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各類激光詳解

星之球科技 來源:特思德2012-07-05 我要評論(0 )   

各類激光詳解 按激光光的收激物質(zhì)分類,主要的分類方式來分: 1 、 絕緣固體激光(Solid state laser) 2、 液體激光 3、 氣體激光(Gaseous laser) 4、 化學激光(Chemical ...

 

各類激光詳解
按激光光的收激物質(zhì)分類,主要的分類方式來分:

1
、 絕緣固體激光(Solid state laser)
2、 液體激光
3、 氣體激光(Gaseous laser)
4、 化學激光(Chemical laser)
5、 半導體激光(Semiconductor laser)
6、 色中心(Color-center)激光
7、 自由電子 (Free electron) 激光
8、 倍頻(Frequency double)激光
1、絕緣固體激光(Solid state laser)
這種激光的激光介質(zhì)是摻有雜質(zhì)的絕緣質(zhì)固體,包括晶體激光、玻璃激光與光纖激光。晶體、玻璃與光纖是寄主材料(host material),其中取代某些寄主離子的「雜質(zhì)(Impurity)」離子是激光的主動介質(zhì)。例如紅寶石的寄主是三氧化二鋁晶體(Sapphire;常譯為「藍寶石」) ,主動介質(zhì)是鉻【鉻讀作「各」】離子(Cr3+)。下文中,將用「Cr3+:Al2O3」這樣的記號表示主動介質(zhì)與寄主,以及「鉻―氧化鋁激光」形式的記號表示激光名稱。
一種主動介質(zhì),可以摻入于幾種晶體、玻璃與光纖中。由于各寄主中的電子分布及對稱性有差別,所以同一種離子在其中的能階結(jié)構(gòu)及能階差有差異,產(chǎn)生的激光光波長可能相近,但不會完全相同。例如,釹【釹讀作「女」】離子(Nd3+)的激光都有接近1μm但不相等的波長。以不同材料為寄主的其他差異,在于增益、散熱性、可用之晶體長度等。這些因素會影響激光能達到的功率,因而影響商品規(guī)格及價格。
a、紅寶石(Ruby laser)激光
紅寶石激光可產(chǎn)生694.3 nm及692.8 nm的激光光,但后者的增益較低,一般都取其694.3 nm的輸出。
b、釹離子(Nd3+)的激光
釹離子的激光中,釹-雅克(Nd-YAG)激光是知名度最高的。雅克是YAG的音譯,它代表釔鋁石榴石(Yttrium aluminum garnet;Y3Al5O12)。主動介質(zhì)是YAG晶體中,取代約1%釔離子(Y3+)的釹離子。(釹離子的相關(guān)激光之波長)
c、鈦-藍寶石(Titanium-sapphire)激光及其他可變頻固體激光
鈦-藍寶石激光的主動介質(zhì),是摻入Al2O3晶體中的Ti3+離子,它取代鋁離子。它有兩個特點:(1)輸出激光光頻率可在660至1,180 nm之間調(diào)變;(2)它可以產(chǎn)生短于100 fs的超短脈波。(可調(diào)波長的固體激光)
d、其他固體激光
其他固體激光
2、液體激光
液體激光是以溶于溶劑的染料作為主動介質(zhì),通常稱為染料激光(Dye laser)。染料分子具有含多個苯環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它們的能階中,對應(yīng)于每個電子能階,有許多間隔細密的振動能階,成帶狀分布,所以一個范圍內(nèi)的頻率,都能發(fā)生躍遷,而產(chǎn)生激光光。
另一方面,染料的能階結(jié)構(gòu)也使它能吸收頻率范圍相當廣的激發(fā)光,這些頻率大多在紫外線和可見光波段。用不同的激發(fā)波長照射一種染料,產(chǎn)生的激光光波長也會不同。(薔薇紅6G激光光波長數(shù)據(jù))
一部可調(diào)變激光光波長的裝置,可以產(chǎn)生多種需要的激光光,所以用途相當廣。但是固體激光在體積、耗電量、電壓需求、冷卻需求、安全性、穩(wěn)定性方面的優(yōu)點,比染料激光高出許多。這些優(yōu)點使固體激光在小型化及可移植性(Portability)方面占盡優(yōu)勢。由于固體可變頻激光的適用波長范圍仍多屬紅外線區(qū),雖然可以藉放大器及非線性變頻裝置,產(chǎn)生波長較短的高質(zhì)量光束,有許多波長范圍仍未可及,所以染料激光在目前仍有存在及利用的空間。
3、氣體激光(Gaseous laser)
以氣體為主動介質(zhì)的激光中,包括中性原子激光、離子氣體激光、金屬蒸汽激光、分子氣體激光、準分子激光。分別介紹如下:
(1)、稀有氣體元素的中性原子激光與離子氣體激光
a、中性原子激光

中性原子激光與離子氣體激光的差別,在于前者的激光光來自中性原子能階( 如圖二所示氦原子與氖原子能階 )之間的躍遷,后者是離子的能階( 如Ar+,Kr+ )間之躍遷。因此,氬激光(Argon laser)與氬離子激光(Argon ion laser)并不相同,前者的激光光波長屬于紅外線波段,后者則在可見光和紫外線區(qū)。但是,一方面氬激光很少見,另一方面為了便于稱呼,人們常將氬離子激光簡稱為氬激光。不但中文敘述如此,英文文獻亦見此用法,所以在不致混淆的時候,仍可用氬激光稱呼氬離子激光。
中性原子激光中,最常見的是氦氖激光。它的紅光尤其為大家所熟悉。它的光色顯著,所以常用作非可見光激光中的指引光束(Guiding beam)。其優(yōu)越的同調(diào)性及方便的操作條件(只須氣冷、110V的電壓、價格相對地低廉),使它廣用于掃描讀碼裝置及全像等。
b、離子激光
稀有氣體離子激光中,以氬離子激光及氪離子激光為最常見。除了直接利用之外,氬離子激光常以其紫外線及藍綠光激發(fā)染料激光。20W機型可產(chǎn)生275.4至1090.0 nm的一些激光光。主要的可見光波長分別是514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。藍綠光波段中,最強而最常用的是514.5及488 nm。
氪離子激光可產(chǎn)生337.4至799.3 nm,最強的是647.1 nm,其次為413.1及530.9 nm。商品中,有將氬氣與氪氣混合的機型。
(2)、金屬蒸汽的中性原子激光與離子激光
a、中性原子激光

Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn
等金屬的蒸汽,都是中性原子激光的主動介質(zhì)。它們的蒸汽中,?;烊氲蛪毫Φ亩栊詺怏w,以提高放電效率。銅蒸汽激光商品可產(chǎn)生100W以上的綠光(511 nm)及黃光(578 nm),金蒸汽激光則可得數(shù)十瓦的紅光 (628 nm)。
這兩種激光有很多用途,例如血紫質(zhì)衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光譜的峰值約為628 nm,而癌細胞能吸收此物質(zhì)。此物質(zhì)受到628 nm的激光光照射后會分解,產(chǎn)生可殺死癌細胞的物質(zhì)。不過,銅蒸汽激光激發(fā)染料激光,也可得到這種光,而不必依靠金蒸汽激光。此外,578 nm的激光可以除去某些胎記,效果優(yōu)于用氬離子激光。#p#分頁標題#e#
b、離子激光
金屬蒸汽離子激光中,氦鎘(He-Cd)激光是最主要的,氦硒(He-Se)、氦鋅(He-Zn)等激光為此家族中之成員。氦鎘激光的325 nm紫外線,和441.6 nm藍光,是最常見的輸出。加上特殊設(shè)計時,它可同時產(chǎn)生紅光(635.6及636.0 nm)和綠光(533.7及537.8 nm)。它的短波長成分,在信息處理方面很有用。適當調(diào)配各波長的輸出,幾乎可以產(chǎn)生所有可見光的顏色,因而它的白光激光產(chǎn)品也是有名的。儲存密度及鑒別能力的提高,使它在量度、檢驗、記錄、印刷等方面有許多應(yīng)用。
(3)、分子氣體
二氧化碳激光和氮氣激光是最常見的分子氣體激光,其主要激光光分屬紅外線(10,640 nm)及紫外線(337 nm)。生物組織中的水分會吸收它的10,640 nm激光光,所以能用于手術(shù),所需激光光功率約為50W。此外,非金屬材料的加工、金屬表面的熱處理、光譜學及光化學研究、環(huán)境遙測、測距、激發(fā)其他激光、產(chǎn)生離子體(俗稱電漿;Plasma)等,也都可用二氧化碳激光來進行。
氮氣激光的紫外線激光光,適合激發(fā)染料激光,及使多種物質(zhì)產(chǎn)生熒光,而可用于檢驗及研究工作。其缺點在于效率及功率均低,每個脈波的能量大約只有10mJ,平均功率約為數(shù)百mW。
(4)、準分子(Excimer)激光
準分子一詞的原意,是「兩個同種原子組成,而只存在于受激態(tài)的分子」,如稀有氣體分子He2、Ar2、Xe2等;其英文原名為 Excited Dimer 組合成的術(shù)語?,F(xiàn)在已經(jīng)將它的適用范圍放寬,以包括「不存在于基態(tài),只以受激態(tài)呈現(xiàn)的任何雙原子分子(有時還包括三原子分子)」。重要的準分子激光,以稀有氣體的鹵化物為主動介質(zhì),如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因為受激態(tài)常以星號(*)上標表示,所以有些數(shù)據(jù)上寫成ArF*等。
準分子不會自然出現(xiàn),而是在氣體混合物中放電時形成的。此外,用電子束撞擊,或在導波管型裝置中以微波激發(fā),也都可以造成準分子。它的激光光來自準分子解離成原子的電子躍遷,所以其激光光屬紫外線,應(yīng)用于精細蝕刻(如電路制程)、化學蒸著(Chemical vapor deposition)、化學反應(yīng)研究及醫(yī)療上的用途較多。這些應(yīng)用中,有的是以準分子激光激發(fā)可變頻激光之后進行的。
商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等準分子居多,激光光頻率分別是193、249、308、350 nm。
4、化學激光(Chemical laser)
由化學反應(yīng)造成居量反轉(zhuǎn)的激光,稱為化學激光。
在化學、軍事、材料研究與生物醫(yī)學方面,都有化學激光發(fā)揮所長之處。例如氟化氫激光的光束可能是骨科手術(shù)所需要的。氟化氫激光中的反應(yīng)可表示為2F2 + H2 →2HF* + F2,其實它的細部反應(yīng)是鏈式反應(yīng):F + H2 →HF* + H ,F(xiàn)2 + H → HF* + F,而且可用放電使反應(yīng)啟動。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有類似作用。
化學激光的波長
5、半導體激光(Semiconductor laser)
半導體激光是用半導體制成的,其構(gòu)造及電性質(zhì)為二極管(Diode),也就是具有兩個外接電路端點,分別位于其中的p型與n型部分,其間有個接面(Junction)。因此,半導體激光又名半導體二極管激光(Semiconductor diode laser)或二極管激光(Diode laser)。
電流較低時,它成為發(fā)光二極管(Light emitting diode;LED),發(fā)出自發(fā)射的光;電流夠大的時候,才能造成自由電子的居量反轉(zhuǎn)。另一方面,制程中適當?shù)牟襟E使二極管兩端具有相當高的反射率,就具備激光所需要的條件。
半導體激光技術(shù)的研發(fā),使半導體激光成為效率很高的激光,但散熱仍是重要問題。此外,端射型及面射型激光數(shù)組的研發(fā),使系統(tǒng)產(chǎn)生的光束在能量及控制方面提升許多。隨著半導體種類的擴增,半導體激光能產(chǎn)生的波長,也不斷增加。下表列出幾種室溫下操作的半導體激光的波長數(shù)據(jù)。
半導體激光的例子:
半導體激光的介質(zhì)體積小(典型尺寸約為10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作電流及電壓低,消耗能量少,所以為人們所樂于使用。用許多個半導體激光激發(fā)其他的固體激光,是一種很有價值的應(yīng)用。
6、色中心(Color-center)激光
堿金屬的鹵化物晶體中有某些雜質(zhì)時,受到適當輻射照射后會顯現(xiàn)顏色。鹵化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等,雜質(zhì)則有Li、Na等。這些雜質(zhì)稱為「色中心」。
7、自由電子 (Free electron) 激光
自由電子激光(FEL)以極高真空中的高速自由電子為主動介質(zhì)。其波長可以調(diào)變,由微波到軟X射線都可能。因此是一部裝置可執(zhí)行多種功能。現(xiàn)在的研究方向之一,是開發(fā)桌上型的機種,以便擴大應(yīng)用場合,并降低價格。
8、倍頻(Frequency double)激光
倍頻激光實際上是加上倍頻晶體的激光,但是有些數(shù)據(jù)上用造成倍頻效應(yīng)的晶體稱呼它們,例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此,本文列出這一項,以引起讀者注意KDP及KTP并非激光的主動介質(zhì),并略為介紹此類晶體。倍頻是非線性光學晶體(Nonlinear optical crystal)的功能之一。選用晶體時,產(chǎn)生倍頻波的適用波段及轉(zhuǎn)換效率(Conversion efficiency)是重要指標。其他要注意的項目包括是否會潮解、會造成損壞的光強度、晶體切割方向及鍍膜狀況等。
KDP是磷酸二氫鉀(KH2PO4),為最早使用的倍頻晶體,某些條件下的轉(zhuǎn)換效率很高,但是會潮解,須注意防范。KTP是磷酸鉀鈦氧(KTiOPO4),性能與KDP相似,但是不會潮解。偏硼酸鋇(Beta barium borate,β-BaB2O4; BBO)是較受重視的一種非線性光學晶體,它具有一些優(yōu)良性質(zhì),但與其他晶體相同,并非適用于一切場合。舉例來說,有些晶體適合產(chǎn)生二倍頻,但不適用于三倍頻。

 

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