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激光器的原理組成及應(yīng)用


發(fā)布時(shí)間:

2019-10-30

激光器組成結(jié)構(gòu)激光器一般由三個(gè)部分組成1、工作物質(zhì)2、激勵(lì)能源3、光學(xué)共振腔
激光器組成結(jié)構(gòu)
激光器一般由三個(gè)部分組成
1、工作物質(zhì):激光器的核心,只有能實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。
2、激勵(lì)能源:它的作用是給工作物質(zhì)以能量,將原子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)的外界能量。通??梢杂泄饽茉础崮茉?、電能源、化學(xué)能源等。
3、光學(xué)共振腔:作用一是使工作物質(zhì)的受激輻射連續(xù)進(jìn)行;二是不斷給光子加速;三是限制激光輸出的方向。最簡(jiǎn)單的光學(xué)共振腔是由放置在氦氖激光器兩端的兩個(gè)相互平行的反射鏡組成。當(dāng)一些氖原子在實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩能級(jí)間發(fā)生躍遷,輻射出平行于激光器方向的光子時(shí),這些光子將在兩反射鏡之間來回反射,于是就不斷地引起受激輻射,很快地就產(chǎn)生出相當(dāng)強(qiáng)的激光。
 
激光器發(fā)出的光質(zhì)量純凈、光譜穩(wěn)定可以在很多方面被應(yīng)用
紅寶石激光:最初的激光器是紅寶石被明亮的閃光燈泡所激勵(lì),所產(chǎn)生的激光是“脈沖激光”,而非連續(xù)穩(wěn)定的光束。這種激光器產(chǎn)生的光速質(zhì)量和我們現(xiàn)在使用的激光二極管產(chǎn)生的激光有本質(zhì)的區(qū)別。這種僅僅持續(xù)幾納秒的強(qiáng)光發(fā)射非常適合捕捉容易移動(dòng)的物體,例如拍攝全息的人物肖像畫,第一副激光肖像在1967年誕生。紅寶石激光器需要昂貴的紅寶石而且只能產(chǎn)生短暫的脈沖光。
氦氖激光器:1960年科學(xué)家Ali Javan、William R.Brennet Jr.和Donald Herriot 設(shè)計(jì)了氦氖激光器。這是第一臺(tái)氣體激光器,這種激光器是全息攝影師常用的裝備。
兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):1、產(chǎn)生連續(xù)激光輸出;2、不需要閃光燈泡進(jìn)行光激勵(lì),而用電激勵(lì)氣體。
 
激光二極管:激光二極管是當(dāng)前最為常用的激光器之一,在二極管的PN結(jié)兩側(cè)電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí),一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近,就能激勵(lì)二者復(fù)合,產(chǎn)生新光子,這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。
如果注入電流足夠大,則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布,即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下,少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射,造成選頻諧振正反饋,或者說對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí),就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光。
激光二極管的發(fā)明讓激光應(yīng)用可以迅速普及,各類信息掃描、光纖通信、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光唱片、激光指示器、超市的收款等等,各類應(yīng)用正在不斷被開發(fā)和普及。
中山銦尼鐳斯科技有限公司-超快激光器專業(yè)制造商

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2022-11-03

超快激光器為生物成像領(lǐng)域提供新的可能


多光子生物成像解決方案 - 自1663年,羅伯特.胡克在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到了細(xì)胞壁,并命名為【cellua】開始,人類微觀生物世界的大門就此打開。自那之后經(jīng)歷了3個(gè)多世紀(jì),從生物切片顯微觀測(cè)為開端,人類對(duì)于微觀生物的研究從未停止。 上世紀(jì)90年末開始,隨著飛秒激光技術(shù)的提出,到如今的走向成熟,更加尖端且成熟的生物觀測(cè)儀器繼續(xù)為人類生物微觀世界的研究貢獻(xiàn)出自己的力量,其中能夠探測(cè)活體神經(jīng)元的,便是我們接下來的主角——【雙光子熒光顯微鏡】 01.什么是雙光子熒光顯微鏡 雙光子激發(fā)熒光這個(gè)理論是1931年由瑪麗亞·格佩特-梅耶在她的博士論文中闡述了原子的雙光子吸收的可能性,但是將她的理論研究轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)室的可觀測(cè)現(xiàn)象進(jìn)行證實(shí)時(shí),已經(jīng)是1960年激光誕生之后的事情了。 ? 在雙光子顯微鏡出現(xiàn)之前,主流的觀測(cè)應(yīng)用是共聚焦顯微鏡,它的主要原理是采用點(diǎn)光源照射標(biāo)本,在焦平面上形成一個(gè)輪廓分明的小的光點(diǎn),該點(diǎn)被照射后發(fā)出的熒光被物鏡收集,并沿原照射光路反射到由雙向色鏡構(gòu)成的分光器。分光器將熒光直接反射至探測(cè)器。屬于通過聚焦光來進(jìn)行單光子熒光。優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)速度快,缺點(diǎn)是觀察深度淺、清晰度差。 ? 而雙光子顯微鏡,是通過瞬間對(duì)熒光蛋白射入高密度光子,熒光分子可以同時(shí)吸收 2 個(gè)光子,并產(chǎn)生類似倍頻效應(yīng)的特性,實(shí)現(xiàn)在觀測(cè)深度和呈像清晰度上質(zhì)的突破。 ? 共聚焦顯微鏡與雙光子顯微鏡的觀測(cè)深度對(duì)比 ? 02.與激光的有機(jī)結(jié)合 雙光子熒光顯微鏡是共聚焦顯微鏡與飛秒激光結(jié)合的產(chǎn)物。它利用飛秒激光器照射,在樣本的表面或內(nèi)部聚焦,發(fā)揮飛秒脈沖激光器由于脈寬窄、峰值功率高的特性, 使熒光蛋白發(fā)生雙光子激發(fā),并發(fā)生熒光信號(hào)。 ? 當(dāng)然,不同物質(zhì)的雙光子激發(fā)光譜也不同,這直接影響了熒光蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)激發(fā)光的吸收效率。類比地,如果一種熒光蛋白對(duì)于一種飛秒激光所在波段的雙光子吸收效率過低,也會(huì)難以被激發(fā),從而難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的雙光子熒光成像效果。反之,激光器所在波長(zhǎng)對(duì)其激發(fā)效率越高,則成像效果越好,主要體現(xiàn)在清晰度等方面,這樣才能讓研究人員更加直觀的觀測(cè)和還原樣品的形貌。 ? 不同熒光蛋白材料對(duì)光譜的吸收率也有所不同 ? 雙光子激發(fā)熒光顯微成像對(duì)EGFP-2P熒光蛋白的效果對(duì)比A.920nm波段B.780nm波段 從上圖中可以看出,對(duì)不同波段均有反應(yīng)的熒光蛋白,在吸收率較高的波段成像效果更加優(yōu)秀。03.實(shí)現(xiàn)途徑為實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用,中山銦尼鐳斯科技有限公司于2012年開始,進(jìn)行了飛秒激光光源的研發(fā)。經(jīng)過了長(zhǎng)達(dá)10年的積累,完成了該波段激光器的全部工程化工作。 Nd-930 ? 產(chǎn)品說明: 該激光器基于光纖式種子源與放大級(jí),能夠穩(wěn)定輸出中心波長(zhǎng)為930 nm ± 5 nm的飛秒 (fs) 級(jí)激光脈沖序列,平均功率 > 1 W,脈沖寬度 < 350 fs,重復(fù)頻率40 - 80 MHz(可定制),M2 ≤ 1.3。特別適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的雙光子成像應(yīng)用。 ?

2022-11-03

激光太赫茲技術(shù)的應(yīng)用


什么是太赫茲 太赫茲波(簡(jiǎn)稱太赫茲,THz)是指頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波,波長(zhǎng)大概在0.03 mm至3 mm之間。介于紅外和微波之間。 太赫茲間隙 檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用——太赫茲光譜儀的工作原理: 將太赫茲光源對(duì)樣本物體進(jìn)行掃描,所有的材料會(huì)對(duì)特定的波長(zhǎng)進(jìn)行吸收,其余的會(huì)反射或者透射,就如同人眼會(huì)看到各種顏色一樣,當(dāng)太赫茲脈沖照射樣本時(shí),不同材料的樣本對(duì)太赫茲波的吸收與反射不同,所以可以根據(jù)不同的吸收或者反射圖譜區(qū)分無法用肉眼識(shí)別的同分異構(gòu)體材料。每一個(gè)材料對(duì)不同波段光波的吸收反射率均有不同,形成特定的不同光譜圖,這個(gè)光譜被稱之為材料特有的【指紋譜】 太赫茲激發(fā)源 目前能夠激發(fā)太赫茲波并完成光譜檢測(cè)的有兩種激發(fā)源——微波太赫茲和激光太赫茲 微波太赫茲激發(fā)源的優(yōu)缺點(diǎn): 優(yōu)點(diǎn):由于產(chǎn)生微波的為電子器件,能夠在單一或者窄帶情況下輸出更大的功率,高信噪比的太赫茲源在對(duì)樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可以更清晰的看到結(jié)果,不會(huì)被底噪干擾,在面對(duì)某些單一波長(zhǎng)或者窄帶波吸收率超過80%甚至90%的情況下,提高輸出功率也可以得到信號(hào)反饋并實(shí)際觀測(cè)到響應(yīng)結(jié)果 缺點(diǎn):由于微波能夠輸出的譜寬較窄,對(duì)于對(duì)象的可觀測(cè)范圍就比較小,只可以對(duì)單一材料進(jìn)行識(shí)別反應(yīng),如果被檢測(cè)樣本對(duì)該波段無特異反映,當(dāng)被檢體在窄帶檢測(cè)波范圍內(nèi)吸收反射率差異趨近于零而其他波段會(huì)有較大差異時(shí),通過微波激發(fā)的太赫茲?rùn)z測(cè)圖形會(huì)出現(xiàn)波型完全一致,無法通過圖譜發(fā)現(xiàn)差異的結(jié)果。 激光太赫茲激發(fā)源的優(yōu)缺點(diǎn): 激光激發(fā)太赫茲光源能夠輸出一個(gè)比較寬的光譜范圍,能夠在更大范圍內(nèi)更準(zhǔn)確的對(duì)被掃體的【指紋譜】進(jìn)行識(shí)別,分辨率更高,更準(zhǔn)確,泛用性更強(qiáng),能夠清晰的識(shí)別多種不同材料的【指紋譜】并可以進(jìn)行橫向?qū)Ρ取? 缺點(diǎn)也很明顯,由于需要兼顧多波段同時(shí)輸出,激光太赫茲激發(fā)源并不能夠達(dá)到微波最大等級(jí)的輸出功率,這導(dǎo)致在檢測(cè)過程中,激光太赫茲波在對(duì)某一種材料對(duì)特定波長(zhǎng)吸收率較高的情況下,回饋的光信號(hào)可能會(huì)被淹沒在底噪當(dāng)中難以被識(shí)別。 P.s:激光激發(fā)太赫茲波段與微波波段并不是一個(gè)頻段,在應(yīng)用領(lǐng)域中也各有不同,激光激發(fā)的太赫茲波無法完全實(shí)現(xiàn)對(duì)微波電子激發(fā)太赫茲波的替換。 實(shí)際使用激光太赫茲的實(shí)驗(yàn)記錄: 根據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室于2020年4月發(fā)布的【基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的黃酮類化合物研究】文章中提到的太赫茲光譜儀相關(guān)實(shí)驗(yàn): 上面8張圖譜是8種常見的黃酮類化合物;黃芩素,槲皮素,柚皮素,大豆素,黃芩苷,葛根素,染料木素和天麻素。樣品純度均大于99%,并購(gòu)買于同一批次。實(shí)驗(yàn)樣品制備采用粉末壓片法,濃度為66.7%,厚度為1mm的薄片。 從圖中可以看出,雖然這些黃酮類物質(zhì)具有相似的分子結(jié)構(gòu),但每種物質(zhì)在太赫茲波段都有明顯不同的特征吸收峰,體現(xiàn)了太赫茲對(duì)生物分子的指紋譜特性。因此,可以通過太赫茲吸收譜對(duì)黃酮類物質(zhì)進(jìn)行種類鑒別。定性鑒別 ? ? 銦尼鐳斯的太赫茲激發(fā)源 針對(duì)于檢測(cè)物品的【指紋普】這一應(yīng)用,銦尼鐳斯基于Er-100Hi激光器,結(jié)合異步鎖定系統(tǒng),配合太赫茲天線,組成了實(shí)驗(yàn)室中的激光器太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)。 光源主體FDEr-100 異步鎖定拍頻部分Er -100Hi FDEr-100技術(shù)指標(biāo): 序號(hào) 參數(shù) 單位 技術(shù)指標(biāo) 1 中心波長(zhǎng) nm 1560/780±20 2 重復(fù)頻率 MHz 100±0.1 3 重復(fù)頻率可調(diào)范圍 -- PZT精準(zhǔn)100MHz附近調(diào)試手動(dòng)100MHz附近調(diào)試 4 脈沖寬度780nm fs ≤100fs@780nm≤90fs@1560nm 5 輸出功率 mW ≥100@780≥400@1560 6 輸出方式 —— 空間光 Er -100Hi技術(shù)指標(biāo) 序號(hào) 參數(shù) 單位 技術(shù)指標(biāo) 1 中心波長(zhǎng) nm 1560±20 2 重復(fù)頻率 MHz 100±0.1 3 重復(fù)頻率可調(diào)范圍 -- PZT精準(zhǔn)100MHz附近調(diào)試手動(dòng)100MHz附近調(diào)試 4 脈沖寬度780nm fs ≤100 5 輸出功率 mW ≥200 6 輸出方式 —— 空間光 / 光纖耦合 性能安裝指標(biāo): 序號(hào) 項(xiàng)目 單位 技術(shù)指標(biāo) 1 工作溫度 °C 22±4 2 工作濕度 % ≤55 3 電氣連接 AC V 220 ? 最大功率 W ? ? 冷卻方式 —— 風(fēng)冷 目前,我司已經(jīng)與首都師范大學(xué)張村林教授團(tuán)隊(duì)合作開發(fā),搭建太赫茲光譜儀檢測(cè)系統(tǒng)。隨著工程化的一步步深入,我們相信在不久的將來,該系統(tǒng)會(huì)在藥品,食品成分檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。

2019-12-04

超短脈沖激光技術(shù)的歷史與現(xiàn)狀


在激光中,超短脈沖光的產(chǎn)生之所以重要是因?yàn)榭梢酝ㄟ^控制激光的相干光波產(chǎn)生脈沖光,其時(shí)間寬度超出電子學(xué)所控制的范疇。從廣義上講,超短脈沖光是指小于1ns的脈沖光。