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激光原理
罗伯特阿拉奇

表的内容

介绍
激光理论与运作
激光的组件
激光类型
材料特征

介绍

这个单词 ”激光“通过刺激辐射发射的光放大的首字母缩略词。激光器正在寻找越来越多的军事应用 - 主要用于目标采集，防火控制和培训。这些激光被称为RangeFinders，目标指示符和直接火灾模拟器。激光器是也用于通信，激光雷达（LIDAR），着陆系统，激光指示，指导系统，扫描仪，金属工作，摄影，全息术和医学。

在该文献中，Word激光器将限于使用光放大的电磁辐射发射器件，通过将波长从180纳米的波长发射辐射至1毫米。电磁谱包括从伽马射线到电力的能量。图1示出了各个区域的总电磁频谱和波长。

图1所示。电磁波谱

首要的波长对当前军事和商业应用的激光辐射包括紫外，可见和光谱的红外区域。激光的紫外线辐射由180和400nm之间的波长组成。可见区域由波长在400至700nm之间的辐射组成。这是我们称之为可见光的部分。光谱的红外区域由波长在700nm和1mm之间的辐射组成。皮肤吸收的激光辐射仅渗透几层。在眼睛中，可见和近红外辐射穿过角膜，并聚焦并被视网膜吸收。它是测定颜色可见感觉的光的波长：紫色为400nm，红色为700nm，与之间的可见光谱的其他颜色。当辐射被吸收时，对吸收生物组织的影响是光化学，热或机械的：在紫外线区域中，该作用主要是光化学的;在红外区域，动作主要是热的; and in the visible region, both effects are present. When the intensity of the radiation is sufficiently high, damage to the absorbing tissue will result.

激光理论与运作

对激光器在使用激光装置时如何理解危险的基本了解。图2示出了每当电荷颗粒如电子放弃能量时发射电磁辐射。每次来自更高能量状态的电子滴，较低的能量状态，，在荧光灯中发生原子或离子。这也发生在分子的振动或旋转状态的变化。

光的颜色由其频率或波长确定。较短的波长是紫外线，并且较长的波长是红外线。量子力学作为光子描述了最小的光能粒子。光子的能量e由其频率确定，和普朗克的常数h h。

真空，C的光线速度为每秒300亿米。波长，，光与之相关从以下等式：

激发电子液滴在其横跨发射光的波长确定的能量水平的差异。

图2.通过从更高的能量状态转换到较低的能量状态，通过将电子从原子转换到较低能量状态的辐射发射

激光的组件

如图3所示，激光的三个基本组件是：

• 激光材料（晶体，气体，半导体，染料等......）
• 泵浦源（为激光材料添加能量，例如，闪光灯，电流导致电子碰撞，激光辐射等）
• 由反射器组成的光学腔作为光放大的反馈机制

图3.固态激光图

激光材料原子中的电子通常驻留在稳态较低的能量水平。当从闪光灯的光能被添加到激光材料的原子中时，大部分电子对更高的能量水平激发 - 一种称为群体反演的现象。这是这些电子的不稳定条件。他们将在这个状态下留在短时间内，然后恢复原来的能量状态。这种衰变以两种方式发生：自发衰减 - 电子只是在随机指向的光子发射时落到其地位;并刺激衰减 - 来自自发腐烂电子的光子攻击其他激发的电子，使它们落到其地位。该刺激的转变将以光的光子形式释放能量，其在相同波长的相位和与入射光子相同的方向上行进。如果方向与光轴平行，则发射的光子通过在完全反射镜和部分反射镜之间的激光材料来回行驶。以这种方式放大光能直到建立足够的能量，以通过部分反射镜传递的激光突发。

如图4所示，一个激光介质必须至少有一个激发态(亚稳态)，在这个激发态中，电子可以被捕获足够长的时间(微秒到毫秒)，以便发生布居数反转。虽然只有两个能级的激光作用是可能的，但大多数激光器有四个或更多能级。

图4.三级激光能量图

光路中的q开关是一种提供极短持续时间的激光脉冲的方法。像图3中的全反射镜那样的旋转棱镜是提供q开关的早期方法。只有在旋转点有清晰的光路时，光能才被允许通过。通常不透明的光电器件(如波克尔电池)现在常用于q开关器件。当施加电压时，器件变得透明，激发态原子在腔内形成的光到达反射镜，使腔质量Q提高到较高水平，并发出持续数纳秒的高峰值功率激光脉冲。当激光不同频率模式的相位同步(锁定在一起)时，这些模式会相互干扰并产生拍频效应。其结果是激光输出具有规则间隔的脉冲，称为“锁模”。锁模激光器通常会产生持续时间为几皮秒到纳秒的脉冲序列，从而产生比同样的激光器在调q模式下工作时更高的峰值功率。脉冲激光器通常被设计成产生重复脉冲。脉冲重复频率prf和脉冲宽度在评价生物效应中是非常重要的。

激光类型

激光二极管是具有光学腔的发光二极管，以放大从半导体中存在的能带隙发射的光，如图5所示。它们可以通过改变施加的电流，温度或磁场来调节它们。

图5.半导体激光图

气体激光器由放置在激光腔中的气体填充管组成，如图6所示。将电压（外部泵浦源）施加到管中以激发气体中的原子以群体反转。从这种激光发出的光通常是连续的波（CW）。请注意，如果毛衣角窗连接到气体放电管，则可以反射一些激光辐射从激光腔的侧面。称为气体动态激光器的大型气体激光器使用燃烧室和超音速喷嘴进行人口反转。

图6。气体激光器图

图7显示了染料激光图。染料激光器在液体悬浮液中使用活性材料。染料细胞含有激光介质。许多染料或液体悬浮液有毒。

图7.常见染料激光图

自由电子激光器，例如图8中的能力能够产生从微波到X射线区域的波长。它们通过在光学腔中的电子束通过Wiggler磁场来操作。由磁场施加在电子上施加的方向的变化导致它们发射光子。

图8.自由电子激光图

激光束几何图形显示横贯光束的电磁波(TEM)图案，类似于波导中的微波。图9显示了激光束横截面中常见的TEM模式。

图9常用TEM激光束模式

激光器在该激光器中运行模式可以看作是两个激光器并排工作。大多数激光应用的理想模式是模式，这种模式通常被假定为易于进行激光危害分析。来自传统光源的光是非常宽带的(包含跨越电磁光谱的波长)。如果在白色或宽带光源前放置一个只允许非常窄波段波长的滤光片，那么从滤光片中只能看到一种颜色的光。激光发出的光与滤光片发出的光类似。然而，与滤光片中没有一个占主导地位的窄带波长不同，激光发射的主导中心频率的线宽要窄得多。发出的光的颜色或波长取决于所使用的激光材料的类型。例如，如果使用钕:钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体作为激光材料，将发射波长为1064 nm的光。表1说明了目前用于激光的各种类型的材料以及由这种类型的激光发出的波长。请注意，某些材料和气体能够发射一个以上的波长。在这种情况下，发出的光的波长取决于激光的光学结构。

表1.公共激光器及其波长

如图10所示，来自传统光源的光频繁发散或蔓延。源处的强度可以很大，但由于观察者远离源极迅速减小。

图10.传统光源的分歧

相反，如图11所示的激光器的输出具有非常小的发散，并且可以在长距离范围内保持高光束强度。因此，相对低的功率激光器能够在窄光束内的单个波长内的比可以从更强大的传统光源获得的单个波长在窄光束内投射更多的能量。

图11.激光源的分歧

例如，能够在20 ns中输送100 MJ脉冲的激光器具有500万瓦的峰值功率。CW激光器通常具有以瓦特表示的光能，并且脉冲激光器通常将其输出以焦耳表示。由于不能创造或破坏能量，因此激光输出的真空中可用的能量的量将是在下游的某些点在光束内包含的相同量（大气中的一些损失）。图12示出了典型的激光束。采样区内可用的能量量将远小于光束内可用的能量。例如，100 MW激光输出可能在1内测量40兆瓦样本地区。本例中的辐照度为40 mW/．

图12.辐照度的插图

材料特征

材料可以反射，吸收和/或透射光线。光的反射是最佳的镜子所示的。如果光线撞击镜子，几乎所有入射在镜子上的能量都将被反射。图13示出了塑料或玻璃表面如何在入射光射线上采用。传递，吸收和反射的能量之和将等于入射在表面上的能量的量。

如果表面缺陷和变化的尺寸远小于入射光辐射的波长，则表面是镜面（镜状）。当不规则是随机定向并且远远大于波长时，表面被认为是漫射的。在中间区域中，有时需要分开地考虑漫射和镜面组分。

图13.光线入射到玻璃表面

平坦的镜面不会显著改变入射光束的发散度。然而，弯曲的镜面可能会改变散度。散度的变化量取决于曲面的曲率。图14展示了这两种类型的表面以及它们将如何反射入射的激光束。为了更好地说明效果，反射镜的散度和曲率被夸大了。注意，在一个特定范围内从反射器测量的辐照度值在从曲面反射后将小于从平面反射时，除非弯曲反射器将光束集中在该范围附近或在该范围内。

漫射表面是将在所有方向上反射入射激光束的表面。当激光束撞击漫射反射器时，不会保持光束路径。表面是否是漫射反射器，或者镜面反射器将取决于入射激光束的波长。作为可见激光束的漫射反射器的表面可能是用于红外激光束的镜面反射器（例如，)．如图15所示，漫反射镜不同曲率对反射光束的影响不大。

如果光入射在分离两个透射介质的界面（作为空气玻璃接口）时，则将传输一些光，而有些光将从表面反射。如果在接口处没有吸收能量，则T + r = 1其中T和R是传输和反射的入射光束强度的分数。T和R分别称为传输和反射系数。这些系数不仅取决于材料的性质和辐射的波长，而且还依赖于入射角。反射的入射光束的量和通过材料透射的量进一步取决于光束的偏振。

辐射射线与正常表面的入射射线形成的角度将确定折射角和反射角度（反射角等于入射角）。入射角之间的关系（）和折射角度（”)

其中n和n'分别为入射光线和透射光线通过的介质的折射率(见图13)。

图14。镜面反射

图15.漫反射器