[科普中国]-红宝石激光器

相关理论

所有的光（即传统光源或者激光光源），都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和释放都表现成为特定波长的光。光子射出的能量（焦耳）等于h*f，其中h是普朗克常数，f是频率的辐射，这适用于激光和传统的发光系统。光辐射能量在原子从高能态掉到低能态的时候放出。然而，一个原子想发光，首先必须吸收的能量，使得低能态原子被打到高能态，这在激光领域叫做“泵浦”。所有光包括自发和激光需要一定量的能量吸收。

显然，没有哪个自发辐射光源能达到激光光源的光谱质量。这是因为传统光源是系统处在各种能级都有的杂乱辐射状态。传统光源的基本特征是宽光谱分布，随机极化，圆形和不规则的波阵面和较低的色温。激光的发射原理不同于常规光，不是各种能级加在一起的自发辐射产生的，而是受激发射，各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上，由于维持的时间总体正态分布，大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能态上，这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平，也就是我们平常所说的激光单色性。

为了维持这种翻转的粒子数够多，必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上，这就需要脉冲激光（例如YAG激光器、红宝石激光器）中的脉冲氙灯，半导体泵浦激光（又叫DPSS激光，例如绿色的激光笔）中的半导体激光器，气体放电激光（例如氦氖激光器、CO2激光器）中的放电，化学激光（例如武器级的氧碘激光器）中的化学反应等能量源来提供能量了。

世界上很多物质都能受激发光，但是，只有少部分物质能够发出有用的激光。激光物质必须有特定的粒子结构使得粒子翻转群可以被激发到一定的密度，一般是一些晶体或者气体、液体。这些激光物质一般被放在两个镜子之间，使得能量能够经过多次来回反射而放大达到能够使用的级别。一面镜子是全反镜，反射几乎所有的光，也叫HR，一面镜子是半反镜，也叫输出镜，OC，一般反射20%到80%的光，激光在两个镜子之间多次往返放大后，从这里打出来一部分做输出。

在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Cr2O3。Cr3+密度约为1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hν=E2—E1（其中h为普朗克常数，E2、E1分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。

系统内的4A能级(低能态)原子们有一大半的原子被外部的能量泵到更高的能态，laser才能lase。从figure 2看出， 红宝石激光器的吸收大部分集中在两个区域，T1(紫外)、T2(绿光)。这些吸收范的效率比较高的区域光谱宽度大概1000A。被打到T1/T2状态的离子很快掉到2E能级，造成了2E翻转群体密度增大到能打出激光的阀值。在这个阀值密度以下，红宝石既不能发出激光，也不能用来放大激光（其实两个是一样的原理）。此后，从2E能态到低能态的时候，这些多出来的能量就以波长为6943A的光的形式发出。一个2E能级的离子掉到低能态时候发出的6943光促使了周围的2E也跟着掉，可以理解成一种比较低成功率的连锁反应。这幅图是一个极端简这幅图是一个极端简化、不准确的非比例模型。化、不准确的非比例模型，它没有展示出一些2E/4A能级里的精细能级， 我记得2E中文好像叫做亚稳态，具体细节可以谷歌一下。这些精细能级会把6943A的激光参杂进一些附近的杂峰。这个问题不影响一般的实验。如果需要特别纯净的光谱可以把激光棒冷却到大概75K，这时候线宽就会变成大概10-15 GHz窄了。

红宝石激光器的效率虽然不高，只有0.1%，产生的是暗红色的694.3nm光，但是由于它的结构极其简单，有代表性，跟我们现在应用最广泛的YAG激光器结构一致，能级（3能级系统）更加简单，分析起来比较好理解。笔芯粗细，手指那么长的红宝石棒就可以轻松的产生打穿铁皮、从月面上反射回来被检测到的激光束，这些激光器在没有发明效率高得多的YAG激光棒（1%-3%）的时候，被广泛的用在激光切割机、钻孔机上，许多军用的非致命性武器也采用更小的红宝石棒子。1

红宝石是一种3能级的激光材料，一般是把光学性能很好的三氧化二铝晶体里面掺上0.03 - 0.4% 的Cr3+，做成人工红宝石，比一般的天然红宝石有好得多的光学性能。常见的红宝石棒尺寸从0.5cm到2cm直径，4cm到16cm长。看上去可能是很浅的粉红色玻璃棒样子或者很深的红棕色，这要看棒子的掺Cr浓度。用绿激光笔打进去会有很特别的颜色出来。

虽然结构极端简单，也还是一种常见的大能量脉冲激光器。它跟YAG激光器、钕玻璃激光器等同属于固体激光器。红宝石激光器在脉冲氙灯照射下的工作效率只有大概0.1%， 但是由于荧光寿命很长，可以很容易用机械Q开关（一个旋转的全反棱镜去把脉冲压缩到ns量级，脉冲功率轻松突破兆瓦）。

这里简单解释一下Q开关。最简单的Q开关就是一个马达连着一个镜子，没对准的时候没有来回往复的光，可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多，在对准的瞬间释放，达到很窄而功率很大的脉冲。另外一种适合DIY的Q开关是被动式Q开关（passive q-switch），当光能量密度达到某一个阀值时候，他突然由不怎么透光变得很透光，使得之前聚集的高能态粒子得以瞬间释放，这种晶体比较难找，价格也比较高，只能碰运气。工业上用的比较多的有电光调Q、声光调Q等方式做的q开关，用在进一步压缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激光，方便打标、切割。1

诞生背景爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。

此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。

1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。

1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。1

发明者美国物理学家、世界上第一台激光器的发明者希尔多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学逝世，享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemic mastocytosis)，一种罕见的遗传疾病。

终其一生，梅曼获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他，而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学家巴索夫、普罗霍罗夫，但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还于1984年被列入“美国发明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中，汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。

纪念梅曼的活动在每年的5月16日举行，这也是梅曼的激光器首次使用的日子。1

发明过程激光器通过受激发射放大原理产生一种相干光辐射(激光)。1960年7月7日，《纽约时报》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果后来震惊了全世界。在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下，梅曼当时的雇主——洛杉矶休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)获得了胜利。

不过，梅曼在发表文章时并不顺利。他先把论文投到《物理评论快报》(PRL)，但当时的编辑Sam Goudsmit认为这只是又一篇maser 重复工作的文章，因此拒绝发表。后来梅曼终于将文章发表在《自然》杂志上。当然，经过多年的努力争取，梅曼的成就已经得到了广泛的承认。

梅曼1927年7月11日生于加州洛杉矶，是一个电气工程师的儿子。父亲希望他成为一位医生，但他认为对激光的研究将对医学产生更大的影响。尽管梅曼小时候是一个野性难驯的孩子，但他的数学非常好。在1949年从科罗拉多大学硕士毕业后，梅曼来到斯坦福大学攻读博士研究生，并于1955年获得博士学位，他的导师是于1955年获得诺贝尔物理学奖的拉姆(Willis E. Lamb)。

在休斯飞机公司工作时，梅曼告诉老板他希望能够制造一台激光器，但由于当时其他著名实验室都没有做出什么令人振奋的成果，休斯公司还是希望他在计算机方面进行一些“有用”的工作。但梅曼坚持要进行研究，并以辞职相威胁。最终公司给了他9个月的时间，5万美元和一位助手。

在第一台激光器获得成功后，梅曼又继续对激光器在医学治疗上的应用进行研究，尽管当时的公众认为这是一种“致死”的光线。不过，由于休斯公司并没有再对激光器的潜在应用进行更多的投入，梅曼选择了离开并于1961年创办了自己的Korad公司。1

应用梅曼的发明为人类做出了重大的贡献，激光器已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。例如在玉石加工的应用、全息照片的应用等。

技术发展显然，要产生激光的先决条件是有一束富含紫外和绿光的强光束照射到激光棒内，使得离子翻转密度达到阀值。一种被广泛使用的方法就是用脉冲氙灯做强光源。结构很简单，只要把氙灯的光投射到红宝石棒子上就可以了。

这里介绍一下闪光灯。
闪光灯，有几个重要的参数。我们关心的其实就两个，弧长和1800v、电解电容下的炸灯能量。一般的，闪光灯为了适应工业用途，datasheet标称的工作电压是1500v以上的一个值，只有满足这个储能电压才能达到标称的光能密度和脉冲宽窄（主峰0.5ms以下，满足打孔的需要）。

主流的闪光灯有以下两种：

环形闪光灯

世界上第一个激光器用的是一种多圈环形闪光灯。效率没有直线闪光灯高但是耐受能量大得多。这种闪光灯一般难以买到，管长太大难以触发、脉冲整形网络难做、电容储能电压高，但是适合做可以承受非常大能量的闪光灯。这种闪光灯建模很难, datasheet数据很大区别,没什么普遍总结的规律。一般工作耐受能量超过2KJ。

直线闪光灯

如今工业固态激光器80%以上都采用这种氙灯结构。泵浦效率高，使用水冷方便，制造工艺简单，触发容易，是大部分工业激光采用这种结构的原因。这些闪光灯就是脉冲氙灯，一个典型的值是10cm弧长8mm直径的氙灯在400V储能下可以轻易hold住2200J的能量。2