[科普中國]-紅寶石激光器

相關理論

所有的光（即傳統(tǒng)光源或者激光光源），都是原子、分子能級變化所造成的。這些特定能級差別的吸收和釋放都表現(xiàn)成為特定波長的光。光子射出的能量（焦耳）等于h*f，其中h是普朗克常數(shù)，f是頻率的輻射，這適用于激光和傳統(tǒng)的發(fā)光系統(tǒng)。光輻射能量在原子從高能態(tài)掉到低能態(tài)的時候放出。然而，一個原子想發(fā)光，首先必須吸收的能量，使得低能態(tài)原子被打到高能態(tài)，這在激光領域叫做“泵浦”。所有光包括自發(fā)和激光需要一定量的能量吸收。

顯然，沒有哪個自發(fā)輻射光源能達到激光光源的光譜質量。這是因為傳統(tǒng)光源是系統(tǒng)處在各種能級都有的雜亂輻射狀態(tài)。傳統(tǒng)光源的基本特征是寬光譜分布，隨機極化，圓形和不規(guī)則的波陣面和較低的色溫。激光的發(fā)射原理不同于常規(guī)光，不是各種能級加在一起的自發(fā)輻射產(chǎn)生的，而是受激發(fā)射，各種能級的原子被泵浦到較高的一個激發(fā)態(tài)上，由于維持的時間總體正態(tài)分布，大部分原子都在一段極短的時間內掉到同一個較低的能態(tài)上，這種發(fā)射方式導致光處在幾乎一致的能量水平，也就是我們平常所說的激光單色性。

為了維持這種翻轉的粒子數(shù)夠多，必須有外部的能量把掉下來的原子搬到激發(fā)態(tài)上，這就需要脈沖激光（例如YAG激光器、紅寶石激光器）中的脈沖氙燈，半導體泵浦激光（又叫DPSS激光，例如綠色的激光筆）中的半導體激光器，氣體放電激光（例如氦氖激光器、CO2激光器）中的放電，化學激光（例如武器級的氧碘激光器）中的化學反應等能量源來提供能量了。

世界上很多物質都能受激發(fā)光，但是，只有少部分物質能夠發(fā)出有用的激光。激光物質必須有特定的粒子結構使得粒子翻轉群可以被激發(fā)到一定的密度，一般是一些晶體或者氣體、液體。這些激光物質一般被放在兩個鏡子之間，使得能量能夠經(jīng)過多次來回反射而放大達到能夠使用的級別。一面鏡子是全反鏡，反射幾乎所有的光，也叫HR，一面鏡子是半反鏡，也叫輸出鏡，OC，一般反射20%到80%的光，激光在兩個鏡子之間多次往返放大后，從這里打出來一部分做輸出。

在激光器的設想提出不久，紅寶石就被首先用來制成了世界上第一臺激光器。激光用紅寶石晶體的基質是Al2O3，晶體內摻有約0.05%（重量比）的Cr2O3。Cr3+密度約為1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶體中取代Al3+位置而均勻分布在其中，光學上屬于負單軸晶體。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來處于基態(tài)E1的粒子，吸收了Xe燈發(fā)射的光子而被激發(fā)到E3能級。粒子在E3能級的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過無輻射躍遷到達激光上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長，可達3×10-3秒。所以在E2能級上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數(shù)反轉，此時晶體對頻率ν滿足hν=E2—E1（其中h為普朗克常數(shù)，E2、E1分別為激光上、下能級的能量）的光子有放大作用，即對該頻率的光有增益。當增益G足夠大，能滿足閾值條件時，就在部分反射鏡端有波長為6943×10-10米的激光輸出。

系統(tǒng)內的4A能級(低能態(tài))原子們有一大半的原子被外部的能量泵到更高的能態(tài)，laser才能lase。從figure 2看出， 紅寶石激光器的吸收大部分集中在兩個區(qū)域，T1(紫外)、T2(綠光)。這些吸收范的效率比較高的區(qū)域光譜寬度大概1000A。被打到T1/T2狀態(tài)的離子很快掉到2E能級，造成了2E翻轉群體密度增大到能打出激光的閥值。在這個閥值密度以下，紅寶石既不能發(fā)出激光，也不能用來放大激光（其實兩個是一樣的原理）。此后，從2E能態(tài)到低能態(tài)的時候，這些多出來的能量就以波長為6943A的光的形式發(fā)出。一個2E能級的離子掉到低能態(tài)時候發(fā)出的6943光促使了周圍的2E也跟著掉，可以理解成一種比較低成功率的連鎖反應。這幅圖是一個極端簡這幅圖是一個極端簡化、不準確的非比例模型?；?、不準確的非比例模型，它沒有展示出一些2E/4A能級里的精細能級， 我記得2E中文好像叫做亞穩(wěn)態(tài)，具體細節(jié)可以谷歌一下。這些精細能級會把6943A的激光參雜進一些附近的雜峰。這個問題不影響一般的實驗。如果需要特別純凈的光譜可以把激光棒冷卻到大概75K，這時候線寬就會變成大概10-15 GHz窄了。

紅寶石激光器的效率雖然不高，只有0.1%，產(chǎn)生的是暗紅色的694.3nm光，但是由于它的結構極其簡單，有代表性，跟我們現(xiàn)在應用最廣泛的YAG激光器結構一致，能級（3能級系統(tǒng)）更加簡單，分析起來比較好理解。筆芯粗細，手指那么長的紅寶石棒就可以輕松的產(chǎn)生打穿鐵皮、從月面上反射回來被檢測到的激光束，這些激光器在沒有發(fā)明效率高得多的YAG激光棒（1%-3%）的時候，被廣泛的用在激光切割機、鉆孔機上，許多軍用的非致命性武器也采用更小的紅寶石棒子。1

紅寶石是一種3能級的激光材料，一般是把光學性能很好的三氧化二鋁晶體里面摻上0.03 - 0.4% 的Cr3+，做成人工紅寶石，比一般的天然紅寶石有好得多的光學性能。常見的紅寶石棒尺寸從0.5cm到2cm直徑，4cm到16cm長?？瓷先タ赡苁呛軠\的粉紅色玻璃棒樣子或者很深的紅棕色，這要看棒子的摻Cr濃度。用綠激光筆打進去會有很特別的顏色出來。

雖然結構極端簡單，也還是一種常見的大能量脈沖激光器。它跟YAG激光器、釹玻璃激光器等同屬于固體激光器。紅寶石激光器在脈沖氙燈照射下的工作效率只有大概0.1%， 但是由于熒光壽命很長，可以很容易用機械Q開關（一個旋轉的全反棱鏡去把脈沖壓縮到ns量級，脈沖功率輕松突破兆瓦）。

這里簡單解釋一下Q開關。最簡單的Q開關就是一個馬達連著一個鏡子，沒對準的時候沒有來回往復的光，可以讓高能態(tài)粒子的數(shù)量慢慢的聚集增多，在對準的瞬間釋放，達到很窄而功率很大的脈沖。另外一種適合DIY的Q開關是被動式Q開關（passive q-switch），當光能量密度達到某一個閥值時候，他突然由不怎么透光變得很透光，使得之前聚集的高能態(tài)粒子得以瞬間釋放，這種晶體比較難找，價格也比較高，只能碰運氣。工業(yè)上用的比較多的有電光調Q、聲光調Q等方式做的q開關，用在進一步壓縮脈沖激光的脈沖或者使連續(xù)半導體泵浦的激光晶體輸出峰值功率很高的脈沖激光，方便打標、切割。1

誕生背景愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處于高能態(tài)的物質粒子受到一個能量等于兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個光子，同第一個光子同時發(fā)射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。

此后，量子力學的建立和發(fā)展使人們對物質的微觀結構及運動規(guī)律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產(chǎn)生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生后，被很快應用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并研制出許多相應的器件。這些科學理論和技術的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。

1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數(shù)反轉，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國物理學家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產(chǎn)生和放大微波的設計。

1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，勉強贏得了這場世界范圍內的研制競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。1

發(fā)明者美國物理學家、世界上第一臺激光器的發(fā)明者希爾多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學逝世，享年79歲。梅曼罹患的是系統(tǒng)性肥大細胞增多癥(systemic mastocytosis)，一種罕見的遺傳疾病。

終其一生，梅曼獲得了無數(shù)的獎勵。盡管1964年的諾貝爾物理學獎并沒有授予發(fā)明了世界上第一臺激光器的他，而是給了此前發(fā)明了微波激射器并提出激光器原理與設計方案的美國貝爾實驗室物理學家湯斯和蘇聯(lián)物理學家巴索夫、普羅霍羅夫，但梅曼仍兩次獲得諾貝爾獎提名，并獲得了物理學領域著名的日本獎和沃爾夫獎。他還于1984年被列入“美國發(fā)明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》雜志一百周年紀念的一本書中，湯斯將梅曼的論文稱為該雜志100年來發(fā)表的所有精彩論文中“字字珠璣的最重要的一篇”。

紀念梅曼的活動在每年的5月16日舉行，這也是梅曼的激光器首次使用的日子。1

發(fā)明過程激光器通過受激發(fā)射放大原理產(chǎn)生一種相干光輻射(激光)。1960年7月7日，《紐約時報》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一臺紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創(chuàng)造出了相干脈沖激光光束，這一成果后來震驚了全世界。在全世界頂尖的實驗室都爭取第一個發(fā)明激光器的情況下，梅曼當時的雇主——洛杉磯休斯飛機公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。

不過，梅曼在發(fā)表文章時并不順利。他先把論文投到《物理評論快報》(PRL)，但當時的編輯Sam Goudsmit認為這只是又一篇maser 重復工作的文章，因此拒絕發(fā)表。后來梅曼終于將文章發(fā)表在《自然》雜志上。當然，經(jīng)過多年的努力爭取，梅曼的成就已經(jīng)得到了廣泛的承認。

梅曼1927年7月11日生于加州洛杉磯，是一個電氣工程師的兒子。父親希望他成為一位醫(yī)生，但他認為對激光的研究將對醫(yī)學產(chǎn)生更大的影響。盡管梅曼小時候是一個野性難馴的孩子，但他的數(shù)學非常好。在1949年從科羅拉多大學碩士畢業(yè)后，梅曼來到斯坦福大學攻讀博士研究生，并于1955年獲得博士學位，他的導師是于1955年獲得諾貝爾物理學獎的拉姆(Willis E. Lamb)。

在休斯飛機公司工作時，梅曼告訴老板他希望能夠制造一臺激光器，但由于當時其他著名實驗室都沒有做出什么令人振奮的成果，休斯公司還是希望他在計算機方面進行一些“有用”的工作。但梅曼堅持要進行研究，并以辭職相威脅。最終公司給了他9個月的時間，5萬美元和一位助手。

在第一臺激光器獲得成功后，梅曼又繼續(xù)對激光器在醫(yī)學治療上的應用進行研究，盡管當時的公眾認為這是一種“致死”的光線。不過，由于休斯公司并沒有再對激光器的潛在應用進行更多的投入，梅曼選擇了離開并于1961年創(chuàng)辦了自己的Korad公司。1

應用梅曼的發(fā)明為人類做出了重大的貢獻，激光器已經(jīng)成為在醫(yī)學、工業(yè)以及眾多科研領域不可或缺的基本儀器設備。例如在玉石加工的應用、全息照片的應用等。

技術發(fā)展顯然，要產(chǎn)生激光的先決條件是有一束富含紫外和綠光的強光束照射到激光棒內，使得離子翻轉密度達到閥值。一種被廣泛使用的方法就是用脈沖氙燈做強光源。結構很簡單，只要把氙燈的光投射到紅寶石棒子上就可以了。

這里介紹一下閃光燈。
閃光燈，有幾個重要的參數(shù)。我們關心的其實就兩個，弧長和1800v、電解電容下的炸燈能量。一般的，閃光燈為了適應工業(yè)用途，datasheet標稱的工作電壓是1500v以上的一個值，只有滿足這個儲能電壓才能達到標稱的光能密度和脈沖寬窄（主峰0.5ms以下，滿足打孔的需要）。

主流的閃光燈有以下兩種：

環(huán)形閃光燈

世界上第一個激光器用的是一種多圈環(huán)形閃光燈。效率沒有直線閃光燈高但是耐受能量大得多。這種閃光燈一般難以買到，管長太大難以觸發(fā)、脈沖整形網(wǎng)絡難做、電容儲能電壓高，但是適合做可以承受非常大能量的閃光燈。這種閃光燈建模很難, datasheet數(shù)據(jù)很大區(qū)別,沒什么普遍總結的規(guī)律。一般工作耐受能量超過2KJ。

直線閃光燈

如今工業(yè)固態(tài)激光器80%以上都采用這種氙燈結構。泵浦效率高，使用水冷方便，制造工藝簡單，觸發(fā)容易，是大部分工業(yè)激光采用這種結構的原因。這些閃光燈就是脈沖氙燈，一個典型的值是10cm弧長8mm直徑的氙燈在400V儲能下可以輕易hold住2200J的能量。2