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激光器的神奇功能及應(yīng)用

來源:未知 作者:admin

  激光在我們生活當(dāng)中隨處可見,它的功能與作用不可輕視,具有神奇的功能,應(yīng)用非常的廣泛:比如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、醫(yī)療、軍事、航天等。就我們生活而言,在日常生活中的作用: 激光唱片,用激光刻錄方法記錄音頻信號的圓形薄片載音體。激光錄像,通過光調(diào)制器用激光束把經(jīng)過編碼的圖像和聲音信息記錄到圓形薄片載體上。在醫(yī)療中的作用,激光應(yīng)用在醫(yī)療器械領(lǐng)域的成果是很多的,它可以扮演鉆頭、手術(shù)刀、焊槍等多種角色。了解了激光的作用,那么,激光器的神奇應(yīng)用又有哪些呢?下面我們進(jìn)行一下分類就一目了然了。

  激光器分類:可以有兩種方法對激光器進(jìn)行分類。一種是從激活媒質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)面分類。這樣可分為氣體、 液體、固體和半導(dǎo)體激光器。各類激光器各有特色。氣體激光器的單色性強(qiáng),如氦—氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍,而且氣體激光器工作物質(zhì)種類繁多,因此可產(chǎn)生許多不同頻率的激光。但是,由于氣體密度低,激光輸出功率相應(yīng)較小;固體激光器則正好相反,能量高,輸出功率大,但工作物質(zhì)種類較少,而且單色性差;液體激光器的最大特點(diǎn)是激光的波長可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換。這種激光器特別適合于對激光波長有著嚴(yán)格要求的場合;半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)則是體積小,重量輕,結(jié)構(gòu)簡單,但輸出的功率較小,單色性也較差。另一種分類方式是按激活媒質(zhì)的粒子結(jié)構(gòu)來分類,可以分為原子、離子、分子和自由電子激光器。氦——氖激光器產(chǎn)生的激光是由氖原子發(fā)射的,紅寶石激光器產(chǎn)生的激光則是由鉻離子發(fā)射的。另外還有二氧化碳分子激光器,它的頻率可以連續(xù)變化。而且可以覆蓋很寬的頻率范圍。各種激光器中激活媒質(zhì)的方法也不盡相同。一般來說可分為三種方法:使用高強(qiáng)度的光,從帶電源來的電子,以及較少用的第三種方法——核輻射。

  光纖通信所用的激光器在光纖通信中,所用的光源有三種:半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管和非半導(dǎo)體激光器。在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中,通常選用前兩種。而非半導(dǎo)體激光器,如氣體激光器、固體激光器等,雖然它們是最早制成的相干光源,但由于其體積太大,不適宜與體積小的光纖配合使用,只用于一些特殊場所。

  半導(dǎo)體激光器:半導(dǎo)體激光器即為激光二極管,記作LD。它是前蘇聯(lián)科學(xué)家H.Γ.巴索夫于1960年發(fā)明的。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。半導(dǎo)體激光器的發(fā)光是利用光的受激輻射原理。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的大多數(shù)電子在受到外來入射光子激勵時,會同步發(fā)射光子,受激輻射的光子和入射光子不僅波長相同,而且相位、方向也相同。這樣由弱的入射光激勵而得到了強(qiáng)的發(fā)射光,起到了光放大作用。但是僅僅有光放大功能還不能形成光振蕩。正如電子電路中的振蕩器那樣,只有放大功能不能產(chǎn)生電振蕩,還必須設(shè)計正反饋電路,使電路中所損失的功率由放大的功率得以補(bǔ)償。同樣,在激光器中也是借用電子電路的反饋概念,把放大了的光反饋一部分回來進(jìn)一步放大,產(chǎn)生振蕩,發(fā)出激光。這種用于實(shí)現(xiàn)光的放大反饋的儀器稱為光學(xué)諧振腔。半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn):尺寸小,耦合效率高,響應(yīng)速度快,波長和尺寸與光纖尺寸適配,可直接調(diào)制,相干性好。

  半導(dǎo)體發(fā)光二極管:半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器類似,也是一個PN結(jié),也是利用外電源向PN結(jié)注入電子來發(fā)光的。半導(dǎo)體發(fā)光二極管記作LED,是由P型半導(dǎo)體形成的P層和N型半導(dǎo)體形成的N層,以及中間的由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光區(qū),其厚度為0.1~0.2μm左右。

  半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)公差沒有激光器那么嚴(yán)格,而且無諧振腔。所以,所發(fā)出的光不是激光,而是熒光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下,N區(qū)的電子將向正方向擴(kuò)散,進(jìn)入有源層,P區(qū)的空穴也將向負(fù)方向擴(kuò)散,進(jìn)入有源層。進(jìn)入有源層的電子和空穴由于異質(zhì)結(jié)勢壘的作用,而被封閉在有源層內(nèi),就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這些在有源層內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的電子,經(jīng)躍遷與空穴復(fù)合時,將產(chǎn)生自發(fā)輻射光。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)簡單,體積小,工作電流小,使用方便,成本低,所以在光電系統(tǒng)中的應(yīng)用極為普遍。

  激光器分類的方法有很多,可以按照它切割的材料來分,可以按照它的功率的大小來分,可以按照波段分。激光設(shè)備按照波段可分為可見光、紅外、紫外、X光、多波長可調(diào)諧 。目前工業(yè)用紅外及紫外激光,例如CO2激光器10.64um紅外激光, 氪燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光, 氙燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光, 半導(dǎo)體側(cè)面泵浦YAG激光器1.064um紅外激光。

  激光器的種類很多,可分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體和染料等幾種類型:

  ( 1 )固體激光器一般小而堅固,脈沖輻射功率較高,應(yīng)用范圍較廣泛。如:Nd:YAG激光器。 Nd(釹)是一種稀土族元素,YAG代表釔鋁石榴石,晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。

  ( 2 )半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單,特別適于在飛機(jī)、軍艦、車輛和宇宙飛船上使用。半導(dǎo)體激光器可以通過外加的電場、磁場、溫度、壓力等改變激光的波長,能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能,所以發(fā)展迅速。

  ( 3 )氣體激光器以氣體為工作物質(zhì),單色性和相干性較好,激光波長可達(dá)數(shù)千種,應(yīng)用廣泛。氣體激光器結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作方便。在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、精密測量、全息技術(shù)等方面應(yīng)用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學(xué)能、光能、核能等多種激勵方式。

  ( 4 )以液體染料為工作物質(zhì)的染料激光器于 1966 年問世,廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究領(lǐng)域,F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的能產(chǎn)生激光的染料,大約在 500 種左右。這些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它們還可以包含在有機(jī)塑料中以固態(tài)出現(xiàn),或升華為蒸汽,以氣態(tài)形式出現(xiàn)。所以染料激光器也稱為 “ 液體激光器 ” 。染料激光器的突出特點(diǎn)是波長連續(xù)可調(diào)。燃料激光器種類繁多,價格低廉,效率高,輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美,應(yīng)用于分光光譜、光化學(xué)、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)。

  ( 5 )紅外激光器已有多種類型,應(yīng)用范圍廣泛,它是一種新型的紅外輻射源,特點(diǎn)是輻射強(qiáng)度高、單色性好、相干性好、方向性強(qiáng)。

  ( 6 ) X 射線激光器在科研和軍事上有重要價值,應(yīng)用于激光反導(dǎo)彈武器中具有優(yōu)勢;生物學(xué)家用 X 射線激光能夠研究活組織中的分子結(jié)構(gòu)或詳細(xì)了解細(xì)胞機(jī)能 ; 用 X 射線激光拍攝分子結(jié)構(gòu)的照片 , 所得到的生物分子像的對比度很高。

  ( 7 )化學(xué)激光器 有些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生足夠多的高能原子,就可以釋放出大能量,可用來產(chǎn)生激光作用。

  ( 8 )自由電子激光器 這類激光器比其他類型更適于產(chǎn)生很大功率的輻射。它的工作機(jī)制與眾不同,它從加速器中獲得幾千萬伏高能調(diào)整電子束,經(jīng)周期磁場,形成不同能態(tài)的能級,產(chǎn)生受激輻射。

  ( 9 )準(zhǔn)分子激光器、光纖導(dǎo)波激光器等。

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