氖激光器常用于激光指示等;脉冲激光器则以脉冲形式输出高能量的激光,如调 Q 脉冲激光器可用于激光加工、激光测距等。
应用领域
工业领域:用于激光切割、焊接、打标、表面处理等。激光切割可以精确地切割各种金属和非金属材料,具有切割速度快、切口质量好等优点;激光焊接能够实现高质量的金属连接,广泛应用于汽车制造、电子设备生产等行业。
医疗领域:可用于激光手术、激光治疗、医学成像等。例如,激光眼科手术可以矫正视力;激光美容能够去除色斑、皱纹等;激光在医学成像中可用于光学相干断层扫描(OCT)等技术,帮助医生进行疾病诊断。
通信领域:作为光通信的光源,用于光纤通信系统中,实现高速、大容量的数据传输。
科研领域:用于光谱学研究、原子分子物理实验、非线性光学研究等。如利用激光冷却技术可以将原子冷却到极低温度,用于研究量子物理现象。
军事领域:可用于激光制导、激光测距、激光雷达、激光武器等。激光制导武器能够精确命中目标;激光雷达可以用于目标探测和识别。