激光(laser)是“透過受激輻射產(chǎn)生的光放大”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的縮寫,指透過刺激原子導(dǎo)致電子躍遷釋放輻射能量而產(chǎn)生的增強(qiáng)光子束。相較于其他類型的光,激光具有發(fā)散度小、亮度高、單色性好、相干性好等一系列特點(diǎn),因此被廣泛地運(yùn)用于工業(yè)制造、信息通訊、生物醫(yī)療、科研軍事等諸多領(lǐng)域,并在社會生產(chǎn)活動中發(fā)揮了極其重要的作用,激光也因此與計算機(jī)、原子能和半導(dǎo)體并稱二十世紀(jì)的新四大發(fā)明。
激光器是利用受激輻射原理發(fā)射激光的器件。
泵浦源是激光器的能量供給來源;增益介質(zhì)是激光器的核心,會吸收泵浦源提供的能量并將激光放大;諧振腔是兩面互相平行的鏡子,其作用是把光線在反射鏡間來回反射并多次經(jīng)過增益介質(zhì),因而在縮短工作物質(zhì)長度的同時還能達(dá)到放大激光功率的目的。
通過光、電或其他辦法對物質(zhì)進(jìn)行激發(fā),使得其中一部分粒子激發(fā)到能量較高的狀態(tài),當(dāng)這種狀態(tài)的粒子數(shù)大于能量較低狀態(tài)的粒子數(shù)時,由于受激輻射,物質(zhì)就能對某一波長的光輻射產(chǎn)生放大作用,也就是這種波長的光輻射通過物質(zhì)時,發(fā)射強(qiáng)度會放大,并與入射光波位、頻率和方向一致的光輻射,這種稱為激光放大器。
若把激發(fā)的物質(zhì)放置于共振腔內(nèi),光輻射在共振腔內(nèi)沿軸線方向往復(fù)反射傳播,多次通過物質(zhì),光輻射被放大許多倍,形成一束強(qiáng)度大、方向集中的激光,這就是激光振蕩器。
圖1.激光器結(jié)構(gòu)和原理
激光器分類
激光器可以按照泵浦方式、增益介質(zhì)、工作方式、輸出功率、和輸出波長等不同維度進(jìn)行分類,具體分類方式如下所示:
(1)、按泵浦方式的不同,激光器主要可以分為光泵浦激光器、電泵浦激光器、化學(xué)泵浦激光器、熱泵浦激光器和核泵浦激光器。一般而言,不同類型的泵浦源是與激光晶體不同的吸收波長相適應(yīng)的。
(2)、按照增益介質(zhì)的不同,可以分為液體激光器、氣體激光器和固體激光器(光纖、半導(dǎo)體、全固態(tài)、混合),其中光纖激光器由于增益介質(zhì)較為特殊且占有較高的市場份額,學(xué)術(shù)及生產(chǎn)實(shí)踐中一般會將其與其他固體激光器單獨(dú)區(qū)分開。目前發(fā)現(xiàn)可做增益介質(zhì)的物質(zhì)有近千種,常見的有摻稀土元素光纖、染料、惰性氣體、二氧化碳、摻釹釔鋁石榴石(YAG)和鈦藍(lán)寶石等。每類增益介質(zhì)激光器具有不同的特點(diǎn),不同的增益介質(zhì)決定了激光波長等參數(shù)。
固體激光器與光纖激光器是目前市場上應(yīng)用最為廣泛的兩類主流激光器,但兩者的加工特點(diǎn)和應(yīng)用場景有著較大的差異,屬于并行發(fā)展、難以相互替代的兩類不同的技術(shù)路線。整體而言,光纖激光器由于其平均功率高、熱效應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于宏觀加工領(lǐng) 域的金屬材料切割、焊接、鉆孔、燒結(jié)等;而固體激光器則具有峰值功率高、熱效應(yīng)小、加工精度高的特點(diǎn),一般主要用于薄性、脆性材料和非金屬材料的精細(xì)微加工領(lǐng)域。
圖2.激光器的分類
(3)、按工作方式的不同,激光器可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。連續(xù)激光器可以在較長一段時間內(nèi)連續(xù)輸出,熱效應(yīng)高。脈沖激光器以脈沖形式輸出, 主要特點(diǎn)是峰值功率高,熱效應(yīng)小;根據(jù)脈沖時間長短,脈沖激光器可進(jìn)一步 分為長脈沖(毫秒、微秒)、短脈沖(納秒)、超短脈沖(皮秒、飛秒)激光器,一般而言,脈沖寬度越窄、波長越短,可實(shí)現(xiàn)的加工精度越高。
(4)、按照輸出功率的不同,可以將光纖激光器分為小功率(0-1kW)、中功率(1kW-3kW)、高功率(3kW-6kW 以上)。而對于主要應(yīng)用在精細(xì)微加工領(lǐng)域的固體激光器,實(shí)踐中一般將 10W 以下的歸類為低功率,10W 以上為中高功率。不同功率的激光器適應(yīng)的應(yīng)用場景各不同。
(5)、按輸出波長的不同,激光器可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等。不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可吸收的光波長范圍不同,因此需要各個波長的激光器應(yīng)用于不同材料的精細(xì)加工。
一組科學(xué)家在時間上創(chuàng)造了“狹縫”,使他們能夠在200多年前首次進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中通過狹縫發(fā)送光線。在最初的實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)家們通過屏幕上的狹縫發(fā)送光線,在整個空間創(chuàng)造出一個獨(dú)特的圖案。
不過現(xiàn)在,一組新的研究人員已經(jīng)成功地將這個實(shí)驗(yàn)向前推進(jìn)了一步。他們沒有在空間中創(chuàng)造“狹縫”,而是使用激光在時間中創(chuàng)造“狹縫”。創(chuàng)建的圖案與最初的實(shí)驗(yàn)相似,并改變了超短激光脈沖的顏色。
據(jù)報道,這些發(fā)現(xiàn)為模擬計算機(jī)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。通過使用時間上的“狹縫”,計算機(jī)可能能夠讀寫印在光束上的數(shù)據(jù),而不是依靠數(shù)字比特。研究人員說,這甚至可能允許計算機(jī)從它們工作的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。
這個實(shí)驗(yàn)還有另一種意義,因?yàn)樗部梢约由钗覀兡壳皩獾男再|(zhì)以及它與材料的基本相互作用如何進(jìn)行的理解。創(chuàng)建這些“狹縫”的研究結(jié)果發(fā)表在《自然-物理學(xué)》上。
根據(jù)該論文,研究人員利用了銦錫氧化物(ITO),一種可以在大多數(shù)智能手機(jī)屏幕中找到的材料??茖W(xué)家們已經(jīng)了解到,ITO可以通過從透明到反射的變化對光線做出反應(yīng)。然而,他們發(fā)現(xiàn),它發(fā)生的速度比原來想象的要快得多。
事實(shí)上,這種變化發(fā)生在不到10飛秒(10億分之一秒)的時間內(nèi)。這是非常非??斓摹榱舜_定為什么變化發(fā)生得如此之快,科學(xué)家們研究了ITO的電子器件如何及時響應(yīng)用于創(chuàng)造“狹縫”的光線的理論。
最初的實(shí)驗(yàn)是在1801年首次展示的。在新的研究中,研究人員重新創(chuàng)造了在原始實(shí)驗(yàn)中看到的干擾。他們使用了一個泵脈沖激光,并將其照射在涂有ITO的屏幕上。他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)來自激光的光線擊中ITO的電子時,ITO從透明變成了反射。
同時,他們又向ITO屏幕發(fā)送了一束后續(xù)的探測激光。當(dāng)他們這樣做時,他們看到光束的光學(xué)特性發(fā)生了暫時的變化。這個“時間縫隙”只有幾百飛秒長,但仍然是相當(dāng)大的突破。
這也不是人類第一次找到跨越時間操縱光線的方法。當(dāng)然,這與你在電影中可能看到的穿越時空不太一樣。然而,在這個例子中,這些發(fā)現(xiàn)可能為模擬計算機(jī)的新進(jìn)展打開大門,與我們之前看到的任何東西都不同。
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