激光器的神奇功能及应用

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  激光在我们生活当中随处可见,它的功能与作用不可轻视,具有神奇的功能,应用非常的广泛:比如农业生产、日常生活、医疗、军事、航天等。就我们生活而言,在日常生活中的作用: 激光唱片,用激光刻录方法记录音频信号的圆形薄片载音体。激光录像,通过光调制器用激光束把经过编码的图像和声音信息记录到圆形薄片载体上。在医疗中的作用,激光应用在医疗器械领域的成果是很多的,它可以扮演钻头、手术刀、焊枪等多种角色。了解了激光的作用,那么,激光器的神奇应用又有哪些呢?下面我们进行一下分类就一目了然了。

  激光器分类:可以有两种方法对激光器进行分类。一种是从激活媒质的物质状态面分类。这样可分为气体、 液体、固体和半导体激光器。各类激光器各有特色。气体激光器的单色性强,如氦—氖激光器的单色性比普通光源要高1亿倍,而且气体激光器工作物质种类繁多,因此可产生许多不同频率的激光。但是,由于气体密度低,激光输出功率相应较小;固体激光器则正好相反,能量高,输出功率大,但工作物质种类较少,而且单色性差;液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合;半导体激光器的特点则是体积小,重量轻,结构简单,但输出的功率较小,单色性也较差。另一种分类方式是按激活媒质的粒子结构来分类,可以分为原子、离子、分子和自由电子激光器。氦——氖激光器产生的激光是由氖原子发射的,红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的。另外还有二氧化碳分子激光器,它的频率可以连续变化。而且可以覆盖很宽的频率范围。各种激光器中激活媒质的方法也不尽相同。一般来说可分为三种方法:使用高强度的光,从带电源来的电子,以及较少用的第三种方法——核辐射。

  光纤通信所用的激光器在光纤通信中,所用的光源有三种:半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。在实际的光纤通信系统中,通常选用前两种。而非半导体激光器,如气体激光器、固体激光器等,虽然它们是最早制成的相干光源,但由于其体积太大,不适宜与体积小的光纤配合使用,只用于一些特殊场所。

  半导体激光器:半导体激光器即为激光二极管,记作LD。它是前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明的。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。半导体激光器的发光是利用光的受激辐射原理。处于粒子数反转分布状态的大多数电子在受到外来入射光子激励时,会同步发射光子,受激辐射的光子和入射光子不仅波长相同,而且相位、方向也相同。这样由弱的入射光激励而得到了强的发射光,起到了光放大作用。但是仅仅有光放大功能还不能形成光振荡。正如电子电路中的振荡器那样,只有放大功能不能产生电振荡,还必须设计正反馈电路,使电路中所损失的功率由放大的功率得以补偿。同样,在激光器中也是借用电子电路的反馈概念,把放大了的光反馈一部分回来进一步放大,产生振荡,发出激光。这种用于实现光的放大反馈的仪器称为光学谐振腔。半导体激光器的优点:尺寸小,耦合效率高,响应速度快,波长和尺寸与光纤尺寸适配,可直接调制,相干性好。

  半导体发光二极管:半导体发光二极管和半导体激光器类似,也是一个PN结,也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED,是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层,以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区,其厚度为0.1~0.2μm左右。

  半导体发光二极管的结构公差没有激光器那么严格,而且无谐振腔。所以,所发出的光不是激光,而是荧光。LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下,N区的电子将向正方向扩散,进入有源层,P区的空穴也将向负方向扩散,进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用,而被封闭在有源层内,就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子,经跃迁与空穴复合时,将产生自发辐射光。半导体发光二极管的结构简单,体积小,工作电流小,使用方便,成本低,所以在光电系统中的应用极为普遍。

  激光器分类的方法有很多,可以按照它切割的材料来分,可以按照它的功率的大小来分,可以按照波段分。激光设备按照波段可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐 。目前工业用红外及紫外激光,例如CO2激光器10.64um红外激光, 氪灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 氙灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 半导体侧面泵浦YAG激光器1.064um红外激光。

  激光器的种类很多,可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型:

  ( 1 )固体激光器一般小而坚固,脉冲辐射功率较高,应用范围较广泛。如:Nd:YAG激光器。 Nd(钕)是一种稀土族元素,YAG代表钇铝石榴石,晶体结构与红宝石相似。

  ( 2 )半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单,特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长,能将电能直接转换为激光能,所以发展迅速。

  ( 3 )气体激光器以气体为工作物质,单色性和相干性较好,激光波长可达数千种,应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。

  ( 4 )以液体染料为工作物质的染料激光器于 1966 年问世,广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料,大约在 500 种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现,或升华为蒸汽,以气态形式出现。所以染料激光器也称为 “ 液体激光器 ” 。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多,价格低廉,效率高,输出功率可与气体和固体激光器相媲美,应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。

  ( 5 )红外激光器已有多种类型,应用范围广泛,它是一种新型的红外辐射源,特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。

  ( 6 ) X 射线激光器在科研和军事上有重要价值,应用于激光反导弹武器中具有优势;生物学家用 X 射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能 ; 用 X 射线激光拍摄分子结构的照片 , 所得到的生物分子像的对比度很高。

  ( 7 )化学激光器 有些化学反应产生足够多的高能原子,就可以释放出大能量,可用来产生激光作用。

  ( 8 )自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同,它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束,经周期磁场,形成不同能态的能级,产生受激辐射。

  ( 9 )准分子激光器、光纤导波激光器等。

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