紅寶石激光器

美國物理學家、世界上第一台激光器的發明者希爾多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病於加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學逝世，享年79歲。梅曼罹患的是系統性肥大細胞增多症(systemic mastocytosis)，一種罕見的遺傳疾病。

終其一生，梅曼獲得了無數的獎勵。儘管1964年的諾貝爾物理學獎並沒有授予發明了世界上第一台激光器的他，而是給了此前發明了微波激射器並提出激光器原理與設計方案的美國貝爾實驗室物理學家湯斯和蘇聯物理學家巴索夫、普羅霍羅夫，但梅曼仍兩次獲得諾貝爾獎提名，並獲得了物理學領域著名的日本獎和沃爾夫獎。他還於1984年被列入“美國發明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》雜誌一百周年紀念的一本書中，湯斯將梅曼的論文稱為該雜誌100年來發表的所有精彩論文中“字字珠璣的最重要的一篇”。

紀念梅曼的活動在每年的5月16日舉行，這也是梅曼的激光器首次使用的日子。

激光器通過受激發射放大原理產生一種相干光輻射(激光)。1960年7月7日，《紐約時報》首先披露，梅曼成功製成了世界上第一台紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創造出了相干脈衝激光光束，這一成果後來震驚了全世界。在全世界頂尖的實驗室都爭取第一個發明激光器的情況下，梅曼當時的僱主——洛杉磯休斯飛機公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。

不過，梅曼在發表文章時並不順利。他先把論文投到《物理評論快報》(PRL)，但當時的編輯Sam Goudsmit認為這只是又一篇maser 重複工作的文章，因此拒絕發表。後來梅曼終於將文章發表在《自然》雜誌上。當然，經過多年的努力爭取，梅曼的成就已經得到了廣泛的承認。

梅曼1927年7月11日生於加州洛杉磯，是一個電氣工程師的兒子。父親希望他成為一位醫生，但他認為對激光的研究將對醫學產生更大的影響。儘管梅曼小時候是一個野性難馴的孩子，但他的數學非常好。在1949年從科羅拉多大學碩士畢業后，梅曼來到斯坦福大學攻讀博士研究生，並於1955年獲得博士學位，他的導師是於1955年獲得諾貝爾物理學獎的拉姆(Willis E. Lamb)。

在休斯飛機公司工作時，梅曼告訴老闆他希望能夠製造一台激光器，但由於當時其他著名實驗室都沒有做出什麼令人振奮的成果，休斯公司還是希望他在計算機方面進行一些“有用”的工作。但梅曼堅持要進行研究，並以辭職相威脅。最終公司給了他9個月的時間，5萬美元和一位助手。

在第一台激光器獲得成功后，梅曼又繼續對激光器在醫學治療上的應用進行研究，儘管當時的公眾認為這是一種“致死”的光線。不過，由於休斯公司並沒有再對激光器的潛在應用進行更多的投入，梅曼選擇了離開並於1961年創辦了自己的Korad公司。

梅曼的發明為人類做出了重大的貢獻，激光器已經成為在醫學、工業以及眾多科研領域不可或缺的基本儀器設備。例如在玉石加工的應用、全息照片的應用等。

所有的光（即傳統光源or激光光源），都是原子、分子能級變化所造成的。這些特定能級差別的吸收和釋放都表現成為特定波長的光。光子射出的能量（焦耳）等於h*f，其中h是普朗克常數，f是頻率的輻射，這適用於激光和傳統的發光系統。光輻射能量在原子從高能態掉到低能態的時候放出。然而，一個原子想發光，首先必須吸收的能量，使得低能態原子被打到高能態，這在激光領域叫做“泵浦，pump”。所有光包括自發和激光需要一定量的能量吸收。

顯然，沒有哪個自發輻射光源能達到激光光源的光譜質量。這是因為傳統光源是系統處在各種能級都有的雜亂輻射狀態。傳統光源的基本特徵是寬光譜分佈，隨機極化，圓形和不規則的波陣面和較低的色溫。激光的發射原理不同於常規光，不是各種能級加在一起的自發輻射產生的，而是受激發射，各種能級的原子被泵浦到較高的一個激發態上，由於維持的時間總體正態分佈，大部分原子都在一段極短的時間內掉到同一個較低的能態上，這種發射方式導致光處在幾乎一致的能量水平，也就是我們平常所說的激光單色性。

為了維持這種翻轉的粒子數夠多，必須有外部的能量把掉下來的原子搬到激發態上，這就需要脈衝激光（例如YAG激光器、紅寶石激光器）中的脈衝氙燈，半導體泵浦激光（又叫DPSS激光，例如綠色的激光筆）中的半導體激光器，氣體放電激光（例如氦氖激光器、CO2激光器）中的放電，化學激光（例如武器級的氧碘激光器）中的化學反應等能量源來提供能量了。

世界上很多物質都能受激發光，但是，只有少部分物質能夠發出有用的激光。激光物質必須有特定的粒子結構使得粒子翻轉群可以被激發到一定的密度，一般是一些晶體或者氣體、液體。這些激光物質一般被放在兩個鏡子之間，使得能量能夠經過多次來回反射而放大達到能夠使用的級別。一面鏡子是全反鏡，反射幾乎所有的光，也叫HR，一面鏡子是半反鏡，也叫輸出鏡，OC,一般反射20%到80%的光，激光在兩個鏡子之間多次往返放大后，從這裡打出來一部分做輸出。

在激光器的設想提出不久，紅寶石就被首先用來製成了世界上第一台激光器。激光用紅寶石晶體的基質是Al2O3，晶體內摻有約0.05%（重量比）的Cr2O3。Cr3+密度約為，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶體中取代Al3+位置而均勻分佈在其中，光學上屬於負單軸晶體。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來處於基態E1的粒子，吸收了Xe燈發射的光子而被激發到E3能級。粒子在E3能級的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過無輻射躍遷到達激光上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長，可達3×10-3秒。所以在E2能級上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數反轉，此時晶體對頻率ν滿足hν=E2—E1（其中h為普朗克常數，E2、E1分別為激光上、下能級的能量）的光子有放大作用，即對該頻率的光有增益。當增益G足夠大，能滿足閾值條件時，就在部分反射鏡端有波長為6943×10-10米的激光輸出。

系統內的4A能級(低能態)原子們有一大半的原子被外部的能量泵到更高的能態，

laser才能lase。從figure 2看出，紅寶石激光器的吸收大部分集中在兩個區域，T1(紫外)、T2(綠光)。這些吸收范的效率比較高的區域光譜寬度大概1000A。被打到T1/T2狀態的離子很快掉到2E能級，造成了2E翻轉群體密度增大到能打出激光的閥值。在這個閥值密度以下，紅寶石既不能發出激光，也不能用來放大激光（其實兩個是一樣的原理）。此後，從2E能態到低能態的時候，這些多出來的能量就以波長為6943A的光的形式發出。一個2E能級的離子掉到低能態時候發出的6943光促使了周圍的2E也跟著掉，可以理解成一種比較低成功率的連鎖反應。這幅圖是一個極端簡這幅圖是一個極端簡化、不準確的非比例模型。化、不準確的非比例模型，它沒有展示出一些2E/4A能級里的精細能級，我記得2E中文好像叫做亞穩態，具體細節可以谷歌一下。這些精細能級會把6943A的激光參雜進一些附近的雜峰。這個問題不影響一般的實驗。如果需要特別純凈的光譜可以把激光棒冷卻到大概75K，這時候線寬就會變成大概10-15 GHz窄了。

紅寶石激光器的效率雖然不高，只有0.1%，產生的是暗紅色的694.3nm光，但是由於它的結構極其簡單，有代表性，跟我們現在應用最廣泛的YAG激光器結構一致，能級（3能級系統）更加簡單，分析起來比較好理解。筆芯粗細，手指那麼長的紅寶石棒就可以輕鬆的產生打穿鐵皮、從月面上反射回來被檢測到的激光束，這些激光器在沒有發明效率高得多的YAG激光棒（1%-3%）的時候，被廣泛的用在激光切割機、鑽孔機上，許多軍用的非致命性武器也採用更小的紅寶石棒子。

紅寶石是一種3能級的激光材料，一般是把光學性能很好的三氧化二鋁晶體裡面摻上0.03 - 0.4% 的Cr +3，做成人工紅寶石，比一般的天然紅寶石有好得多的光學性能。常見的紅寶石棒尺寸從0.5cm到2cm直徑，4cm到16cm長。看上去可能是很淺的粉紅色玻璃棒樣子或者很深的紅棕色，這要看棒子的摻Cr濃度。用綠激光筆打進去會有很特別的顏色出來。

雖然結構極端簡單，也還是一種常見的大能量脈衝激光器。它跟YAG激光器、釹玻璃激光器等同屬於固體激光器。紅寶石激光器在脈衝氙燈照射下的工作效率只有大概0.1%，但是由於熒光壽命很長，可以很容易用機械Q開關（一個旋轉的全反稜鏡去把脈衝壓縮到ns量級，脈衝功率輕鬆突破兆瓦）。

這裡簡單解釋一下Q開關。最簡單的q開關就是一個馬達連著一個鏡

子，沒對準的時候沒有來回往複的光，可以讓高能態粒子的數量慢慢的聚集增多，在對準的瞬間釋放，達到很窄而功率很大的脈衝。另外一種適合DIY的Q開關是被動式Q開關（passive q-switch），當光能量密度達到某一個閥值時候，他突然由不怎麼透光變得很透光，使得之前聚集的高能態粒子得以瞬間釋放，這種晶體比較難找，價格也比較高，只能碰運氣。工業上用的比較多的有電光調Q、聲光調Q等方式做的q開關，用在進一步壓縮脈衝激光的脈衝或者使連續半導體泵浦的激光晶體輸出峰值功率很高的脈衝激光，方便打標、切割。

愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處於高能態的物質粒子受到一個能量等於兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉變到低能態，併產生第二個光子，同第一個光子同時發射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個光子的發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。

此後，量子力學的建立和發展使人們對物質的微觀結構及運動規律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分佈、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生后，被很快應用於研究電磁輻射與各種微觀粒子系統的相互作用，並研製出許多相應的器件。這些科學理論和技術的快速發展都為激光器的發明創造了條件。

1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍後，美國物理學家查爾斯·湯斯以及蘇聯物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先後提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產生和放大微波的設計。

1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，勉強贏得了這場世界範圍內的研製競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。

紅寶石激光器的工作物質是紅寶石棒。在激光器的設想提出不久，紅寶石就被首先用來製成了世界上第一台激光器。激光用紅寶石晶體的基質是Al2O3，晶體內摻有約0.05%（重量比）的Gr2O3。Cr3+密度約為，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶體中取代Al3+位置而均勻分佈在其中，光學上屬於負單軸晶體。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來處於基態E1的粒子，吸收了Xe燈發射的光子而被激發到E3能級。粒子在E3能級的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過無輻射躍遷到達激光上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長，可達3×10-3秒。所以在E2能級上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數反轉，此時晶體對頻率ν滿足

hν＝E2—E1

（其中h為普朗克常數，E2、E1分別為激光上、下能級的能量）的光子有放大作用，即對該頻率的光有增益。當增益G足夠大，能滿足閾值條件時，就在部分反射鏡端有波長為6943×10-10米的激光輸出。

紅寶石激光器的發明者——希爾多•梅曼http://edu.dahe.cn 2007-05-18 11:27:59 科學網

大河教育網訊

據《紐約時報》5月11日在線報道，美國物理學家、世界上第一台激光器的發明者希爾多•梅曼(Theodore H. Maiman)因病於加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學逝世，享年79歲。梅曼罹患的是系統性肥大細胞增多症(systemic mastocytosis)，一種罕見的遺傳疾病。

梅曼的發明為人類做出了重大的貢獻，激光器已經成為在醫學、工業以及眾多科研領域不可或缺的基本儀器設備。

激光器通過受激發射放大原理產生一種相干光輻射(激光)。1960年7月7日，《紐約時報》首先披露，梅曼成功製成了世界上第一台紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創造出了相干脈衝激光光束，這一成果後來震驚了全世界。在全世界頂尖的實驗室都爭取第一個發明激光器的情況下，梅曼當時的僱主——洛杉磯休斯飛機公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。

不過，梅曼在發表文章時並不順利。他先把論文投到《物理評論快報》(PRL)，但當時的編輯Sam Goudsmit認為這只是又一篇maser 重複工作的文章，因此拒絕發表。後來梅曼終於將文章發表在《自然》雜誌上。當然，經過多年的努力爭取，梅曼的成就已經得到了廣泛的承認。

梅曼1927年7月11日生於加州洛杉磯，是一個電氣工程師的兒子。父親希望他成為一位醫生，但他認為對激光的研究將對醫學產生更大的影響。儘管梅曼小時候是一個野性難馴的孩子，但他的數學非常好。在1949年從科羅拉多大學碩士畢業后，梅曼來到斯坦福大學攻讀博士研究生，並於1955年獲得博士學位，他的導師是於1955年獲得諾貝爾物理學獎的拉姆(Willis E. Lamb)。

在休斯飛機公司工作時，梅曼告訴老闆他希望能夠製造一台激光器，但由於當時其他著名實驗室都沒有做出什麼令人振奮的成果，休斯公司還是希望他在計算機方面進行一些“有用”的工作。但梅曼堅持要進行研究，並以辭職相威脅。最終公司給了他9個月的時間，5萬美元和一位助手。

在第一台激光器獲得成功后，梅曼又繼續對激光器在醫學治療上的應用進行研究，儘管當時的公眾認為這是一種“致死”的光線。不過，由於休斯公司並沒有再對激光器的潛在應用進行更多的投入，梅曼選擇了離開並於1961年創辦了自己的Korad公司。

終其一生，梅曼獲得了無數的獎勵。儘管1964年的諾貝爾物理學獎並沒有授予發明了世界上第一台激光器的他，而是給了此前發明了微波激射器並提出激光器原理與設計方案的美國貝爾實驗室物理學家湯斯和蘇聯物理學家巴索夫、普羅霍羅夫，但梅曼仍兩次獲得諾貝爾獎提名，並獲得了物理學領域著名的日本獎和沃爾夫獎。他還於1984年被列入“美國發明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》雜誌一百周年紀念的一本書中，湯斯將梅曼的論文稱為該雜誌100年來發表的所有精彩論文中“字字珠璣的最重要的一篇”。

對梅曼的紀念活動將在5月16日舉行，因為這正是梅曼的激光器第一次開始工作的日子。

顯然，要產生激光的先決條件是有一束富含紫外和綠光的強光束照射到激光棒內，使得離子翻轉密度達到閥值。一種被廣泛使用的方法就是用脈衝氙燈做強光源。結構很簡單，只要把氙燈的光投射到紅寶石棒子上就可以了。

閃光燈，有幾個重要的參數。我們關心的其實就兩個，弧長和1800v、電解電容下的炸燈能量。一般的，閃光燈為了適應工業用途，datasheet標稱的工作電壓是1500v以上的一個值，只有滿足這個儲能電壓才能達到標稱的光能密度和脈衝寬窄（主峰0.5ms以下，滿足打孔的需要）。

主流的閃光燈有以下兩種：

環形閃光燈

世界上第一個激光器用的是一種多圈環形閃光燈。效率沒有直線閃光燈高但是耐受能量大得多。這種閃光燈一般難以買到，管長太大難以觸發、脈衝整形網路難做、電容儲能電壓高，但是適合做可以承受非常大能量的閃光燈。這種閃光燈建模很難, datasheet數據很大區別,沒什麼普遍總結的規律。一般工作耐受能量超過2KJ。

直線閃光燈

如今工業固態激光器80%以上都採用這種氙燈結構。泵浦效率高，使用水冷方便，製造工藝簡單，觸發容易，是大部分工業激光採用這種結構的原因。這些閃光燈就是脈衝氙燈，一個典型的值是10cm弧長8mm直徑的氙燈在400V儲能下可以輕易hold住2200J的能量。 

從最早的環形閃光燈用的簡易圓形腔體，發展到後來出現了橢圓反射腔（雙焦點）、雙橢圓腔體（三焦點）、漫反射腔體這些種類。

實際上這些現代最新的反射腔體，效率從80%到95%都有，在業餘的條件下60%以上都可以接受。要知道用白紙把閃光燈和激光棒裹一圈都能達到60%。

1、橢圓鏡面反射腔體（適合水冷，但是比較難加工。只能裝一根氙燈，輸出的的光的光斑能量分佈不是特別均勻）

可以用好加工的材料做一個支架，蒙上一層鏡面膜例如拋光后的鋁箔紙or鍍銀的銅皮。或者直接用一截內部略微拋光帶點漫反射的鋁管壓扁湊合用。

也可以直接用機床加工出來。

這種腔體的好處是可以達到很高的加工精度，達到很密的脈衝，一般情況下只有激光快速精加工設備採用這個方案。

橢圓腔的變種-雙橢圓反射腔，可以裝兩個燈，同時方便的水冷，達到很好的大能量准連續輸出效果，許多80年代的激光武器都是這樣做的。有能力加工的可以考慮一下這種形式。圖裡是截面結構和一篇論文里用ZEMAX軟體模擬出來的棒子截面光密度，光斑質量不是太好但是能夠達到很大的能量，例如40mm直徑90cm長的釹玻璃棒用這種結構做到2000J脈衝輸出，這需要100kJ的電容儲能，每一根閃光燈分擔50KJ能量，易於減小體積同時方便水冷。

2.緊裹漫反射腔體

效率不必橢圓腔差多少，水冷的話可以用陶瓷、橡膠做

，無需拋光，大大降低工藝難度，成為90%以上工業用途所採用的方法。一個比較簡易的方法是用鋁箔紙緊裹，輕鬆達到90%以上的效率，如果用銅皮鍍銀箔的話能進一步增高效率，結構一樣簡單。

一篇論文中模擬出來的結果很好，光斑質量已經讓人滿意。

考慮到有些設備對反射腔效率要求很高，這是兩種常用抗腐蝕、光學性能優良的鍍層反射材料（金、銀）的反射率vs波長，參考表格。

金從500多納米開始反射，這就使得它不適合紅寶石激光器（大部分在紫外、綠光吸收），而適合YAG激光器（紫外會抑制激光的效率）。然而銀的發射波長範圍更大，使得銀更適合用於紅寶石激光器，儘管在紅外範圍性能不如金，但是差別不是太大。