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激光的产生与发射

激光由激光器产生并发出,具有单色性、平行性和相干性,不同种类的激光器会产生相应波长的激光。

激光器主要由活性介质、泵浦源、光学谐振腔、控制器、冷却系统、传输系统组成 [1] 。其中活性介质、泵浦源和光学谐振腔是激光器的核心结构(图1-2)。

图1-2 激光器的核心结构示意图

活性介质决定了激光的波长与特性,通常为由某些化学元素或分子等成分组成的气体、晶体或半导体,作用是提供可被激发的原子;泵浦源则提供能量以激发原子,一般是闪光灯或电线圈等能量来源;光学谐振腔为包含活性介质和其两侧的两面镜子的空腔,用于不断反射光子,放大能量。

激光产生的具体过程为:

活性介质中的原子吸收泵浦源提供的能量后,原子的最外层电子会向高能级轨道跃迁,使原子由基态变为不稳定的激发态,此时为保持稳定,电子将从高能级轨道跃迁到低能级轨道,重新回到基态,同时以光子的形式释放能量,也就是“自发辐射”。这些辐射出的光子在光学谐振腔中来回振荡,不断与激发态的原子发生新的碰撞,使得原子反复受激,从而辐射出更多的光子,最终实现能量的放大,形成激光束。

激光的发射分为两种模式(图1-3),一种是连续模式,即激光持续输出,通常单位为瓦特(W);另一种是脉冲模式,即激光周期性地输出,参数包括频率和脉宽,频率是指激光器每秒发出的脉冲个数,单位为赫兹(Hz);脉宽则表示每个脉冲持续的时间,单位为秒(s)或微秒(μs)。举例说明,当激光器以脉冲模式(20Hz,30μs)发射激光时,实际1s内共发出20个脉冲激光,每次发出的1个脉冲持续30μs,脉冲之间为间歇时间,此时无能量输出。自由脉冲模式也是一种特殊的脉冲模式,每个脉冲内输出的能量值持续改变,从零逐渐增加到峰值,然后又递减为零。类似于“ ”。

图1-3 激光的两种发射模式示意图

一般来说,激光连续输出能够提供更多的能量,有利于提高工作效率,但组织接收激光能量时会出现局部的温度升高,过多的能量可能导致局部过热,引起组织结构的损伤。当激光器以脉冲模式工作时,脉冲间隔将有利于局部的散热和冷却,防止组织的热损伤。实际应用中应根据需要选择合适的发射模式。 L9QOUQiQGcUpqewL+QzmJ7tkyacI9f171hMMe5QPgXFSlXBfARH9KiTkNELJvqF4

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