激光的基本原理 第二课: 激光产生的三要素 泵浦源 增益介质 谐振腔

激光的基本原理第二课: 激光产生的三要素 泵浦源 增益介质 谐振腔


   一个激光光源由三个基本组成部分,是工作介质、谐振腔和激光泵浦源。
   激光的工作介质就是激光的激发材料,也是光放大的材料。因此,也称之为增益介质。从原理上说,许多不同的材料都可以作为激光的增益介质。增益介质可以是气体、固体、液体。一种材料能否称为激光的增益介质,选取的原则是:当这种材料受到激发,然后粒子从高能级降落到低能级时,必须有激光辐射,也就是要有特定波长的电磁辐射(受激辐射)。
 
激光增益介质(激光晶体毛坯与成品)YAG晶体棒和棒套径的晶体棒  外部带螺纹的晶体棒(螺纹是为了增大散热) 不同直径的晶体棒
   
    一种最简单的谐振腔就是两片平行的镜子,我们称之为,平行谐振腔,简称:平平腔。其中,一片镜子镀全反膜,为全反镜R1。另一片镜子镀部分反射膜R2,为输出镜。激光就在平平腔中来回反射经过增益介质,使激光放大。输出镜决定了激光的发射方向。




      泵浦源在增益介质发射激光之前,必须要对其进行激发。这个过程称为:“泵浦”。每个激光光源都需要一个泵浦源。泵浦源是利用光能、电能或者化学能来泵浦或者激发增益介质。例如,CO2激光器是使用高频交流电来进行泵浦的。YAG激光切割机焊接机是用氙灯泵浦。早期的灯泵浦YAG激光打标机是用氪灯泵浦。
 

                                                                    氙灯(两头圆形电极)                    氪灯(一头尖电极,一头圆形电极)
     对于激光器冷却要求:
      在泵浦源激发增益介质的同时,泵浦源的能量并不能完全转换为激光能,这个转效率并不是很高。我们知道,能量是守恒的。那么在激发能量中,只有一部分的泵浦能量转换成为激光。同时大部分能量都将转换成为热能。而要使增益介质正常工作必须维持一个合适的温度。这样就必须要保证激光器及时散热。
 
        当增益介质变热时,热能会激发增益介质的原子或分子。结果会导致处于低能级的粒子数将大于高能级的粒子数。粒子数反转的条件将不存在。结果将导致激光器不能射出激光。所以激光器的冷却和和冷却温度的设置是非常重要的。激光器常见的冷却方式主要有:风冷、水冷、半导体电制冷等。
                                                                   

                                                                                                                            两款常用的款激光冷水机


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