激光產(chǎn)生的原理及核心器件

1、激光產(chǎn)生的三要素-泵浦源、工作物質(zhì)、諧振腔

激光，是一種受激輻射產(chǎn)生的光。從技術(shù)原理角度分析，激光產(chǎn)生的三個(gè)必要條件包括：粒子的受激輻射、反轉(zhuǎn)分布以及穩(wěn)定增益。

激光的理論基礎(chǔ)最初在1916年由愛(ài)因斯坦提出，簡(jiǎn)單地說(shuō)包括受激吸收和受激輻射兩個(gè)過(guò)程：在受激吸收過(guò)程中，物質(zhì)中處于低能級(jí)E1的粒子受到能量為hv=E2-E1的光子照射而吸收能量躍遷至高能級(jí)E2；在受激輻射過(guò)程中，處于高能級(jí)E2的粒子，受到能量同樣為hv=E2-E1的光子激勵(lì)，在躍遷至低能級(jí)E1的過(guò)程中輻射出一個(gè)與入射光子具備完全相同狀態(tài)的光子。經(jīng)過(guò)這兩個(gè)過(guò)程，入射光子數(shù)量獲得成倍增加，光強(qiáng)增大，形成了光放大效應(yīng)。

基于受激輻射的特性，在持續(xù)有光子射入激勵(lì)的情況下，某些物質(zhì)中的粒子能夠在躍遷至高能級(jí)E2之后穩(wěn)定在次高能級(jí)E3，被稱(chēng)之為亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)這些粒子大量堆積于亞穩(wěn)態(tài)E3并且數(shù)量遠(yuǎn)超過(guò)處于低能級(jí)E1的時(shí)候，就形成了物質(zhì)中粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，使得受激輻射數(shù)量遠(yuǎn)大于吸收數(shù)量。

粒子形成反轉(zhuǎn)分布后，在激勵(lì)下不斷輻射出的光子通過(guò)諧振腔持續(xù)獲得增益，并在滿(mǎn)足條件后從諧振腔中射出。

基于這一系列反應(yīng)過(guò)程，入射光子最終形成同方向、同頻率的相干光束，使激光具備高亮度、高方向性、高單色性、高相干性的特點(diǎn)。

激光器是激光的發(fā)射裝置，基于激光的產(chǎn)生原理，其核心器件主要包括泵浦源、工作物質(zhì)和諧振腔三部分。

泵浦源（激光產(chǎn)生的動(dòng)力源）：

泵浦源在激光器中承擔(dān)激勵(lì)源的功能，其目的是使工作物質(zhì)中的粒子處于反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)，由于受激輻射的光子數(shù)目與入射光子數(shù)目和物質(zhì)中粒子反轉(zhuǎn)分布數(shù)目成正比，通過(guò)泵浦源的持續(xù)激勵(lì)，工作物質(zhì)中就能夠輻射出大量特征狀態(tài)一致的光子，形成初始的激光。

根據(jù)激勵(lì)方式不同，泵浦源主要可以分為電激勵(lì)、光激勵(lì)、熱激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)，電激勵(lì)采用氣體放電或電流、電子束注入等方式進(jìn)行激勵(lì)，常見(jiàn)于氣體激光器、半導(dǎo)體激光器中；光激勵(lì)采用光源照射激勵(lì)，多用于固體激光器和液體激光器；熱激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)則通過(guò)熱能和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行激勵(lì)，這兩種激勵(lì)方式比較少見(jiàn)，應(yīng)用于特定幾種激光器中。

工作物質(zhì)（受激輻射的主要對(duì)象）：

如果說(shuō)泵浦源是激光產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，那么工作物質(zhì)就是泵浦源的主要鞭策對(duì)象，驅(qū)使他源源不斷的輻射出光子。由于激光的產(chǎn)生需要物質(zhì)中粒子具備反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，所以就要求工作物質(zhì)存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，自1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明世界上第一臺(tái)激光器至今，已經(jīng)有多種多樣符合條件的工作物質(zhì)被探索出來(lái)，按形態(tài)不同主要可以分為固體、氣體、液體和半導(dǎo)體。按照使用的工作物質(zhì)種類(lèi)，激光器相應(yīng)的也被分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器等。

諧振腔（激光的放大器）：

工作物質(zhì)通過(guò)泵浦源受激輻射出光子后，還需要經(jīng)過(guò)一道“增益”環(huán)節(jié)來(lái)使發(fā)射出的激光達(dá)到一定閾值，諧振腔就在激光器中承擔(dān)增益放大的功能。最基礎(chǔ)的諧振腔結(jié)構(gòu)可以理解為平行放在工作物質(zhì)兩邊的兩面不同的反射鏡，一面反射率為100%，一面則根據(jù)所需要的激光閾值部分透射。由于光強(qiáng)與光子數(shù)密度成正比，初始受激輻射產(chǎn)生的光子通過(guò)在諧振腔中來(lái)回振蕩不斷穿過(guò)工作物質(zhì)獲得持續(xù)放大，并最終達(dá)到符合要求的閾值。

在選用工作物質(zhì)相同的情況下，諧振腔和泵浦源就成為決定激光器發(fā)射光束的質(zhì)量、性能的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是激光器的技術(shù)核心點(diǎn)。除此之外，激光器中還有耦合器、隔離器、調(diào)制器等起到調(diào)節(jié)光束方向、頻率等輔助作用的無(wú)源器件，共同組成一個(gè)完整的激光器裝置。

2、以光纖激光器為首的固體激光器器件占據(jù)市場(chǎng)主流

在激光產(chǎn)業(yè)鏈中，激光器件屬于激光器的上游零部件，從激光器全球市場(chǎng)看，光纖激光器、半導(dǎo)體激光器和全固態(tài)激光器占據(jù)主導(dǎo)地位，其中光纖激光器占全球激光器規(guī)模的近40-50%，傳統(tǒng)的CO2激光器由于功率和轉(zhuǎn)化率限制市場(chǎng)份額呈逐年下降趨勢(shì)，而液體激光器由于性能原因在實(shí)際應(yīng)用中更加少見(jiàn)，所以相應(yīng)的在器件市場(chǎng)中，以光纖激光器為首的固體激光器用器件占據(jù)主流。

特種光纖：特種光纖是光纖激光器的關(guān)鍵原材料，相比于普通光纖在摻雜元素、工作波長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能上都有其特殊性。激光器中常用的特種光纖包括YDF（摻鐿光纖）、GDF（無(wú)源匹配光纖）和大芯徑傳能光纖，YDF主要用作光纖激光器的工作物質(zhì)，通過(guò)在光纖纖芯中摻雜稀土元素使其實(shí)現(xiàn)光放大效應(yīng)；GDF主要用作光纖合束器、隔離器以及光纖激光器諧振腔—光纖光柵的原材料；大芯徑傳能光纖則用于泵浦源、合束器和光纖激光器的輸出端，起到激光傳能的作用。