激光的资料和图片

激光

laser light

基于受激辐射光放大原理产生的相干辐射。激光具有如下特点：①定向性好。激光的发散立体角极小，一般在10-5～10-8 球面度范围内 。激光的高度定向性意味着激光能量集中在很窄的光束中。②亮度高。普通光源的亮度很低，太阳的亮度约为103 瓦／（厘米2·球面度），而大功率激光器的亮度高达1010～1017瓦／（厘米2·球面度 ）。③单色性好。激光的单色性通常用v／Δv 来表征，v 为激光谱线中心的频率，Δv为谱线频宽，较好的激光器 v／Δv可达1010～1013。单色性好亦即时间相干性好。④空间相干性好。普通光源的空间相干性很差，光程差为波长的数千倍时，已不出现干涉现象；而激光几乎整个波场空间都是相干的。

激光装置发出的激光

利用激光的定向性好和高亮度，在测距、雷达、光纤通信、医学、机械加工（焊接、切割、钻孔等）、导弹制导和核聚变试验等方面广泛应用。激光的高强度使光谱学取得了突破性进展，开拓了新的研究领域；激光引起的非线性效应开创了非线性光学这一新领域。激光的极好的单色性为精密测量长度提供了十分有利的光源。可利用单色性好发展了光波的拍频技术，可测量极缓慢的速度（约 1微米／ 秒）和角速度（约10-1弧度 ／秒）。具有良好相干性的激光出现后 ，全息术得以进入实用阶段并迅速应用于各个领域。在相干光信息处理领域，激光器已成为必不可少的光源。

激光材料

laser material

把各种泵浦（电、光、射线）能量转换成激光的材料 。激光器的工作物质。激光材料主要是凝聚态物质，以固体激光物质为主。固体激光材料分为两类。一类是以电激励为主的半导体激光材料，一般采用异质结构，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积方法制得。根据激光波长的不同，采用不同掺杂半导体材料 。通常在可见光区域 ，以族化合物半导体为主；在近红外区域，以族化合物半导体为主；在中红外区域以Ⅳ-Ⅵ 族化合物半导体为主 。另一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光输出的发光材料。这类材料以固体电介质为基质，分为晶体和非晶态玻璃两种。激光晶体中的激活离子处于有序结构的晶格中，玻璃中的激活离子处于无序结构的网络中。常用的这类激光材料以氧化物和氟化物为主，如硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧化铝晶体、钇铝石榴石晶体、氟化钇锂等。氧化物材料具有良好的物理性质，如高的硬度、机械强度和良好的化学稳定性；氟化物材料具有低的声子频率、宽的光谱透过范围和高的发光量子效率。

激光测距

laser distance measuring

以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度 ，显著减少重量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。

激光唱片

laser disc

用激光刻录方法记录音频信号的圆形薄片载音体。激光数字唱片又称致密唱片和小型唱片。激光录放音是20世纪70年代末期唱片向数字化方向发展的成果。激光数字唱片直径120毫米，单面录音，可放唱1小时立体声节目，动态范围为90分贝。这种记录密度极高的声迹是由激光束按信号编码刻录的小坑和坑间平面组成的。它们分别代表二进制的 0和 1。唱片在重放时，用激光束扫描拾取二进制数码，整个放音设备采用十分精密的伺服控制系统来保证循迹良好。激光唱片已可擦除旧信号重新记录。由于激光唱片的记录密度大，重放音质好，体积小、易保存等优点，它正逐步取代普通唱片和磁带成为未来音频信号的主要载体。

激光晶体

可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料。是晶体激光器的工作物质。激光晶体由发光中心和基质晶体两部分组成。大部分激光晶体的发光中心由激活离子构成，激活离子部分取代基质晶体中的阳离子形成掺杂型激光晶体。激活离子成为基质晶体组分的一部分时，则构成自激活激光晶体。

激光晶体所用的激活离子主要为过渡族金属离子和三价稀土离子。过渡族金属离子的光学电子是处于外层的3d电子，在晶体中这种光学电子易受到周围晶场的直接作用，所以在不同结构类型的晶体中，其光谱特性有很大差异。三价稀土离子的4f电子受到5s和5p外层电子的屏蔽作用，使晶场对其作用减弱，但晶场的微扰作用使本来禁戒的4f电子跃迁成为可能，产生窄带的吸收和荧光谱线。所以三价稀土离子在不同晶体中的光谱不像过渡族金属离子变化那么大。

激光晶体所用的基质晶体主要有氧化物和氟化物。作为基质晶体除要求其物理化学性能稳定，易生长出光学均匀性好的大尺寸晶体，且价格便宜，但要考虑它与激活离子间的适应性，如基质阳离子与激活离子的半径、电负性和价态应尽可能接近。此外，还要考虑基质晶场对激活离子光谱的影响。对于某些具有特殊功能的基质晶体，掺入激活离子后能直接产生具有某种特性的激光，如在某些非线性晶体中，激活离子产生激光后通过基质晶体能直接转换成谐波输出。

激光雷达

用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2 种工作方式 ，探测方法分直接探测与外差探测。

激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量 。如对导弹和火箭初始段的跟踪与测量，对飞机和巡航导弹的低仰角跟踪测量 ，对 卫星的 精密定轨等 。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统，对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光 雷达可以对大气进行监测 ，遥 测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。

激光录像

通过光调制器用激光束把经过编码的图像和声音信息记录到圆形薄片载体上的过程 。用音频信号对已调频的视频信号进行限幅，通过光调制器用激光束把这样的信号刻到原盘上，构成小坑列，用以记录经过调制的视频信号与音频信号。小坑在盘上呈螺旋形自内向外排列。然后用制好的原盘制造唱片的压模，唱片材料为透明聚氯乙烯塑料，为了能反射激光束，成形后蒸镀上铝层，再加上一层保护膜，最后把两张这样的唱片背靠背地胶合在一起，成为双面唱片。激光式电视唱机的氦氖激光器发出激光束，通过物镜照到唱片刻有小坑的纹迹上，小坑内蒸镀的铝层将激光束反射回来时，因衍射而产生光强度调制，进入光敏二极管后产生相应的电信号。激光电视录像技术用途广泛，不仅可以用来记录电视信号 ，还可成为具有高记录密度，便于检索的计算机系统中的一部分。激光录像的发展方向是提高记录密度 ，缩小唱片尺寸 ，使唱片能随录随放和抹去重录。

②紫外或可见激光光解反应。在这类反应中反应物分子被激发至电子激发态 。 因为绝大多数分子的离解能在 60 ～7524千焦／摩尔或3～7电子伏之间，这就需要波长为400～140纳米的紫外光辐照才行 。原则上讲 ，只要选择合适波长的激光，任何分子都能被光解，对同一分子来说，不同波长的激光辐照时有可能按不同的方式光解。例如，激光法生产氯乙烯（C2H3Cl）：

C2H4ClC2H4Cl·＋Cl·

C2H4Cl2＋Cl·→C2H3Cl2·＋HCl

C2H3Cl2·C2H3Cl＋Cl·这是一个紫外激光诱导的自由基链反应，关键是二氯乙烷被准分子激光光解所引发。激光诱导化学反应已用于10余种同位素的分离。

激光釉化激光能源：

激光还可应用于核能发电上。世界上现在建成的核发电站使用的核燃料是铀， 使用氚核燃料的研究尚未成功。从研究所得， 氚核燃料比铀核燃料更加 "耐烧"， 1公斤氚核燃料燃烧产生的能量比铀核燃料高3倍多。更有吸引力的是氚核燃料在地球上的贮量大。1公斤海水中含有003克氚， 地球上的海洋中就装有1021 公斤海水;或者说， 地球的海洋中就贮藏有1017 公斤氚， 把它开发出来做燃料， 就相当于给我们提供了10万亿亿(1017) 吨煤， 足够人类用上几亿年， 既然氚核燃料这么好为甚么现在还不用 问题就在于把它点火燃烧不是一件容易做到的事。划一根火柴燃烧的温度就可以把纸片， 汽油点着火， 要让这种核燃料着火， 则需要亿度的高温。激光是目前较有可能达到这个点火温度的技术。

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hf，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。

显然，没有哪个自发辐射光源能达到激光光源的光谱质量。这是因为传统光源是系统处在各种能级都有的杂乱辐射状态。传统光源的基本特征是宽光谱分布，随机极化，圆形和不规则的波阵面和较低的色温。激光的发射原理不同于常规光，不是各种能级加在一起的自发辐射产生的，而是受激发射，各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上，由于维持的时间总体正态分布，大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能态上，这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平，也就是我们平常所说的激光单色性。

为了维持这种翻转的粒子数够多，必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上，这就需要脉冲激光（例如本教程要做的固态灯泵脉冲YAG激光器）中的脉冲氙灯，半导体泵浦激光（又叫DPSS激光，例如绿色的激光笔）中的半导体激光器，气体放电激光（例如氦氖激光器、CO2激光器）中的放电，化学激光（例如武器级的氧碘激光）中的化学反应等能量源来提供能量了。

世界上很多物质都能受激发光，但是，只有少部分物质能够发出有用的激光。激光物质必须有特定的粒子结构使得粒子翻转群可以被激发到一定的密度，一般是一些晶体或者气体、液体。这些激光物质一般被放在两个镜子之间，使得能量能够经过多次来回反射而放大达到能够使用的级别。一面镜子是全反镜，反射几乎所有的光，也叫HR，一面镜子是半反镜，也叫输出镜，OC,一般反射20%到80%的光，激光在两个镜子之间多次往返放大后，从这里打出来一部分做输出。

在现在成千上万种激光设备中，红宝石激光器是世界上最早的激光器，它由Schawlow & Townes在60年代制造出来。虽然他的结构极端简单，但是在现在还是一个常见的大能量脉冲激光器。它跟YAG、钕玻璃等同时属于固体激光器。红宝石激光器在脉冲氙灯照射下的工作效率只有大概01%， 但是由于荧光寿命很长，可以很容易用机械Q开关（一个旋转的全反棱镜去把脉冲压缩到ns量级，脉冲功率轻松突破兆瓦）。

这里简单解释一下Q开关。最简单的q开关就是一个马达连着一个镜子，没对准的时候没有来回往复的光，可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多，在对准的瞬间释放，达到很窄而功率很大的脉冲。另外一种适合DIY的Q开关是被动式Q开关（passive q-switch），当光能量密度达到某一个阀值时候，他突然由不怎么透光变得很透光，使得之前聚集的高能态粒子得以瞬间释放，这种晶体比较难找，价格也比较高，只能碰运气。工业上用的比较多的有电光调Q、声光调Q等方式做的q开关，用在进一步压缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激光，方便打标、切割。

欣赏一些图：

经典的红宝石激光器反射腔结构：左边是闪光灯，右边是红宝石棒，周围是反射材料（还没铺上镜面膜，可以YY一下效果）。

机械Q开关：

激光器在350毫焦耳输出光能的情况下，很轻易的打穿剃须刀刀片：

红宝石激光器的效率虽然不高，只有01%，产生的是暗红色的6943nm光，但是由于它的结构极其简单，有代表性，跟YAG激光器结构一致，能级（3能级系统）更加简单，分析起来比较好理解。笔芯粗细，手指那么长的红宝石棒就可以轻松的产生打穿铁皮、从月面上反射回来被检测到的激光束，这些激光器在没有发明效率高得多的YAG激光棒（1%-3%）的时候，被广泛的用在激光切割机、钻孔机上，许多军用的非致命性武器也采用更小的红宝石棒子。

红宝石是一种3能级的激光材料，见figure 2，一般是把光学性能很好的三氧化二铝晶体里面掺上003 - 04% 的Cr +3，做成人工红宝石，比一般的天然红宝石有好得多的光学性能。常见的红宝石棒尺寸从05cm到2cm直径，4cm到16cm长。看上去可能是很浅的粉红色玻璃棒样子或者很深的红棕色，这要看棒子的掺Cr浓度。用绿激光笔打进去会有很特别的颜色出来。详情见下图：

一束532nm的绿色激光从侧面射入，在切断瞬间拍下荧光，如果有光纤光谱仪看更好：

系统内的4A能级(低能态)原子们有一大半的原子被外部的能量泵到更高的能态，laser才能lase。从figure 2看出， 红宝石激光器的吸收大部分集中在两个区域，T1(紫外)、T2(绿光)。这些吸收范的效率比较高的区域光谱宽度大概100nm。被打到T1/T2状态的离子很快掉到2E能级，造成了2E翻转群体密度增大到能打出激光的阀值。在这个阀值密度以下，红宝石既不能发出激光，也不能用来放大激光（其实两个是一样的原理）。此后，从2E能态到低能态的时候，这些多出来的能量就以波长为6943nm的光的形式发出。一个2E能级的离子掉到低能态时候发出的6943光促使了周围的2E也跟着掉，可以理解成一种比较低成功率的连锁反应。这幅图是一个极端简这幅图是一个极端简化、不准确的非比例模型。化、不准确的非比例模型，它没有展示出一些2E/4A能级里的精细能级， 我记得2E中文好像叫做亚稳态，具体细节可以谷歌一下。这些精细能级会把6943nm的激光参杂进一些附近的杂峰。这个问题不影响一般的实验。如果需要特别纯净的光谱可以把激光棒冷却到大概75K，这时候线宽就会变成大概10-15 GHz窄了。 

闪光灯

显然，要产生激光的先决条件是有一束富含紫外和绿光的强光束照射到激光棒内，使得离子翻转密度达到阀值。一种被广泛使用的方法就是用脉冲氙灯做强光源。结构很简单，只要把氙灯的光投射到棒子上就可以了。

闪光灯，有几个重要的参数。我们关心的其实就两个，弧长和1800v、电解电容下的炸灯能量。一般的，闪光灯为了适应工业用途，datasheet标称的工作电压是1500v以上的一个值，只有满足这个储能电压才能达到标称的光能密度和脉冲宽窄（主峰05ms以下，满足打孔的需要）。

但是，对爱好者而言，最重要的参数不是光斑质量、脉冲宽度，而是一个脉冲所携带的能量。所以，把一个1800v的灯降到400V左右依然能够维持类似的适合YAG、红宝石吸收优良光谱特性（YAG在红外段有强烈吸收峰，降低能量使得闪光光谱分布偏向红外更能提高效率），脉冲宽度延续长到5ms甚至10ms量级，可以把1800v炸灯能量400J的灯安全地在2000J左右的脉冲储能下工作。降压驱动还有很多好处，获得几十倍的输出脉冲能量情况下仍然保持同样的器件要求，例如，一个YAG棒能够承受10J@1ms的功率密度，大概是10KW，如果保持同样的氙灯脉冲宽度，用10倍大能量的灯，粗略估算会造成棒子内有100KW的峰值功率，同样尺寸的YAG显然无法hold住，这就要用10倍体积的YAG了，同时造成了10倍甚至更高倍数的价格。然而，当我把同一个灯储能电压降低，使得脉冲宽度延长到10倍，能量增加十倍，同样的尺寸的灯在很低重复率的时候（EG, 100S/PULSE）可以很轻松的hold住同样的小棒子内的瞬间功率依然是10KW，但是输出能量就达到了恐怖的10倍。

主流的闪光灯有以下两种：

1、环形闪光灯

世界上第一个激光器用的是一种多圈环形闪光灯。效率没有直线闪光灯高但是耐受能量大得多。这种闪光灯一般难以买到，管长太大难以触发、脉冲整形网络难做、电容储能电压高，但是适合做可以承受非常大能量的闪光灯。这种闪光灯建模很难, datasheet数据很大区别,没什么普遍总结的规律。一般工作耐受能量超过2KJ。

2直线闪光灯。

现在绝大部分工业激光器和业余激光器都采用这种氙灯结构。泵浦效率高，水冷方便，制造工艺简单，触发容易，是大部分激光采用这种结构的原因。这些闪光灯可以在淘宝上搜索“脉冲氙灯”买到工业配件氙灯，一个典型的值是10cm弧长8mm直径的氙灯在400V储能下可以轻易hold住2200J的能量。

反射腔

实际上方法有很多，效率从80%到95%都有，在业余的条件下60%以上都可以接受。要知道用白纸把闪光灯和激光棒裹一圈都能达到60%。

1、椭圆镜面反射腔体（适合水冷，但是比较难加工。棒子的光分布不是特别均匀）

可以用好加工的材料做一个支架，蒙上一层镜面膜例如抛光后的铝箔纸or镀银的铜皮。或者直接用一截内部略微抛光带点漫反射的铝管压扁凑合用。除非你有很高的加工精度，或者想要达到很密的脉冲，不然不建议采用这种方式。

11一种椭圆腔的变式-双椭圆反射腔，可以装两个灯，同时方便的水冷，达到很好的大能量准连续输出效果，许多80年代的激光武器都是这样做的。有能力加工的同志们可以考虑一下这种形式。下图是截面结构和一篇论文里用ZEMAX软件模拟出来的棒子截面光密度，光斑质量不是太好但是能够达到很大的能量，例如40mm直径90cm长的钕玻璃棒用这种结构做到2000J脉冲输出，这需要100kJ的电容储能，每一根闪光灯分担50KJ能量，易于减小体积同时方便水冷。

2、    紧裹漫反射腔体

效率不必椭圆腔差多少，水冷的话可以用陶瓷、橡胶做，无需抛光，大大降低工艺，成为市面上90%以上工业用途所采用的方法。业余条件下一般不需要连续工作，没有必要水冷。一个比较好的方法是用铝箔纸紧裹，轻松达到90%以上的效率，如果有条件的话，铜皮镀膜银能进一步增高效率，结构一样简单。

一篇论文中模拟出来的结果还不错，光斑质量已经让人满意。

考虑到有些设备齐全的人会选择自己镀反射腔，给出两种常用抗腐蚀、光学性能优良的镀层材料（金、银）的反射率vs波长，请根据激光器的棒子所需要的波长选择。

金从500多纳米开始反射，这就使得他不适合红宝石激光器（大部分在紫外、绿光吸收），而适合YAG激光器（紫外会抑制激光的效率）。然而银在红外范围不如金，但是差别不是太大。可以根据自己的技术能力抉择。

水冷可以参照下图的结构做两端的防水结构（参考设计）：

储能与触发

    对于入门级爱好者：储能部分跟线圈炮、轨道炮类似，尽量多的350-450v电解电容并联，鉴于高压电的危险性以及氙灯爆炸的破坏力，储能不要超过500焦耳，建议400v时候容量不超过7000uF, 450v不超过6000uF，350v闪光灯电容不超过8000uF。充电线路就用普通的zvs+EE变压器即可，与线圈炮不同的是，闪光灯在冷态（没有高压激发的时候）对于几百伏的直流电是近乎绝缘的，所以充电的时候电容阵可以连接在闪光灯两端，也就是说可以把电容永久的焊在闪光灯上，不需要开关、可控硅之类的东西，闪光灯本身就是一个触发开光。触发其实也很简单，在外壳上加一个瞬间的高压脉冲就可以了。如果没有了解过的同志们可以找一个一次性照相机拆开研究一下闪光灯管的触发结构。对于骨灰级爱好者，请自行斟酌你的灯能够承受多大能量的脉冲。提醒一下，处理这种量级的闪光灯务必戴好防护器具，充高压气体的玻璃管要是碎了碎片不是一般的厉害。

实际上，触发高压产生方法有很多，只要满足1、脉冲够尖（例如zvs拉弧肯定不行，不把灯管烧炸也会把电容搞坏）2、电压够高（直接拆相机几cm长度，几mm直径的闪光灯触发线路显然不够击穿10cm长度，玻璃壁厚2mm的灯管）3、容易驱动（做一大堆控制线路结果触发器比整个激光还大不划算）。在这里举几个例子：

补充： 由于RMB的神圣不可侵犯不能损坏， 特找了些红宝石激光器350mj能量（算极其小的了）打穿某国硬币、勺子的图：