固體激光器工作原理

固體激光器是用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器，具有體積小、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)，在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。但由于固體激光器工作介質(zhì)的制備較復(fù)雜，所以?xún)r(jià)格較貴。

一個(gè)原子吸收能量之后，從低能態(tài)到高能態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為激發(fā)過(guò)程。反之，處于激發(fā)狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，總是自發(fā)地回到低能態(tài)，同時(shí)有光子發(fā)出。這一過(guò)程叫“自發(fā)輻射”。如果原子吸收外界光能而躍遷到高能級(jí)，而受外界光感應(yīng)產(chǎn)生輻射又回到低能態(tài)，這一過(guò)程叫“受激發(fā)射”。但是，只有采用一種辦法使物質(zhì)中大量粒子同時(shí)處于激發(fā)態(tài)，并通過(guò)外界光感應(yīng)，使所有處于激發(fā)態(tài)的粒子幾乎同步完成受激輻射回到低能態(tài)，這時(shí)物質(zhì)才能發(fā)出一柬強(qiáng)大的光束來(lái)，稱(chēng)為“激光”。

在固體激光器中，能產(chǎn)生激光的晶體或玻璃被稱(chēng)為激光工作物質(zhì)。激光工作物質(zhì)由基質(zhì)和激活離子兩部分組成，基質(zhì)材料為激活離子提供了一個(gè)合適的存在與工作環(huán)境，而由激活離子完成激光產(chǎn)生過(guò)程。常用的激活離子主要是過(guò)渡金屬離子，如鉻、鉆、鎳等離子以及稀土金屬離子，如釹離子等。

固體激光器主要由閃光燈、激光工作物質(zhì)（如紅寶石激光晶體）和反射腔鏡片組成，反射鏡表面鍍有介質(zhì)膜，一片為全反射鏡，另一片為部分反射鏡。摻鉻紅寶石是一種最早發(fā)現(xiàn)和使用的激光工作物質(zhì)。現(xiàn)在已研制成功了數(shù)十種可供應(yīng)用的激光晶體。當(dāng)采用不同的激活離子、不同的基質(zhì)材料和不同波長(zhǎng)的光激勵(lì)，會(huì)發(fā)射出各種不同波長(zhǎng)的激光。

早期的固體激光器都是用閃光燈或其他激光器，來(lái)完成激光工作物質(zhì)內(nèi)原子的受激輻射過(guò)程的，這基本上是由一種形式的光能轉(zhuǎn)化為激光能量的過(guò)程。如何把電能直接轉(zhuǎn)化為激光的能量，一直是人們夢(mèng)寐以求的事情。

固體激光器的基本組成

固體激光器一般由三個(gè)部分組成：

（1）工作物質(zhì) 這是激光器的核心，只有能實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。目前，激光工作物質(zhì)已有數(shù)千種，激光波長(zhǎng)已由X光遠(yuǎn)至紅外光。例如氦氖激光器中，通過(guò)氦原子的協(xié)助，使氖原子的兩個(gè)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

（2）激勵(lì)能源（光泵） 它的作用是給工作物質(zhì)以能量，即將原子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)的外界能量。 通過(guò)強(qiáng)光照射工作物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法稱(chēng)為光泵法。例如紅寶石激光器，是利用大功率的閃光燈照射紅寶石（工作物質(zhì)）而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，造成了產(chǎn)生激光的條件。通常可以有光能源、熱能源、電能源、化學(xué)能源等。

（3）光學(xué)共振腔 這是激光器的重要部件，其作用一是使工作物質(zhì)的受激輻射連續(xù)進(jìn)行；二是不斷給光子加速；三是限制激光輸出的方向。最簡(jiǎn)單的光學(xué)共振腔是由放置在氦氖激光器兩端的兩個(gè)相互平行的反射鏡組成。當(dāng)一些氖原子在實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩能級(jí)間發(fā)生躍遷，輻射出平行于激光器方向的光子時(shí)，這些光子將在兩反射鏡之間來(lái)回反射，于是就不斷地引起受激輻射，很快地就產(chǎn)生出相當(dāng)強(qiáng)的激光。這兩個(gè)互相平行的反射鏡，一個(gè)反射率接近100%，即完全反射。另一個(gè)反射率約為98%，激光就是從后一個(gè)反射鏡射出的。激光器主要由三部分組成：工作物質(zhì)、激勵(lì)能源、諧振腔（共振腔）。