现代光学基础2

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目录

1. 激光器概述
2. 红宝石激光器
   • 工作原理
   • 主要特点
   • 举例说明
3. 固体激光器
   • 分类与特点
   • 钛-蓝宝石激光器
   • 锁模技术
4. 光纤激光器
   • 优势与应用
   • 掺铒光纤放大器（EDFA）
   • 隔离器与法拉第效应
5. 气体激光器
   • 常见类型
   • 工作原理
   • 举例说明
6. 半导体激光器
   • 现状与优势
   • 工作原理
   • 应用领域
7. 总结与关键点

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1. 激光器概述

激光（Laser）是一种通过受激辐射产生的高度相干、单色性和方向性的光源。激光器根据增益介质的不同，可分为多种类型，包括红宝石激光器、固体激光器、光纤激光器、气体激光器和半导体激光器。

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2. 红宝石激光器

工作原理

• 增益介质：红宝石晶体（含铬离子Cr³⁺的刚玉Al₂O₃）。
• 泵浦方式：使用闪光灯（绿色或紫色光）激发铬离子。
• 谐振腔：红宝石晶体表面作为反射镜，形成光在腔内反射放大。
• 粒子数反转：通过闪光灯泵浦，使高能级铬离子数目超过低能级，实现激光发射。

主要特点

• 历史意义：首台成功研发的激光器，由托马斯·梅曼于1960年制造。
• 激光输出：产生可见的红色激光光束，脉冲持续时间约为毫秒级。

举例说明

使用绿色闪光灯泵浦红宝石晶体，铬离子被激发至高能级，形成粒子数反转，通过受激辐射发射红色激光，光束在谐振腔内反复放大，最终输出强烈的激光束。

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3. 固体激光器

分类与特点

• 增益介质：固体晶体，如掺钕（Nd:YAG）、掺钛-蓝宝石（Ti:Sapphire）。
• 泵浦源：气体激光器或半导体激光二极管。
• 特点：
  • 高功率输出
  • 可调波长
  • 通常采用锁模技术生成短脉冲
  • 体积较大，成本较高

钛-蓝宝石激光器

• 四能级系统：提高激光效率。
• 广泛调节波长：700-1000纳米，可通过光学元件调整。
• 锁模技术：产生飞秒级超短脉冲，应用于精密加工和科学研究。

锁模技术

• 定义：同步谐振腔内所有激光模式的相位，形成稳定的超短脉冲。
• 原理：通过“快门”控制脉冲，通过相位锁定使多个频率模式叠加形成脉冲。

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4. 光纤激光器

优势与应用

• 优势：
  • 高灵活性与紧凑性
  • 高功率输出
  • 适用于工业制造（如切割、焊接）
• 应用：飞秒高功率光纤激光器在精密加工、医学成像和科学研究中广泛应用。

掺铒光纤放大器（EDFA）

• 工作原理：在1550纳米光纤中掺入铒离子，使用980纳米激光泵浦，放大1550纳米信号光。
• 特点：商用EDFA增益高达40 dB，适用于长距离光纤通信。
• 谐振腔构建：使用光纤布拉格光栅（FBG）作为反射镜。

隔离器与法拉第效应

• 问题：EDFA输出直接连接输入会导致光信号反射，干扰放大器。
• 解决方案：使用基于法拉第效应的隔离器。
• 法拉第效应：在磁场下，光的偏振方向旋转，使光只能单向传输。
• 隔离器结构：前后各置线性偏振片，利用偏振旋转阻挡反向光。

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5. 气体激光器

常见类型

• 氦-氖激光器（He-Ne）：波长632.8纳米，红色激光，应用于指示器、全息术。
• 二氧化碳激光器（CO₂）：波长10.6微米，红外激光，用于工业切割、焊接。
• 氩离子激光器（Argon）：发射蓝色和绿色光，应用于显示、科研。

工作原理

• 增益介质：激活气体（如氦、氖、氩、二氧化碳）。
• 泵浦源：高压电放电激发气体，形成粒子数反转。
• 谐振腔：反射镜促进光子反射和放大。
• 激光输出：部分透镜反射镜输出激光束。

举例说明

氦-氖激光器通过氦原子激发能量传递给氖原子，形成粒子数反转，氖原子跃迁释放红色激光光子，广泛用于激光指示器和教学实验。

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6. 半导体激光器

现状与优势

• 现状：约99%的商用激光器为半导体激光器（激光二极管）。
• 优势：
  • 高效率（墙插效率40-50%）
  • 小型化，易于集成
  • 成本低，适合大规模生产

工作原理

• 结构：
  • 活性区：PN结区域，电子与空穴复合产生光子。
  • 谐振腔：两端形成镜面，促进光子受激辐射。
  • 封装与散热：确保激光稳定输出。
• 电注入泵浦：通过电流激励直接产生光子。

应用领域

• 通信：光纤通信中的光源，传输高速数据。
• 打印：激光打印机中的扫描与成像。
• 医疗：激光手术、眼科治疗。
• 消费电子：激光指示器、条码扫描仪、激光玩具。

举例说明

CD/DVD播放器中的激光二极管发出特定波长光束，聚焦到光盘表面，反射光信号被探测器接收并解码为音视频信息。

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7. 总结与关键点

• 激光类型：红宝石激光器、固体激光器、光纤激光器、气体激光器、半导体激光器。
• 工作原理：各类激光器通过不同的增益介质和泵浦方式实现粒子数反转与激光发射。
• 应用领域：从工业制造到通信、医疗和消费电子，激光技术广泛应用于多个领域。
• 关键技术：锁模技术、法拉第效应隔离器、掺铒光纤放大器等，提升激光器性能与应用范围。

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复习提示

• 理解各类激光器的增益介质和泵浦方式。
• 掌握激光器的基本工作原理，如粒子数反转、谐振腔构建。
• 熟悉锁模技术及其在产生短脉冲中的应用。
• 了解光纤激光器的优势及EDFA的工作原理。
• 掌握半导体激光器的结构与应用领域。
• 通过举例加深对各类激光器实际应用的理解。