摘要

　　红宝石激光器是一种常见的激光器类型，具有广泛的应用领域。本文将从四个方面对红宝石激光器进行详细阐述，包括其原理、结构、特性以及应用。通过深入了解红宝石激光器，可以更好地理解其工作原理和优势，并为相关领域的研究和应用提供参考。

　　红宝石激光器是三能级激光器，它使用三个能级来形成种群反转。基态的铬原子被激发装置激发。处于激发态的铬原子的弛豫时间大约10个0 Ns个处于亚稳状态安定下来。由于从弛豫时间到基态的弛豫时间约为3 ms，这比其他状态要长，所以会出现反演分布。并引起感应发射在此期间694 3 纳米的光被发射。

　　一、工作原理

　　红宝石激光器的工作原理基于三能级系统。当外界能量输入到红宝石晶体中时，电子在受到刺激后会跃迁至高能级状态，并在自发辐射过程中产生辐射出射。这些辐射经过反射和放大后形成一个相干且单色性很好的激光束。

　　与其他类型的固体激光器相比，红宝石晶体具有非常长寿命和高效率等优点。同时，在适当选择掺杂物浓度和晶体长度等参数时，还可以实现调谐范围广泛、脈冲重复频率高等特性。

　　二、结构和组成

　　红宝石激光器的主要组成部分包括红宝石晶体、泵浦源、谐振腔和输出耦合装置。其中，红宝石晶体是激光器的核心部件，其具有良好的光学性能和较高的折射率。泵浦源通常采用弧形灯或者闪光灯，通过对红宝石晶体进行泵浦来提供能量。

　　谐振腔由两个反射镜构成，其中一个是半透明镜用于输出激光束。而输出耦合装置则用于控制激光束的输出功率和方向等参数。

　　三、特性

　　红宝石激光器具有许多优异特性。首先，其工作波长通常在694.3nm附近，属于可见光范围内;其次，在连续工作模式下可以达到较高功率输出，并且具有较好的空间一致性;此外，在脈冲工作模式下也可以实现非常快速且稳定的重复频率。

　　此外，红宝石激光器还具有较窄的谱线宽度、高光束质量和较长的寿命等特点。这些特性使得红宝石激光器在医学、科研、材料加工等领域得到广泛应用。

　　四、应用

　　红宝石激光器在多个领域都有重要的应用。在医学方面，其被广泛用于皮肤美容治疗和眼科手术等;在科学研究中，可以利用其单色性和高功率输出进行原子物理实验以及气体分析等;而在材料加工领域，则可以通过调节脈冲参数来实现对不同材料的切割、打孔和焊接。

　　此外，红宝石激光器还可作为雷达系统中的探测源以及通信系统中的传输媒介。随着技术进步和应用需求不断增长，红宝石激光器将继续发挥重要作用，并不断拓展新的应用领域。

　　五、总结

　　本文详细阐述了红宝石激光器的工作原理、结构、特性以及应用。红宝石激光器作为一种常见的固体激光器，具有许多优异特性和广泛应用领域。通过深入了解红宝石激光器，我们可以更好地利用其优势，并推动相关领域的发展和创新。

　　红宝石激光器原理?

　　以红宝石激光器为例，工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。

　　红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E3，被抽运到E3上的电子很快(～10-8s)通过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级，E2到E1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E2上积聚起来，实现E2和E1两能级上的粒子数反转。从E2到E1受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms，每个光脉冲能量在10J以上;也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级E1是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相当强的激励才行。

　　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。

　　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。

　　红宝石激光器发明者

　　美国物理学家、世界上第一台激光器的发明者希尔多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学逝世，享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemic mastocytosis)，一种罕见的遗传疾病。

　　终其一生，梅曼获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他，而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学家巴索夫、普罗霍罗夫，但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还于1984年被列入“美国发明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中，汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。

　　纪念梅曼的活动在每年的5月16日举行，这也是梅曼的激光器首次使用的日子。

　　红宝石激光器发明过程

　　激光器通过受激发射放大原理产生一种相干光辐射(激光)。1960年7月7日，《纽约时报》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果后来震惊了全世界。在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下，梅曼当时的雇主——洛杉矶休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)获得了胜利。

　　不过，梅曼在发表文章时并不顺利。他先把论文投到《物理评论快报》(PRL)，但当时的编辑Sam Goudsmit认为这只是又一篇maser 重复工作的文章，因此拒绝发表。后来梅曼终于将文章发表在《自然》杂志上。当然，经过多年的努力争取，梅曼的成就已经得到了广泛的承认。

　　梅曼1927年7月11日生于加州洛杉矶，是一个电气工程师的儿子。父亲希望他成为一位医生，但他认为对激光的研究将对医学产生更大的影响。尽管梅曼小时候是一个野性难驯的孩子，但他的数学非常好。在1949年从科罗拉多大学硕士毕业后，梅曼来到斯坦福大学攻读博士研究生，并于1955年获得博士学位，他的导师是于1955年获得诺贝尔物理学奖的拉姆(Willis E. Lamb)。

　　在休斯飞机公司工作时，梅曼告诉老板他希望能够制造一台激光器，但由于当时其他著名实验室都没有做出什么令人振奋的成果，休斯公司还是希望他在计算机方面进行一些“有用”的工作。但梅曼坚持要进行研究，并以辞职相威胁。最终公司给了他9个月的时间，5万美元和一位助手。

　　在第一台激光器获得成功后，梅曼又继续对激光器在医学治疗上的应用进行研究，尽管当时的公众认为这是一种“致死”的光线。不过，由于休斯公司并没有再对激光器的潜在应用进行更多的投入，梅曼选择了离开并于1961年创办了自己的Korad公司。

　　红宝石激光器应用

　　梅曼的发明为人类做出了重大的贡献，激光器已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。例如在玉石加工的应用、全息照片的应用等。

　　红宝石激光器原理及理论

　　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。

　　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YAG激光器、红宝石激光器)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器)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。

　　在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%(重量比)的Cr2O3。Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在Xe(氙)灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短(约10-9秒)。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hν=E2—E1(其中h为普朗克常数，E2、E1分别为激光上、下能级的能量)的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。

　　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1000A。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6943A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6943A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。

　　红宝石激光器的效率虽然不高，只有0.1%，产生的是暗红色的694.3nm光，但是由于它的结构极其简单，有代表性，跟我们现在应用最广泛的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，一般是把光学性能很好的三氧化二铝晶体里面掺上0.03 - 0.4% 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0.5cm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。

　　虽然结构极端简单，也还是一种常见的大能量脉冲激光器。它跟YAG激光器、钕玻璃激光器等同属于固体激光器。红宝石激光器在脉冲氙灯照射下的工作效率只有大概0.1%，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。

　　红宝石激光器诞生背景

　　爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。

　　此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。

　　1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。

　　1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。

　　红宝石激光器技术发展

　　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红宝石棒子上就可以了。

　　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0.5ms以下，满足打孔的需要)。

　　主流的闪光灯有以下两种：

　　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。

　　直线闪光灯

　　如今工业固态激光器80%以上都采用这种氙灯结构。泵浦效率高，使用水冷方便，制造工艺简单，触发容易，是大部分工业激光采用这种结构的原因。这些闪光灯就是脉冲氙灯，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

　　从最早的环形闪光灯用的简易圆形腔体，发展到后来出现了椭圆反射腔(双焦点)、双椭圆腔体(三焦点)、漫反射腔体这些种类。

　　实际上这些现代最新的反射腔体，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。只能装一根氙灯，输出的的光的光斑能量分布不是特别均匀)

　　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。

　　也可以直接用机床加工出来。

　　这种腔体的好处是可以达到很高的加工精度，达到很密的脉冲，一般情况下只有激光快速精加工设备采用这个方案。

　　椭圆腔的变种-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。有能力加工的可以考虑一下这种形式。图里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，大大降低工艺难度，成为90%以上工业用途所采用的方法。一个比较简易的方法是用铝箔纸紧裹，轻松达到90%以上的效率，如果用铜皮镀银箔的话能进一步增高效率，结构一样简单。

　　一篇论文中模拟出来的结果很好，光斑质量已经让人满意。

　　考虑到有些设备对反射腔效率要求很高，这是两种常用抗腐蚀、光学性能优良的镀层反射材料(金、银)的反射率vs波长，参考表格。

　　金从500多纳米开始反射，这就使得它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)。然而银的发射波长范围更大，使得银更适合用于红宝石激光器，尽管在红外范围性能不如金，但是差别不是太大。

　　红宝石激光和翠绿宝石激光区别?

　　红宝石激光和翠绿宝石激光是两种常见的固体激光器。它们之间的区别主要体现在以下几个方面：

　　1. 激发方式：红宝石激光器使用脉冲光或电流激发，而翠绿宝石激光器使用闪光灯或氙灯激发。

　　2. 发射波长：红宝石激光器的发射波长通常在694纳米左右，而翠绿宝石激光器的发射波长通常在532纳米左右。

　　3. 输出功率：红宝石激光器的输出功率通常较高，可以达到几十瓦甚至更高，而翠绿宝石激光器的输出功率较低，通常在几毫瓦到几瓦之间。

　　4. 应用领域：由于两者的不同波长和功率输出，它们在应用领域上也有所差异。红宝石激光器主要用于医疗、材料加工、科学研究等领域，例如用于红外光谱分析、激光打标等;翠绿宝石激光器主要用于生物医学、显示器制造、激光投影等领域，例如用于眼科手术、激光显示器、全息成像等。

　　总体而言，红宝石激光和翠绿宝石激光在波长、功率和应用领域上存在差异，适用于不同的激光应用需求。