紅寶石激光器（用于 醫(yī)學(xué)、工業(yè)等的儀器設(shè)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(shè)想提出不久，紅寶石就被首先用來制成了世界上第一臺(tái)激光器。激光用紅寶石晶體的基質(zhì)是Al?O?，晶體內(nèi)摻有約0.05%（重量比）的Cr?O?。其已經(jīng)成為在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及眾多科研領(lǐng)域不可或缺的基本儀器設(shè)備。紅寶石激光器
用于 醫(yī)學(xué)、工業(yè)等的儀器設(shè)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(shè)備名 |
| 作物質(zhì) | 紅寶石棒 |
| 基質(zhì) | Al2O3 |
| 應(yīng)用 | 醫(yī)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(tái)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(tǒng)性肥大細(xì)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(jiǎng)勵(lì)。盡管1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)并沒有授予發(fā)明了世界上第一臺(tái)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(shè)計(jì)方案的美國貝爾實(shí)驗(yàn)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，但梅曼仍兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)提名，并獲得了物理學(xué)領(lǐng)域著名的日本獎(jiǎng)和沃爾夫獎(jiǎng)。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(jì)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(jì)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(shí)報(bào)》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進(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，這一成果后來震驚了全世界。在全世界頂尖的實(shí)驗(yàn)室都爭取第一個(gè)發(fā)明激光器的情況下，梅曼當(dāng)時(shí)的雇主——洛杉磯休斯飛機(jī)公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。
不過，梅曼在發(fā)表文章時(shí)并不順利。他先把論文投到《物理評(píng)論快報(bào)》(PRL)，但當(dāng)時(shí)的編輯Sam Goudsmit認(rèn)為這只是又一篇maser 重復(fù)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(dāng)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(rèn)。
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(yī)生，但他認(rèn)為對(duì)激光的研究將對(duì)醫(yī)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(shù)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(dǎo)師是于1955年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的拉姆(Willis E. Lamb)。
在休斯飛機(jī)公司工作時(shí)，梅曼告訴老板他希望能夠制造一臺(tái)激光器，但由于當(dāng)時(shí)其他著名實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)方面進(jìn)行一些“有用”的工作。但梅曼堅(jiān)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，5萬美元和一位助手。
在第一臺(tái)激光器獲得成功后，梅曼又繼續(xù)對(duì)激光器在醫(yī)學(xué)治療上的應(yīng)用進(jìn)行研究，盡管當(dāng)時(shí)的公眾認(rèn)為這是一種“致死”的光線。不過，由于休斯公司并沒有再對(duì)激光器的潛在應(yīng)用進(jìn)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。
應(yīng)用
梅曼的發(fā)明為人類做出了重大的貢獻(xiàn)，激光器已經(jīng)成為在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及眾多科研領(lǐng)域不可或缺的基本儀器設(shè)備。例如在玉石加工的應(yīng)用、全息照片的應(yīng)用等。
原理及理論
所有的光（即傳統(tǒng)光源or激光光源），都是原子、分子能級(jí)變化所造成的。這些特定能級(jí)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(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，沒有哪個(gè)自發(fā)輻射光源能達(dá)到激光光源的光譜質(zhì)量。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)光源是系統(tǒng)處在各種能級(jí)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(jī)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(jí)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(jí)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(nèi)掉到同一個(gè)較低的能態(tài)上，這種發(fā)射方式導(dǎo)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(zhuǎn)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(dǎo)體泵浦激光（又叫DPSS激光，例如綠色的激光筆）中的半導(dǎo)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(jí)的氧碘激光器）中的化學(xué)反應(yīng)等能量源來提供能量了。
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(jié)構(gòu)使得粒子翻轉(zhuǎn)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)過多次來回反射而放大達(dá)到能夠使用的級(jí)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，從這里打出來一部分做輸出。
在激光器的設(shè)想提出不久，紅寶石就被首先用來制成了世界上第一臺(tái)激光器。激光用紅寶石晶體的基質(zhì)是Al2O3，晶體內(nèi)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(fù)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(jí)。粒子在E3能級(jí)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(dá)激光上能級(jí)E2。粒子在E2能級(jí)的壽命很長，可達(dá)3×10-3秒。所以在E2能級(jí)上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)晶體對(duì)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(jí)的能量）的光子有放大作用，即對(duì)該頻率的光有增益。當(dāng)增益G足夠大，能滿足閾值條件時(shí)，就在部分反射鏡端有波長為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(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(jí)，造成了2E翻轉(zhuǎn)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，這些多出來的能量就以波長為6943A的光的形式發(fā)出。一個(gè)2E能級(jí)的離子掉到低能態(tài)時(shí)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(yīng)。這幅圖是一個(gè)極端簡這幅圖是一個(gè)極端簡化、不準(zhǔn)確的非比例模型。化、不準(zhǔn)確的非比例模型，它沒有展示出一些2E/4A能級(jí)里的精細(xì)能級(jí)，我記得2E中文好像叫做亞穩(wěn)態(tài)，具體細(xì)節(jié)可以谷歌一下。這些精細(xì)能級(jí)會(huì)把6943A的激光參雜進(jìn)一些附近的雜峰。這個(gè)問題不影響一般的實(shí)驗(yàn)。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)候線寬就會(huì)變成大概10-15 GHz窄了。
紅寶石激光器結(jié)構(gòu)1
紅寶石激光器
雖然結(jié)構(gòu)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(jī)械Q開關(guān)（一個(gè)旋轉(zhuǎn)的全反棱鏡去把脈沖壓縮到ns量級(jí)，脈沖功率輕松突破兆瓦）。
子，沒對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候沒有來回往復(fù)的光，可以讓高能態(tài)粒子的數(shù)量慢慢的聚集增多，在對(duì)準(zhǔn)的瞬間釋放，達(dá)到很窄而功率很大的脈沖。另外一種適合DIY的Q開關(guān)是被動(dòng)式Q開關(guān)（passive q-switch），當(dāng)光能量密度達(dá)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(yùn)氣。工業(yè)上用的比較多的有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q等方式做的q開關(guān)，用在進(jìn)一步壓縮脈沖激光的脈沖或者使連續(xù)半導(dǎo)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(biāo)、切割。
紅寶石激光器
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(chǔ)。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(jí)之間能量差的光子的作用，將轉(zhuǎn)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，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(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了更深入的認(rèn)識(shí)，微觀粒子的能級(jí)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(jìn)一步奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代末，量子電子學(xué)誕生后，被很快應(yīng)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(yīng)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(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，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產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)。
1960年，美國物理學(xué)家西奧多·梅曼在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究實(shí)驗(yàn)室里，勉強(qiáng)贏得了這場世界范圍內(nèi)的研制競賽。他用一個(gè)高強(qiáng)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(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽還高的溫度。
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(shù)。我們關(guān)心的其實(shí)就兩個(gè)，弧長和1800v、電解電容下的炸燈能量。一般的，閃光燈為了適應(yīng)工業(yè)用途，datasheet標(biāo)稱的工作電壓是1500v以上的一個(gè)值，只有滿足這個(gè)儲(chǔ)能電壓才能達(dá)到標(biāo)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：
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(luò)難做、電容儲(chǔ)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(jié)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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8mm直徑的氙燈在400V儲(chǔ)能下可以輕易hold住2200J的能量。
反射腔
從最早的環(huán)形閃光燈用的簡易圓形腔體，發(fā)展到后來出現(xiàn)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。
實(shí)際上這些現(xiàn)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(dá)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(jī)床加工出來。
這種腔體的好處是可以達(dá)到很高的加工精度，達(dá)到很密的脈沖，一般情況下只有激光快速精加工設(shè)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)比較簡易的方法是用鋁箔紙緊裹，輕松達(dá)到90%以上的效率，如果用銅皮鍍銀箔的話能進(jìn)一步增高效率，結(jié)構(gòu)一樣簡單。
紅寶石激光器
考慮到有些設(shè)備對(duì)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，參考表格。
紅寶石激光器
紅寶石激光器
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這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
