.
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E2
。
E1
E1
.
发光后
h h
发光前
受激辐射的光放大示意图
2.粒子集居数反转
在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满足玻尔兹 曼公式，即能级的能量越高，上面的粒子数越少。这时如果给粒子系统 提供一个外来能量，使低能级上的粒子吸收能量跃迁至高能级上，使高 能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这个过程即成为粒子集居数反 转。只有在两个形成了粒子数反转的能级之间，受激辐射的分量才能大 于受激吸收，光才能得到放大。
光纤激光器
一．激光产生的基本理论 二．激光产生的三要素 三．光纤激光器 四．光纤激光器应用
一.激光产生的基本理论
1.受激辐射
在受激辐射过程中产生并被放大了的光，便是激光
E2
原子中处于高能级 E2 的电子 , 会 在外来光子 ( 其频率恰好满足 hv=E2E1) 的诱发下向低能级 E1跃迁 , 并发出 与外来光子一样特征的光子 , 这叫受 激辐射。 受激辐射跃迁时产生的光子与外 来光子在频率、相位和振荡方向完全 一致，产生的光子相当于加强了外来 光子，即光放大作用。
2.激光的形成
激光的形成是由光束
在谐振腔内来回振荡，在
工作介质中的传播使光得 以放大，并输出激光。
全反 射镜 激励源
部分 反射镜 (99)
1.激励源
要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得有外力借助工具来实 现。要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能级 “搬运”到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。然而，粒 子都是甘居低能态的，而且很顽固。即使费了很大劲把一部分抽运到了 高能态，但它们很快就又自发地跃回低能态了。所以，那就需要加大能 量不停顿地来轰击。就是说，激励不仅要快，而且要强有力。激励作用 总是通过消耗一定的能量来实现的，产生受激辐射所需要的最小激励能 量定义为激光器的阈值(阈，即门槛的意思)。
2.工作介质
在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原子、电子等微
观粒子组成的，如果有了强大的激励是不是都能在物质中实现粒子数
反转而产生激光呢？不是的，激励只是一个外部条件，激光的产生还
取决于合适的工作物质，也称之为激光器的工作介质，这才是激光产
生的内因。那激光器的工作介质要有什么特性呢？目前所有已实现的
这个系统便能对诱发光子能量hv=E2—E1的光进 行光放大。显然，E2能级好象一个水塔上的蓄水池， 能够贮存大量的粒子，只有亚稳态级才具有这种能力， 但并不是所有的发光物质都具有亚稳态结构，这就是 有些物质可以“激”出激光来，而有些物质却“激” 不出来的道理。所以，具备亚稳态能级结构是对产生 激光的工作物质的起码要求。
3.光学谐振腔
合适的工作物质有了，实现粒子数反转的激励源有了，这下子 该“激”出激光了吧！还不行，因为人们在实验中发现这样虽然可 以产生受激辐射，但非常微弱，根本形不成可供人们使用的激光。 这很自然的使人们想到了采用放大的办法来解决这个问题，于是出 现了光学谐振腔。所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上两块反 射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这 块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激辐射，光 被放大。因此，光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩式的获 得放大，产生强烈的激光，从部分放射镜一端输出。
E2
.... .
E2 E1
粒子数的正常分布
N2
E2
. . . .. . . .. . . .. . .
。 。。 。。
粒子数反转分布
N2
E1
。 。 。 。 。 。 。 。 。 N1 。 。 。 。
E1
E2 E1
Байду номын сангаас
N1
二.激光产生的三要素
1.激光器基本构成部分
激励源、工作介质、谐振腔
谐振腔 工作介质
光纤激光器有着波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、 输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特点，在通信、传感、军事、工业 加工、医疗、光信息处理、激光印制等领域有着广阔的前景。 在通信方面，光纤激光器提供的1.30µm和1.55µm波段的激光是通信的两个低损耗 窗口。光纤激光器不仅能产生连续激光输出，而且能实现ps-fs超短光脉冲的产生， 在DWDM系统有巨大的潜在应用。光纤激光器使通信系统有更高的传输速度，更远的传 输距离，起着不可替代的作用。 在医疗方面，光纤激光器因其体积小、光纤柔软性好，光束质量好，且不需冷却 系统，已经得到了广泛的应用。光纤激光器使能缩短组织脱落和光致凝结的手术时间 ;同时使得眼科疾病如角膜成形、近视、远视等的治愈成功率大大提高。还在整容、 切除肿瘤、治癌、皮肤病方面扮演重要的角色。
光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易 形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统， 具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。 并且，光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、 免维护、高稳定性的优点；超长的工作寿命和免维护时 间，平均免维护时间在10万小时以上。
光纤激光器应用
光纤激光器
光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振 腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成， 其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土 元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数 反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。
光纤激光器的优点
激光雕刻
精密电子元器件
精密金属标刻
谢谢！
激光辐射都是三能级或四能级系统。
下图是红宝石激光器的铬离子(Cr3+)的简化能级图，这是一个典型的三能 级系统。图中所示的E1,E2,E3中，E2是亚稳态级。
外界激发作用将会把粒子从E1抽运到E3， 被抽运到E3的粒子很快通过无辐射跃迁转移到 E2，因为E3的寿命只有10-9秒，即10亿分之一 秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但E2 的亚稳态，寿命较长，约为10-3秒，即千分之 一秒，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断地 被抽运到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒 子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就 很小，于是粒子就在 E2上积聚起来，从而实 现E2对E1两能级间的粒子数反转。
在工业领域，可用于激光打标、激光焊接、激光切割等。
激光打标
包括半导体芯片/晶元片/集成电路/电子器件，医疗器件，手机/计 算机键盘，仪器面板/按键，服装钮扣，香烟/食品包装等。
CO2和YAG激光器：体积大；高功 耗；短寿命；高维护费用；使用 不方便。
掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长 寿命 ；低成本，免维护；光束质量好， 工作面处功率密度高；光纤传输到工作 面，使用方便。