红宝石激光器工作原理

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红宝石激光器一般地包括红宝石棒、脉冲氙灯、聚光器和光学谐振腔等四部分。其工作物质是红宝石棒，它是以掺铬的氧化铝（Al2O3）人工晶体（通常称红宝石）磨制而成。其中铬离子的浓度，按氧化铬与氧化铝的重量比，典型的为0.05%。红宝石棒的光学质量要求很高，将棒的两端研磨和抛光成光学平行平面，其平行度要求优于10秒，平面度不低于1/4光圈，端面与棒轴的垂直度不低于1分，侧面不抛光，以防止产生寄生的激光振荡。在棒的两端（通常在聚光器之外）各置一镀多层介质膜的反射镜，其一是全反射镜，另一个为半透半反镜（其反射率可取70~90%），此两反射镜构成激光器的谐振腔。 红宝石激光器通常采用光激励的办法，即用脉冲氙灯发出的光能集中地照射在红宝石棒上，可利用一聚光器。聚光器是一内壁抛光镀金属的椭圆柱形的腔体，氙灯和红宝石棒并排对称地放在聚光器椭圆柱腔的两个焦线上。 上面所述的红宝石的能谱特性可知，铬离子在外激励源的作用下，在2E态和基态4A2间可能造成粒子数的反转分布，使受激发射的产生成为可能，因此红宝石被选为受激发射光的材料。从红宝石产生激光作用的有关能级看，其铬离子的能级图2-11可简化为三能级系统的模型，如图2-3所示，能级E1相当于图2-11中的4A2。激光跃迁发生于E2和E1之间，E3是泵浦能级，前面对三能级系统分析的结果对红宝石激光器是完全满足的。 计算表明，要实现激光振荡，红宝石棒上每平方厘米的光照功率至少要1200瓦。这样高的光照功率，使用一般的照明光源是达不到的，脉冲氙灯是可用的合适激励光源。

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原理及理论

所有的光（即传统光源or激光光源），都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和释放都表现成为特定波长的光。光子射出的能量（焦耳）等于h*f，其中h是普朗克常数，f是频率的辐射，这适用于激光和传统的发光系统。光辐射能量在原子从高能态掉到低能态的时候放出。

然而，一个原子想发光，首先必须吸收的能量，使得低能态原子被打到高能态，这在激光领域叫做“泵浦，pump”。所有光包括自发和激光需要一定量的能量吸收。

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产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大于损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。

激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。

工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（ 见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。