【正文】 目錄第一章、 激光基礎(chǔ)第二章、 激光器第三章、 光纖的特性第四章、 光纖激光器第五章、 實(shí)驗(yàn)室激光器型號(hào)及操作安全第一章 激光基礎(chǔ)？激光在我國(guó)最初被稱為“萊賽”，即英語“Laser”的譯音，而“Laser”是“Light amplification by stimulated emission of radiation”的縮寫。意為“輻射的受激發(fā)射光放大”，大約在1964年，根據(jù)錢學(xué)森院士的建議，改名為“激光”。激光是通過人工方式，用光或者放電等強(qiáng)能量激發(fā)特定的物質(zhì)而產(chǎn)生的光。激光的四大特性：高亮度、高單色性、高方向性、高相干性。具有高亮度的激光束經(jīng)過透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其能夠加工幾乎所有材料。由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度。按照玻爾的氫原子理論，繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的電子具有一系列不連續(xù)的軌道，這些軌道稱為能級(jí),如圖11。圖11 原子能級(jí)圖當(dāng)電子在不同的能級(jí)時(shí)，原子系統(tǒng)的能量是不相同的，能量最低的能級(jí)稱為基態(tài)。當(dāng)電子由于外界的作用從較低的能級(jí)躍遷到較高的能級(jí)時(shí)，原子的能量增圖12 電子躍遷圖加，從外界吸收能量。反之，電子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，向外界發(fā)出能量。在這個(gè)過程中，若原子吸收或發(fā)出的能量是光能（輻射能），則稱此過程為輻射躍遷。發(fā)出或吸收的光的頻率滿足普朗克公式（hv=E2E1）。、自發(fā)輻射、和受激輻射受激吸收：處于低能級(jí)上的原子，吸收外來能量后躍遷到高能級(jí)，則稱之為受激吸收。自發(fā)輻射：由于物質(zhì)有趨于最低能量的本能，處于高能級(jí)上的原子總是要自發(fā)躍遷到低能級(jí)上去，如果躍遷中發(fā)出光子，則這個(gè)過程稱為自發(fā)輻射。兩個(gè)能級(jí)之間的能量差越大，自發(fā)輻射過程所放出的光子頻率就越高。如同彈琴，如果用力拉緊琴弦，琴發(fā)出的音調(diào)頻率就高，反之則低。自發(fā)輻射光極為常見，普通光源的發(fā)光就包含受激吸收與自發(fā)輻射過程。前一過程是粒子由于吸收外界能量而被激發(fā)至高能態(tài)；后一過程是高能態(tài)粒子自發(fā)地躍遷回低能態(tài)并同時(shí)輻射光子。當(dāng)外界不斷地提供能量時(shí)，粒子就會(huì)不斷地由受激吸收到自發(fā)輻射，再受激吸收，再自發(fā)輻射……如此循環(huán)不止地進(jìn)行下去。每循環(huán)一次，放出一個(gè)光子，光就這樣產(chǎn)生了。以電燈為例：接通電源后，電流流經(jīng)燈泡中的發(fā)光物質(zhì)——鎢絲，鎢絲被灼熱，使鎢原子躍遷至高能態(tài)，然后又自發(fā)躍遷回低能態(tài)并同時(shí)輻射出光子，于是燈泡就亮了。受激輻射：處于高能級(jí)E2上的原子，受外來頻率（滿足hv=E2E1 ）的光子的激勵(lì)，從E2躍遷到E1，發(fā)出一個(gè)和外來光子完全相同的光子，稱為受激輻射。受激輻射和自發(fā)輻射有本質(zhì)的區(qū)別：前者是受激產(chǎn)生，躍遷時(shí)產(chǎn)生的光子與外來光子在頻率、相位、方向、和偏振方向上完全一致，吸收一個(gè)光子，放出兩個(gè)光子，產(chǎn)生的光子相當(dāng)于加強(qiáng)了外來光子，即光放大作用。而自發(fā)輻射的光子頻率不同，是雜亂無章的，完全不相干的。光放大作用簡(jiǎn)單地說，就是輸入是一個(gè)外來光子，而輸出的則是性質(zhì)與外來光子一模一樣的兩個(gè)光子，因?yàn)樵谳敵龅膬蓚€(gè)光子中，一個(gè)就是外來光子本身，而另一個(gè)則是在受激輻射過程中釋放出來的，即是被外來光子“激”出來的。一個(gè)光子激發(fā)一個(gè)粒子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)完全相同的光子，這就是光的“放大”。這兩個(gè)光子再去激發(fā)兩個(gè)粒子產(chǎn)生受激輻射，就可以得到完全相同的4個(gè)光子，16……如此鏈鎖反應(yīng)，完全相同的光子數(shù)目便會(huì)越來越多，可見受激輻射過程也就是光放大的過程。在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大了的光，便是激光。 從光的放大作用可以看出，要想實(shí)現(xiàn)放大，則必須輸入外來光子（即種子光，后面要講的泵浦光），并且要有可供受激輻射的處在高能級(jí)的原子。在平衡狀態(tài)下，粒子（原子、分子等）在各能級(jí)的分布滿足玻爾茲曼公式，即能級(jí)的能量愈高，上面的粒子數(shù)越少。這時(shí)如果給粒子系統(tǒng)提供一個(gè)外來能量，使低能級(jí)上的粒子吸收能量躍遷至高能級(jí)上，使高能級(jí)上的粒子數(shù)多于低能級(jí)上的粒子數(shù)，這個(gè)過程即稱為粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)。只有在兩個(gè)形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能級(jí)之間，受激輻射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。 ：激勵(lì)源，工作介質(zhì)，諧振腔 一、激勵(lì)源 要想把處于低能態(tài)的粒子送到高能態(tài)去，就得借助外力工具來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程類似于把水位很低的河水或井水抽運(yùn)到水塔上的蓄水池里，必須要有足夠功率的水泵作功才成。同理，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，首先必須消耗一定的能量把大量粒子從低能級(jí)“搬運(yùn)”到高能級(jí)，這種過程在激光理論上叫做泵浦或激勵(lì)。由于其作用原理和水泵抽水相類似，所以把能使大量的粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的激勵(lì)裝置通稱之為“光泵”?！肮獗谩敝皇窃诮忉屃Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)時(shí)借用的一種形象的說法。實(shí)際上粒子都是甘居低能態(tài)的，而且很頑固，并不是象水一樣很容易地就被泵抽運(yùn)走了。即使費(fèi)了很大勁把一部分抽運(yùn)到了高能態(tài)，但它們很快就又自發(fā)地躍回低能態(tài)了。怎么辦呢，那就需要加大能量不停頓地來轟擊。就是說，激勵(lì)不僅要快，而且要強(qiáng)有力。激勵(lì)作用總是通過消耗一定的能量來實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生受激輻射所需要的最小激勵(lì)能量定義為激光器的閾值。閾值是描述激光器整體性能的一個(gè)重要參數(shù)。二、工作介質(zhì) 在大千世界里，各種各樣的物質(zhì)都是由分子、原子、電子等微觀粒子組成的，如果有了強(qiáng)大的激勵(lì)是不是都能在物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光呢?不是的，激勵(lì)只是一個(gè)外部條件，激光的產(chǎn)生還取決于合適的工作物質(zhì)，也稱之為激光器的工作介質(zhì)，這才是激光產(chǎn)生的內(nèi)因。前面我們所講到的都是以二能級(jí)系統(tǒng)為例來討論的，也就是說工作物質(zhì)只有高、低兩個(gè)能級(jí)。實(shí)際上目前所有已實(shí)現(xiàn)的激光輻射都是三能級(jí)或四能級(jí)系統(tǒng)。下圖是紅寶石激光器的鉻離子(Cr3+)的簡(jiǎn)化能級(jí)圖，這是一個(gè)典型的三能級(jí)系統(tǒng)。圖中所示的E1,E2,E3中，E2是亞穩(wěn)態(tài)級(jí)。外界激發(fā)作用將會(huì)把粒子從E1抽運(yùn)到E3，被抽運(yùn)到E3的粒子很快通過無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到E2，因?yàn)镋3的壽命只有109秒，即10億分之一秒，不允許粒子久留，所以此過程很快。但E2的亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)，約為103秒，即千分之一秒，允許粒子久留。隨著E1上的粒子不斷地被抽運(yùn)到E3，又很快轉(zhuǎn)移到E2，既然E2允許粒子久留，那么從E2到E1的自發(fā)輻射躍遷幾率就很小，于是粒子就在 E2上積聚起來，從而實(shí)現(xiàn)E2對(duì)E1兩能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 這個(gè)系統(tǒng)便能對(duì)誘發(fā)光子能量hV=E2—E1的光進(jìn)行光放大。顯然，E2能級(jí)好象一個(gè)水塔上的蓄水池，能夠貯存大量的粒子，只有亞穩(wěn)態(tài)級(jí)才具有這種能力，但并不是所有的發(fā)光物質(zhì)都具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這就是有些物質(zhì)可以“激”出激光來，而有些物質(zhì)卻“激”不出來的道理。所以，具備亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)是對(duì)產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)的起碼要求。 三、諧振腔合適的工作物質(zhì)有了，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激勵(lì)源有了，這下子該“激”出激光了吧!還不行，因?yàn)槿藗冊(cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這樣雖然可以產(chǎn)生受激輻射，但非常微弱，根本形不成可供人們使用的激光。這很自然的使人們想到了采用放大的辦法來解決這個(gè)問題，于是出現(xiàn)了光學(xué)諧振腔。即利用兩個(gè)面對(duì)面的反射鏡