【正文】 一轉(zhuǎn)動能級上，其中 S1態(tài)有稍長的壽命。 ? 染料激光器一般都采用光泵浦的方式，可選用閃光燈泵浦或激光泵浦。染料激光器的每個脈沖的激光能量可達數(shù)十焦耳的量級，峰值功率達幾百兆瓦，激光能量轉(zhuǎn)換效率高達 50％?？茖W(xué)家們利用這一束定向的強光束已經(jīng)精確地測定了地球到月球之間的距離，在平均為 4 105km的距離上測量誤差只有 3m，這是以往其它方法無法實現(xiàn)的。用激光手術(shù)刀切割人體組織既不流血也不留疤痕。受控核聚變是將激光分成多束，從各個方向均衡地照射在氘、氚混合體作成的小靶丸上，巨大的激光脈沖功率使靶丸在很短的時間內(nèi)高度壓縮，并產(chǎn)生高溫完成核聚變反應(yīng)。利用受控的光波傳遞能量和信息，這就是光通信，近代光通信技術(shù)的發(fā)展是近代人類物質(zhì)文明高度發(fā)展的一個重要標志。數(shù)千至數(shù)萬 MHz的微波波段，提供了如雷達、衛(wèi)星通信、微波通信等強有力的手段。 ? 經(jīng)過不懈的努力，本世紀 60年代初，發(fā)明了紅寶石激光器，獲得了強度遠高于普通光的相干光。由于光纖的傳輸損耗低、信息容量大、抗電磁干擾能力強、尺寸小、質(zhì)量輕、有利于敷設(shè)和運輸?shù)葍?yōu)點，并配以不斷發(fā)展的激光技術(shù)，使得光纖在通信、傳感以及其它領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 ? 纖芯的主要成分為二氧化硅 (SiO2),具有較高的折射率，有的在其中摻雜極少量的其它材料，如二氧化鍺 (GeO2),五氧化二磷 (P2O5 )等，可以達到提高纖芯的折射率的目的。 ? 在實際應(yīng)用中，將許多根光纖組合在一起，制成光纜，以提高光纖的利用效率。除了以上兩大類，隨著實際應(yīng)用需要的不斷提出，還出現(xiàn)了其它形式的折射率分布，如環(huán)形光纖和 W型光纖等。石英光纖損耗低，性能好，主要用于通信，故又稱通信光纖。中損耗極高損耗類型的光纖只能適用于幾十米到 1公里左右這樣較短距離的信號傳輸。 （ 2）數(shù)值孔徑 ? 數(shù)值孔徑定義為光纖可能接受外來入射光的最大受光角（ ）的正弦與入射區(qū)折率的乘積。為防止包層與空氣界面處全反射光的傳播，涂敷了第三層，如圖 所示，在包層與空氣層界面處產(chǎn)生的全反射光，雖然與芯部光線具有不同模式，但也與芯部光線一樣能夠被傳播。 ? 最初，光纖的損耗最高可達 1000dB/km，經(jīng)過短短三年左右時間， 1970年美國康寧玻璃公司率先制備出了損耗為 20dB/km的光纖。同時光纖的損耗也大幅度下降， 1976年在 ，這已經(jīng)是以金屬做芯的同軸電纜所望塵莫及的，由此光纖通信開始了工業(yè)化生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用的新時期。一方面是因為以二氧化硅為基本材料的光纖原本在 ，可以達到，但同時在該點材料的色散比較嚴重，大大限制了應(yīng)用帶寬。以后又有若干條跨洋海底光纜被投人使用。光纖應(yīng)用的特點主要是以下幾個方面。目前受到限制的因素主要在相關(guān)配套的其它光電子器件及微電子器件。目前已經(jīng)開始實現(xiàn)了信息技術(shù)中有一項十分有意義的計劃，就是向分布極其廣泛的辦公室及家庭提供寬頻帶綜合數(shù)字化服務(wù)。 ? (3) 光線具有極好的抗電磁干擾特性。作為比較傳統(tǒng)的用銅做導(dǎo)線的同軸電纜的損耗為5至 l0dB/km，而 。用光纖制成傳感器系統(tǒng)，用在化學(xué)試劑、石油天然氣、礦井等特殊環(huán)中都是十分可靠的。相比之下應(yīng)用光纖在經(jīng)濟效益方面占有極大的優(yōu)勢。這項優(yōu)點在軍事保密通信、銀行財會管理網(wǎng)絡(luò)及許多要求保密的應(yīng)用中受到特別的歡迎?？梢詫⑷舾筛饫w集合制成光纜，盡管在成纜過程中為提高光纜抗拉強度，也必須有金屬的加固及抗拉構(gòu)造，但無論是尺寸或重量光纜都要比傳統(tǒng)的金屬電纜要都優(yōu)勝得多。就目前的技術(shù)來說，拓展光纖頻帶利用率的最好辦法是采用波分復(fù)用技術(shù)，一根光纖可以在同時傳輸多個光信號，使每個具有不同的中心波長的光信號，可以在一根光纖上并行傳輸。光纖在 5 1013 Hz的頻帶寬度，這就相當于可同時傳送 3億 4千萬路電話。 ? ? 光纖在光通信方面在其早期發(fā)展中已顯示出許多優(yōu)點。 1988年，第一條跨越大西洋海底，連結(jié)美國東海岸同歐洲大陸的光纜開通。此類激光器同光纖的 窗口相配合，可以使具有相應(yīng)特性的光纖成為長途干線光纖通信的主角。早期的半導(dǎo)體激光二極管使用壽命很短，僅數(shù)小時，并且必須要被置于低溫環(huán)境中才能工作。因此不發(fā)生模式色散，可成為寬頻帶光纖。一般情況是 n1只略大于 n2，對單模光纖就有△ =％，多模光纖△ = 1％， ? ? ? 我們已經(jīng)知道主要有階躍折射率型和梯度折射率型兩種形式的光纖。綜合兩者因素，一般光纖總的直徑不能大于 150um。若按使用過程中的損耗程度來區(qū)分，又可分為高損耗光纖、中損耗光纖和低損耗光纖。標準的單模光纖的芯徑為 8~10um；而多模光纖的芯徑約為 50~100um，兩種光纖外徑均為 125um。在階躍型的光纖里 ,纖芯和包層各自的折射率都是均勻的，但纖芯的折射率要高于包層的折射率，因此在它們的邊界處，折射率呈一階梯型突變，如圖 （ a）所示。涂敷層能夠增強光纖的柔韌性、機械強度和耐老化特性。涂敷層與護套具有隔離雜散光、提高光纖強度和保護光纖等的作用。 ? 1966年有人提出用介質(zhì)光波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維來取代傳統(tǒng)的僅有導(dǎo)電作用的金屬電纜，用導(dǎo)波光來傳送信息的設(shè)想，引起學(xué)術(shù)界及實業(yè)界的極大興趣，并由此奠定了光纖通信的理論基礎(chǔ)，推動了實用化光導(dǎo)纖維制造工藝的研究。 20世紀早期，就有不少科學(xué)家致力于光通信的研究，但進展不大，主要的原因是缺乏理想的光源。當人們掌握了數(shù)百至數(shù)千 kHz的電磁波的發(fā)射和接收技術(shù)時，無線電通信及廣播開始為人類服務(wù)。非線性光學(xué)效應(yīng)將在光學(xué)倍頻與混頻、受激拉曼散射等很多方面的應(yīng)用上顯現(xiàn)其優(yōu)勢。核聚變反應(yīng)需要在 107~108℃ 以上的高溫才能有效的進行。 ? （ 3）激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 ? 利用激光可以對有機物產(chǎn)生光、熱、壓力、電磁等多方面作用，使得它在醫(yī)學(xué)研究及醫(yī)療上的應(yīng)用已越來越廣泛。 ? （ 1）激光測距 ? 我們知道根據(jù)光束往返時間可以對確定的目標測定距離，但是普通光束的發(fā)散角很大，光強也很有限，當被測目標的距離較遠時，返回的光束十分微弱，難以完滿地完成精確測距的任務(wù)。 ? 染料激光器是比較理想的可調(diào)諧激光器。 ? 染料激光器屬于四能級系統(tǒng)，容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激光器的閾值低，發(fā)射的激光譜線非常寬。 S0是基態(tài)，其它能級均為激發(fā)態(tài)。 ? 染料激光器是以溶于一定溶劑（例如甲醇、乙醇、干油等）中的有機染料為工作物質(zhì) ,利用液態(tài)有機染料分子的熒光躍遷實現(xiàn)受激發(fā)射，在從近紫外到可見以及近紅外的 ~很寬的范圍內(nèi)可以連續(xù)進行波長調(diào)諧。 ? CO2激光器。當氣體快速流動時，輸出功率會顯著提高，當放電管中氣體的流速達到 300~600 m/s時，輸出功率可達 600 W/m以上。 CO2激光器在充好氣后兩端被封閉，故使用方便，可以隨意移動。 CO2激光器的輸出譜帶相當豐富，主要波長分布在 9~11um，正好處于目前盛行的光通信的“大氣窗口”之中，因而常被用做地面與空間光通信的光源。為了提高電子動能，氬離子激光器中的充氣壓強一般在 150 Pa以下。氬離子激光器主要的用途是作染料激光器的泵浦源，以及用于全息照相、信息存儲、快速排字、彩色電視、激光醫(yī)學(xué)和光譜分析等方面。半內(nèi)腔 ? 式和外腔式激光器的優(yōu)點則是適于輸出線偏振光，便于進行內(nèi)調(diào)制。放電管一般用硬質(zhì)玻璃或石英玻璃制成。雙原子分子激光器的輸出波長在紫外和可見光區(qū)，而三原子分子激光器的輸出波長在中紅外和遠紅外區(qū)。在 200條振蕩譜線。 HeSe激光器在 ~ 50條振蕩譜線。但某些離子激光器盡管能夠有連續(xù)輸出幾瓦至幾十瓦的激光輸出，但由于振蕩效率低，適用的范圍受到限制，較多用來作特殊顯示等用途。氣體激光器還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦和核泵浦等方式。固體工作物質(zhì)體積小，使用方便。但是，從光學(xué)的角度來說，玻璃比晶體折射率均勻性好，大型的工作物質(zhì)容易制得，從而適用于高功率輸出。 ? YAG中 Nd 3+與激光產(chǎn)生過程有關(guān)的能級如圖 。紅寶石激光器屬三能級系統(tǒng)，具較高的泵浦能量閾值，激光性能隨溫度變化明顯。 ? 圖 氣體放電燈激勵固體激光器示意圖 ? 固體激光器還可用半導(dǎo)體激光器作激勵源。典型的固體激光器有紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器和鈦寶石激光器等。 圖 圖 提供正反饋的激光共振腔 ? 不同工作物質(zhì)的激光器 ? 激光器是光電子技術(shù)領(lǐng)域的最主要的器件之一，自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光器的種類日益增多、水平迅速提高。我們已知了受激發(fā)光的原理，激光的產(chǎn)生基礎(chǔ)就是受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 ? 激光的相干光是整齊的正弦波，容易發(fā)生干涉。而激光雖然也是有大量的粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷發(fā)射的光波，但其在時間和空間上相位完全一致。跟上節(jié)所述的自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的普通光相反，激光是受激發(fā)射而產(chǎn)生的。非相干光通常其光譜的寬度較寬、其光束發(fā)散角也較大。與此相對照的發(fā)光二極管等非相干光的光譜寬度在 104GHz以上，白色燈光可達到數(shù)億兆赫。為了讓粒子的受激發(fā)射的幾率隨入射的電磁波的強度成比例地增加，采用適當?shù)墓舱袂皇蛊渥髡答仯B續(xù)引發(fā)受激發(fā)射，產(chǎn)生自激振蕩，這就是激光產(chǎn)生的原理。 ? 本節(jié)將按工作物質(zhì)的分類，分別介紹一些常見的、有代表性的固體激光器、氣體激光器、液體激光器包括有機染料激光器和半導(dǎo)體激光器。 ? 以非相干的氣體放電光為激勵光源 (如圖 )是廣泛采用的一種激勵方式 .脈沖激光器采用脈沖氙燈激勵 。 ? （ 1）紅寶石激光器 ? 紅寶石激光器是最早的一種晶體激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒狀晶體（激光棒），在基質(zhì)中加入激活離子 Cr 3+。 ? 一可調(diào) Q值的激光器輸出巨脈沖峰值功率 (10~50)MW，脈寬 (10~20)ns；鎖模紅寶石激光器輸出超短脈沖的峰值功率 109W，脈寬 10ps。YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率已超過千瓦，每秒 5000次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率達數(shù)千瓦，每秒幾十次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率可達數(shù)百兆瓦。由于躍遷上能級壽命較短，為獲得足夠的泵浦速率，大多采用激光泵浦，即用另一臺激光器作為泵浦源，有氫離子激光器、銅蒸氣激光器、倍頻的 YAG激光器等。氣態(tài)工作物質(zhì)光學(xué)均勻性遠好于固體，譜線寬度遠小于固體，因而氣體