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激光技术全面解析

  1、绝缘固体激光(Solid state laser)

  这种激光的激光介质是掺有杂质的绝缘质固体,包括晶体激光、玻璃激光与光纤激光。晶体、玻璃与光纤是寄主材料(host material),其中取代某些寄主离子的「杂质(Impurity)」离子是激光的主动介质。 例如红宝石的寄主是三氧化二铝晶体(Sapphire;常译为「蓝宝石」) ,主动介质是铬【铬读作「各」】离子(Cr3+)。下文中,将用「Cr3+:Al2O3」这样的记号表示主动介质与寄主,以及「铬―氧化铝激光」形式的记号表示激光名称。

  一种主动介质,可以掺入于几种晶体、玻璃与光纤中。由于各寄主中的电子分布及对称性有差别,所以同一种离子在其中的能阶结构及能阶差有差异,产生的激光光波长可能相近,但不会完全相同。例如,钕【钕读作「女」】离子(Nd3+)的激光都有接近1μm但不相等的波长。以不同材料为寄主的其他差异,在于增益、散热性、可用之晶体长度等。这些因素会影响激光能达到的功率,因而影响商品规格及价格。

  a、红宝石(Ruby laser)激光

  红宝石激光可产生694.3 nm及692.8 nm的激光光,但后者的增益较低,一般都取其694.3 nm的输出。

  b、钕离子(Nd3+)的激光

  钕离子的激光中,钕-雅克(Nd-YAG)激光是知名度最高的。雅克是YAG的音译,它代表钇铝石榴石(Yttrium aluminum garnet;Y3Al5O12)。主动介质是YAG晶体中,取代约1%钇离子(Y3+)的钕离子。(钕离子的相关激光之波长)

  c、钛-蓝宝石(Titanium-sapphire)激光及其他可变频固体激光

  钛-蓝宝石激光的主动介质,是掺入Al2O3晶体中的Ti3+离子,它取代铝离子。它有两个特点:(1)输出激光光频率可在660至1,180 nm之间调变;(2)它可以产生短于100 fs的超短脉波。(可调波长的固体激光)

  d、其他固体激光

  其他固体激光

  2、液体激光

  液体激光是以溶于溶剂的染料作为主动介质,通常称为染料激光(Dye laser)。染料分子具有含多个苯环的复杂结构。它们的能阶中,对应于每个电子能阶,有许多间隔细密的振动能阶,成带状分布,所以一个范围内的频率,都能发生跃迁,而产生激光光。

  另一方面,染料的能阶结构也使它能吸收频率范围相当广的激发光,这些频率大多在紫外线和可见光波段。用不同的激发波长照射一种染料,产生的激光光波长也会不同。(蔷薇红6G激光光波长数据)

  一部可调变激光光波长的装置,可以产生多种需要的激光光,所以用途相当广。但是固体激光在体积、耗电量、电压需求、冷却需求、安全性、稳定性方面的优点,比染料激光高出许多。这些优点使固体激光在小型化及可移植性(Portability)方面占尽优势。由于固体可变频激光的适用波长范围仍多属红外线区,虽然可以藉放大器及非线性变频装置,产生波长较短的高质量光束,有许多波长范围仍未可及,所以染料激光在目前仍有存在及利用的空间。

  3、气体激光(Gaseous laser)

  以气体为主动介质的激光中,包括中性原子激光、离子气体激光、金属蒸汽激光、分子气体激光、准分子激光。分别介绍如下:

  (1)、稀有气体元素的中性原子激光与离子气体激光

  a、中性原子激光

  中性原子激光与离子气体激光的差别,在于前者的激光光来自中性原子能阶( 如图二所示氦原子与氖原子能阶 )之间的跃迁,后者是离子的能阶( 如Ar+,Kr+ )间之跃迁。因此,氩激光(Argon laser)与氩离子激光(Argon ion laser)并不相同,前者的激光光波长属于红外线波段,后者则在可见光和紫外线区。但是,一方面氩激光很少见,另一方面为了便于称呼,人们常将氩离子激光简称为氩激光。不但中文叙述如此,英文文献亦见此用法,所以在不致混淆的时候,仍可用氩激光称呼氩离子激光。

  中性原子激光中,最常见的是氦氖激光。它的红光尤其为大家所熟悉。它的光色显著,所以常用作非可见光激光中的指引光束(Guiding beam)。其优越的同调性及方便的操作条件(只须气冷、110V的电压、价格相对地低廉),使它广用于扫描读码装置及全像等。

  b、离子激光

  稀有气体离子激光中,以氩离子激光及氪离子激光为最常见。除了直接利用之外,氩离子激光常以其紫外线及蓝绿光激发染料激光。20W机型可产生275.4至1090.0 nm的一些激光光。主要的可见光波长分别是514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。蓝绿光波段中,最强而最常用的是514.5及488 nm。

  氪离子激光可产生337.4至799.3 nm,最强的是647.1 nm,其次为413.1及530.9 nm。商品中,有将氩气与氪气混合的机型。

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