紅寶石激光器（用于 醫學(xué)、工業(yè)等的儀器設備）
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紅寶石激光器是一種激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒。在激光器的設想提出不久，紅寶石就被首先用來(lái)制成了世界上第一臺激光器。激光用紅寶石晶體的基質(zhì)是Al?O?，晶體內摻有約0.05%（重量比）的Cr?O?。其已經(jīng)成為在醫學(xué)、工業(yè)以及眾多科研領(lǐng)域不可或缺的基本儀器設備。紅寶石激光器
用于 醫學(xué)、工業(yè)等的儀器設備
紅寶石激光器是一種激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒。
基本信息
| 中文名 | 紅寶石激光器 |
| 外文名 | Ruby laser |
| 屬性 | 設備名 |
| 作物質(zhì) | 紅寶石棒 |
| 基質(zhì) | Al2O3 |
| 應用 | 醫學(xué)、工業(yè)等 |
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發(fā)明者
美國物理學(xué)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(xué)逝世，享年79歲。梅曼罹患的是系統性肥大細胞增多癥(systemic mastocytosis)，一種罕見(jiàn)的遺傳疾病。
終其一生，梅曼獲得了無(wú)數的獎勵。盡管1964年的諾貝爾物理學(xué)獎并沒(méi)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(shí)驗室物理學(xué)家湯斯和蘇聯(lián)物理學(xué)家巴索夫、普羅霍羅夫，但梅曼仍?xún)纱潍@得諾貝爾獎提名，并獲得了物理學(xué)領(lǐng)域著(zhù)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(shū)中，湯斯將梅曼的論文稱(chēng)為該雜志100年來(lái)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(dòng)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。
發(fā)明過(guò)程
激光器通過(guò)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(shí)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(xiàn)照射進(jìn)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(lái)震驚了全世界。在全世界頂尖的實(shí)驗室都爭取第一個(gè)發(fā)明激光器的情況下，梅曼當時(shí)的雇主——洛杉磯休斯飛機公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。
不過(guò)，梅曼在發(fā)表文章時(shí)并不順利。他先把論文投到《物理評論快報》(PRL)，但當時(shí)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(lái)梅曼終于將文章發(fā)表在《自然》雜志上。當然，經(jīng)過(guò)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(gè)電氣工程師的兒子。父親希望他成為一位醫生，但他認為對激光的研究將對醫學(xué)產(chǎn)生更大的影響。盡管梅曼小時(shí)候是一個(gè)野性難馴的孩子，但他的數學(xué)非常好。在1949年從科羅拉多大學(xué)碩士畢業(yè)后，梅曼來(lái)到斯坦福大學(xué)攻讀博士研究生，并于1955年獲得博士學(xué)位，他的導師是于1955年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的拉姆(Willis E. Lamb)。
在休斯飛機公司工作時(shí)，梅曼告訴老板他希望能夠制造一臺激光器，但由于當時(shí)其他著(zhù)名實(shí)驗室都沒(méi)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(jìn)行一些“有用”的工作。但梅曼堅持要進(jìn)行研究，并以辭職相威脅。最終公司給了他9個(gè)月的時(shí)間，5萬(wàn)美元和一位助手。
在第一臺激光器獲得成功后，梅曼又繼續對激光器在醫學(xué)治療上的應用進(jìn)行研究，盡管當時(shí)的公眾認為這是一種“致死”的光線(xiàn)。不過(guò)，由于休斯公司并沒(méi)有再對激光器的潛在應用進(jìn)行更多的投入，梅曼選擇了離開(kāi)并于1961年創(chuàng )辦了自己的Korad公司。
應用
梅曼的發(fā)明為人類(lèi)做出了重大的貢獻，激光器已經(jīng)成為在醫學(xué)、工業(yè)以及眾多科研領(lǐng)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。
原理及理論
所有的光（即傳統光源or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成為特定波長(cháng)的光。光子射出的能量（焦耳）等于h*f，其中h是普朗克常數，f是頻率的輻射，這適用于激光和傳統的發(fā)光系統。光輻射能量在原子從高能態(tài)掉到低能態(tài)的時(shí)候放出。然而，一個(gè)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(lǐng)域叫做“泵浦，pump”。所有光包括自發(fā)和激光需要一定量的能量吸收。
顯然，沒(méi)有哪個(gè)自發(fā)輻射光源能達到激光光源的光譜質(zhì)量。這是因為傳統光源是系統處在各種能級都有的雜亂輻射狀態(tài)。傳統光源的基本特征是寬光譜分布，隨機極化，圓形和不規則的波陣面和較低的色溫。激光的發(fā)射原理不同于常規光，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(gè)激發(fā)態(tài)上，由于維持的時(shí)間總體正態(tài)分布，大部分原子都在一段極短的時(shí)間內掉到同一個(gè)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(shuō)的激光單色性。
為了維持這種翻轉的粒子數夠多，必須有外部的能量把掉下來(lái)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(xué)激光（例如武器級的氧碘激光器）中的化學(xué)反應等能量源來(lái)提供能量了。
世界上很多物質(zhì)都能受激發(fā)光，但是，只有少部分物質(zhì)能夠發(fā)出有用的激光。激光物質(zhì)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(zhì)一般被放在兩個(gè)鏡子之間，使得能量能夠經(jīng)過(guò)多次來(lái)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(gè)鏡子之間多次往返放大后，從這里打出來(lái)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(lái)制成了世界上第一臺激光器。激光用紅寶石晶體的基質(zhì)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(xué)上屬于負單軸晶體。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來(lái)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(guò)無(wú)輻射躍遷到達激光上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長(cháng)，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之間的粒子數反轉，此時(shí)晶體對頻率ν滿(mǎn)足hν=E2—E1（其中h為普朗克常數，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(mǎn)足閾值條件時(shí)，就在部分反射鏡端有波長(cháng)為6943×10-10米的激光輸出。
紅寶石激光器
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(gè)區域，T1(紫外)、T2(綠光)。這些吸收范的效率比較高的區域光譜寬度大概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(gè)閥值密度以下，紅寶石既不能發(fā)出激光，也不能用來(lái)放大激光（其實(shí)兩個(gè)是一樣的原理）。此后，從2E能態(tài)到低能態(tài)的時(shí)候，這些多出來(lái)的能量就以波長(cháng)為6943A的光的形式發(fā)出。一個(gè)2E能級的離子掉到低能態(tài)時(shí)候發(fā)出的6943光促使了周?chē)?E也跟著(zhù)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(gè)極端簡(jiǎn)這幅圖是一個(gè)極端簡(jiǎn)化、不準確的非比例模型。化、不準確的非比例模型，它沒(méi)有展示出一些2E/4A能級里的精細能級，我記得2E中文好像叫做亞穩態(tài)，具體細節可以谷歌一下。這些精細能級會(huì )把6943A的激光參雜進(jìn)一些附近的雜峰。這個(gè)問(wèn)題不影響一般的實(shí)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(shí)候線(xiàn)寬就會(huì )變成大概10-15 GHz窄了。
紅寶石激光器結構1
紅寶石激光器
雖然結構極端簡(jiǎn)單，也還是一種常見(jiàn)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(cháng)，可以很容易用機械Q開(kāi)關(guān)（一個(gè)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）。
子，沒(méi)對準的時(shí)候沒(méi)有來(lái)回往復的光，可以讓高能態(tài)粒子的數量慢慢的聚集增多，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(kāi)關(guān)是被動(dòng)式Q開(kāi)關(guān)（passive q-switch），當光能量密度達到某一個(gè)閥值時(shí)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(jià)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(kāi)關(guān)，用在進(jìn)一步壓縮脈沖激光的脈沖或者使連續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。
紅寶石激光器
誕生背景
愛(ài)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(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩個(gè)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(gè)光子，同第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來(lái)，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(gè)光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。
此后，量子力學(xué)的建立和發(fā)展使人們對物質(zhì)的微觀(guān)結構及運動(dòng)規律有了更深入的認識，微觀(guān)粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問(wèn)題也得到了更有力的證明，這也在客觀(guān)上更加完善了愛(ài)因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產(chǎn)生進(jìn)一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學(xué)誕生后，被很快應用于研究電磁輻射與各種微觀(guān)粒子系統的相互作用，并研制出許多相應的器件。這些科學(xué)理論和技術(shù)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(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗中成功地造成了粒子數反轉，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國物理學(xué)家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)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(lái)產(chǎn)生和放大微波的設計。
1960年，美國物理學(xué)家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實(shí)驗室里，勉強贏(yíng)得了這場(chǎng)世界范圍內的研制競賽。他用一個(gè)高強閃光燈管來(lái)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(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達到比太陽(yáng)還高的溫度。
技術(shù)發(fā)展
閃光燈
紅寶石激光器
閃光燈，有幾個(gè)重要的參數。我們關(guān)心的其實(shí)就兩個(gè)，弧長(cháng)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(chēng)的工作電壓是1500v以上的一個(gè)值，只有滿(mǎn)足這個(gè)儲能電壓才能達到標稱(chēng)的光能密度和脈沖寬窄（主峰0.5ms以下，滿(mǎn)足打孔的需要）。
主流的閃光燈有以下兩種：
紅寶石激光器
世界上第一個(gè)激光器用的是一種多圈環(huán)形閃光燈。效率沒(méi)有直線(xiàn)閃光燈高但是耐受能量大得多。這種閃光燈一般難以買(mǎi)到，管長(cháng)太大難以觸發(fā)、脈沖整形網(wǎng)絡(luò )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數據很大區別,沒(méi)什么普遍總結的規律。一般工作耐受能量超過(guò)2KJ。
直線(xiàn)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(jiǎn)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(gè)典型的值是10cm弧長(cháng)8mm直徑的氙燈在400V儲能下可以輕易hold住2200J的能量。
反射腔
從最早的環(huán)形閃光燈用的簡(jiǎn)易圓形腔體，發(fā)展到后來(lái)出現了橢圓反射腔（雙焦點(diǎn)）、雙橢圓腔體（三焦點(diǎn)）、漫反射腔體這些種類(lèi)。
實(shí)際上這些現代最新的反射腔體，效率從80%到95%都有，在業(yè)余的條件下60%以上都可以接受。要知道用白紙把閃光燈和激光棒裹一圈都能達到60%。
1、橢圓鏡面反射腔體（適合水冷，但是比較難加工。只能裝一根氙燈，輸出的的光的光斑能量分布不是特別均勻）
也可以直接用機床加工出來(lái)。
這種腔體的好處是可以達到很高的加工精度，達到很密的脈沖，一般情況下只有激光快速精加工設備采用這個(gè)方案。
紅寶石激光器
紅寶石激光器
紅寶石激光器
，無(wú)需拋光，大大降低工藝難度，成為90%以上工業(yè)用途所采用的方法。一個(gè)比較簡(jiǎn)易的方法是用鋁箔紙緊裹，輕松達到90%以上的效率，如果用銅皮鍍銀箔的話(huà)能進(jìn)一步增高效率，結構一樣簡(jiǎn)單。
紅寶石激光器
考慮到有些設備對反射腔效率要求很高，這是兩種常用抗腐蝕、光學(xué)性能優(yōu)良的鍍層反射材料（金、銀）的反射率vs波長(cháng)，參考表格。
紅寶石激光器
紅寶石激光器
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
