[科普中国]-调制激光器

激光器发展历史

激光器——能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。2

1953年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯和他的学生阿瑟·肖洛制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。

1958年，C.H.汤斯和A.L.肖洛把微波量子放大器原理推广应用到光频范围。

1960年，T.H.西奥多·梅曼制成了第一台红宝石激光器。

1961年，伊朗科学家A.贾文等人制成了氦氖激光器。

1962年，R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。

2013年，南非科学与工业研究委员会国家激光中心研究人员开发出世界首个数字激光器，开辟了激光应用的新前景。研究成果发表在2013年8月2日英国《自然通讯》杂志上。

原理除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同。产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大于损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（ 见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。

激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

激励抽运系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成，这种激励方式也称作灯泵浦。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。3

光学共振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。共振腔作用①，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用②，则是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。4

分类可调激光器可以分为：功率可调激光器和频率可调激光器。

功率可调激光器是指激光器可以根据客户选定的功率调节范围任意调节 。

频率可调激光器也就是脉冲式激光器。脉冲调制激光器分为外调制和内调制两大类。外调制式激光器留有专用的信号接口，由用户接入脉冲信号，信号可以是正弦波, 也可以是方波，调制频率可高达10MHz。内调制式激光器不需要外接信号，加上工作电压后，激光器即以脉冲方式工作，其工作频率根据用户设计、定做。

主要用途激光器是现代激光加工系统中必不可少的核心组件之一。随着激光加工技术的发展，激光器也在不断向前发展，出现了许多新型激光器。早期激光加工用激光器主要是大功率CO2气体激光器和灯泵浦固体YAG激光器。从激光加工技术的发展历史来看，首先出现的激光器是在20世纪70年代中期的封离式CO2激光管，发展至今，已经出现了第五代CO2激光器——扩散冷却型CO2激光器。从发展上可以看出，早期的CO2激光器趋向激光功率提高的发展方向，但当激光功率达到一定要求后，激光器的光束质量受到重视，激光器的发展随之转移到调高光束质量上。出现的接近衍射极限的扩散冷却板条式CO2激光器有较好的光束质量，已经推出就得到了广泛的应用，尤其是在激光切割领域，受到众多企业的青睐。3

21世纪初，出现了另外一种新型激光器——半导体激光器。与传统的大功率CO2、YAG固体激光器相比，半导体激光器具有很明显的技术优势，如体积小，重量轻、效率高、能耗小、寿命长以及金属对半导体激光吸收高等优点，随着半导体激光技术的不断发展，以半导体激光器为基础的其他固体激光器，如光纤激光器、半导体泵浦固体激光器、片状激光器等的发展也十分迅速。其中，光纤激光器发展较快，尤其是稀土掺杂的光纤激光器，应在光纤通信、光纤传感、激光材料处理等领域获得了广泛的应用。3

由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。

1、激光用作热源。激光光束细小 ，且带着巨大的功率，如用透镜聚焦，可将能量集中到微小的面积上，产生巨大的热量。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果。

2、激光测距。激光作为测距光源，由于方向性好、功率大，可测很远的距离，且精度很高。

3、激光通信。在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量。

4、受控核聚空中的应用。将激光射到氘与氚混合体中，激光所带给它们巨大能量，产生高压与高温，促使两种原子核聚合为氦和中子，并同时放出巨大辐射能量。由于激光能量可控制，所以该过程称为受控核聚变。

今后，随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。

激光指示器是以激光作为指示用途的小型低功率激光器，属于一般民用品，也称为激光笔、指星笔等。是一种用途广泛的产品：教学、科研单位作为教学、学术报告、会议等场合配合视像设备作为指示用；军事单位用于配合大屏幕指挥系统指示；旅游单位用于导游讲解；建筑及装修监理单位用于建筑、装修验收时的指示等。某些场合还可将其固定作为定向工具；亦可将其作为礼品。