[科普中國(guó)]-激光墨線儀

激光墨線儀分為手動(dòng)、自動(dòng)校正水平兩種。

簡(jiǎn)介激光墨線儀分為手動(dòng)、自動(dòng)校正水平兩種，校正完畢后，使用開(kāi)關(guān)啟動(dòng)投射水平激光線及垂直激光線，作為施工參考依據(jù)，因激光投射強(qiáng)度不同，實(shí)際可見(jiàn)范圍亦有差異。1

激光原理輻射電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級(jí)，電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)釋放出相應(yīng)能量的電磁波（所謂自發(fā)輻射）。一般的發(fā)光體中，這些電子釋放光子的動(dòng)作是隨機(jī)的，所釋放出的光子也沒(méi)有相同的特性，例如鎢絲燈發(fā)出的光。

當(dāng)外加能量以電場(chǎng)、光子、化學(xué)等方式注入到一個(gè)能級(jí)系統(tǒng)并為之吸收的話，會(huì)導(dǎo)致電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，當(dāng)自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子碰到這些因外加能量而躍上高能級(jí)的電子時(shí)，這些高能級(jí)的電子會(huì)因受誘導(dǎo)而遷到低能級(jí)并釋放出光子（所謂受激輻射），受激輻射的所有光學(xué)特性跟原來(lái)的自發(fā)輻射包括：頻率、相位、前進(jìn)方向等會(huì)是一樣的，這些受激輻射的光子碰到其他因外加能量而躍上高能級(jí)的電子時(shí)，又會(huì)再產(chǎn)更多同樣的光子，最后光的強(qiáng)度越來(lái)越大（即光線能量被放大了），而與一般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位(同調(diào)性)、前進(jìn)方向。

要做到光放大，就要產(chǎn)生一個(gè)高能級(jí)電子比低能量級(jí)電子數(shù)目多的環(huán)境，即居量反轉(zhuǎn)，這樣才有機(jī)會(huì)讓高能級(jí)電子碰上光子來(lái)釋放新的光子，而不是隨機(jī)釋放。

一般激光產(chǎn)生器有三個(gè)基本要素：

“激發(fā)來(lái)源”（pumping source）：又稱(chēng)“泵浦源”，把能量供給低能級(jí)的電子，激發(fā)使其成為高能級(jí)電子，能量供給的方式有電荷放電、光子、化學(xué)作用…。

“增益介質(zhì)”（gain medium）：被激發(fā)、釋放光子的電子所在的物質(zhì)，其物理特性會(huì)影響所產(chǎn)生激光的波長(zhǎng)等特性。

“共振腔”（optical cavity/optical resonator）：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來(lái)回反射，目的是使被激發(fā)的光多次經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)以得到足夠的放大，當(dāng)放大到可以穿透半反射鏡時(shí)，激光便從半反射鏡發(fā)射出去。因此，此半反鏡也被稱(chēng)為輸出耦合鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離也對(duì)輸出的激光波長(zhǎng)有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產(chǎn)生共振的波長(zhǎng)才能產(chǎn)生激光。

居量反轉(zhuǎn)（population inversion）在一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)中，一個(gè)電子自低能級(jí)向高能級(jí)躍遷和自高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的概率是一樣的。為了達(dá)到光放大的作用，在高能級(jí)必須有更多的電子，使得受激輻射發(fā)生的概率更高。這個(gè)狀態(tài)稱(chēng)為居量反轉(zhuǎn)。出于這個(gè)原因，所以以光子激發(fā)的二級(jí)系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光的，所以激光一般是以通過(guò)三級(jí)系統(tǒng)和四級(jí)系統(tǒng)得到實(shí)現(xiàn)。在三級(jí)系統(tǒng)中，電子受激躍遷到高能級(jí)后，便很快轉(zhuǎn)為亞穩(wěn)態(tài)。由此激光媒介被激發(fā)為高能態(tài)，居量反轉(zhuǎn)得到實(shí)現(xiàn)。

種類(lèi)和工作原則激光器的分類(lèi)有很多方式，例如按照工作狀態(tài)、工作物質(zhì)的種類(lèi)、輸出波長(zhǎng)的波段、輸出激光波長(zhǎng)是否可以調(diào)節(jié)、激光器的用途等特點(diǎn)分類(lèi)。

按工作狀態(tài)分連續(xù)激光器

脈沖激光器

電光調(diào)Q

聲光調(diào)Q

染料調(diào)Q

調(diào)Q（輸出脈寬可以達(dá)到納秒級(jí)別）通過(guò)改變諧振腔的Q值，把儲(chǔ)存在激活媒質(zhì)中的能量瞬時(shí)釋放出來(lái)，以獲得一定脈沖寬度的激光強(qiáng)輻射的方法。Q：品質(zhì)因數(shù)，用來(lái)表示諧振腔的質(zhì)量，定義為Q=(2π/T)*（諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量/每秒損失的能量）、T為周期時(shí)間

鎖模（輸出脈寬可以壓縮到飛秒級(jí)別）

按工作物質(zhì)分根據(jù)產(chǎn)生激光的媒質(zhì)，可以把激光器分為液體激光器、氣體激光器和固體激光器等。而現(xiàn)在最常見(jiàn)的半導(dǎo)體激光器算是固體激光器的一種。

氣體激光器

介質(zhì)是氣體的激光器，此種激光器通過(guò)放電得到激發(fā)。

氦氖激光器：最重要的紅光放射源（632.8 nm）。一般功率比較低（0.5~50 mW）。

二氧化碳激光器：波長(zhǎng)約10.6 μm（紅外線），重要的工業(yè)激光。

一氧化碳激光器：波長(zhǎng)約6-8 μm（紅外線），只在冷卻的條件下工作。

氮?dú)饧す馄鳎?37.1 nm（紫外線）。

氬離子激光器：具有多個(gè)波長(zhǎng)，457.9 nm（8%）、476.5 nm（12%）、488.0 nm（20%）、496.5 nm（12%）、501.7 nm（5%）、514.5 nm（43%，由藍(lán)光到綠光）。功率從15mW到50W。激光表演中最常用的。

氦鎘激光器：最重要的藍(lán)光（442nm）和近紫外激光源（325nm）。

氪離子激光器：具有多個(gè)波長(zhǎng)，350.7nm、356.4nm、476.2nm、482.5nm、520.6nm、530.9nm、586.2nm、647.1nm（最強(qiáng)）、676.4nm、752.5nm、799.3nm（從藍(lán)光到深紅光）。功率可到6W，能耗較大，價(jià)格較高。

氧離子激光器

氙離子激光器

混合氣體激光器：不含純氣體，而是幾種氣體的混合物（一般為氬、氪等）。

準(zhǔn)分子激光器：比如KrF（248 nm）、XeF（351-353 nm）、ArF（193 nm）、XeCl（308 nm）、F2（157 nm，均為紫外線)。

金屬蒸汽激光器：比如銅蒸汽激光器，波長(zhǎng)介于510.6-578.2 nm之間。由于很好的加強(qiáng)性，可以不用諧振鏡。

金屬鹵化物激光器：比如溴化銅激光器，波長(zhǎng)介于510.6-578.2 nm之間。由于很好的加強(qiáng)性，可以不用諧振鏡。

化學(xué)激發(fā)激光器是一種特殊的形式。激發(fā)通過(guò)媒介中的化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行。媒介是一次性的，使用后就被消耗掉了。對(duì)于高功率的條件及軍事領(lǐng)域是非常理想的。

鹽酸激光器

碘激光器

固體激光器

介質(zhì)是固體的激光器，此種工作物質(zhì)通過(guò)燈、半導(dǎo)體激光器陣列、其他激光器光照泵浦得到激發(fā)。熱透鏡效應(yīng)是大多數(shù)固體激光器的一項(xiàng)缺陷。

紅寶石激光器：世界上第一臺(tái)激光器，1960年7月7日，美國(guó)青年科學(xué)家梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器誕生，這臺(tái)激光器就是紅寶石激光器。

摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器：最常用的固體激光器，工作波長(zhǎng)一般為1064nm，這一波長(zhǎng)為四能級(jí)系統(tǒng)，還有其他能級(jí)可以輸出其他波長(zhǎng)的激光。常透過(guò)KTP, BBO, LBO 等非線性晶體轉(zhuǎn)換為 532nm, 355nm, 266nm 波長(zhǎng)光源。

摻釹釩酸釔（Nd:YVO4）激光器：低功率應(yīng)用最廣泛的固體激光器，工作波長(zhǎng)一般為1064nm，可以通過(guò)KTP,LBO非線性晶體倍頻后產(chǎn)生532nm的激光進(jìn)行波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換。

摻鐿釔鋁石榴石（Yb:YAG）激光器：適用于高功率輸出，這種材料的碟片激光器在激光工業(yè)加工領(lǐng)域有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

鈦藍(lán)寶石激光器：具有較寬的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍（670nm～1200nm）

光纖激光器：用摻有稀土元素的玻璃(SiO2)光纖作為增益介質(zhì)。

半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是電驅(qū)動(dòng)的二極管。施加電流產(chǎn)生的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用的光增益。在晶體的解理面端點(diǎn)處的反射形成光學(xué)諧振腔，通常是利用兩種不同的材料來(lái)形成共振腔，盡管有些設(shè)計(jì)是把諧振腔放在半導(dǎo)體晶體的外面。

商業(yè)激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)是從375nm到3500nm。低到中等功率激光二極管被應(yīng)用于激光打印機(jī)和CD/DVD播放機(jī)。應(yīng)用于工業(yè)切割焊接，工業(yè)激光二極管的最高功率已經(jīng)達(dá)到了10 kW (70dBm)。

染料激光器

染料激光器使用有機(jī)染料作為增益介質(zhì)。

自由電子激光器

自由電子激光器（Free electron lasers），或FEL，是以自由電子為工作物質(zhì)，將高能電子束的能量轉(zhuǎn)換成激光的裝置，具有短波長(zhǎng)、大功率、高效率和波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)的特性，波長(zhǎng)從微波，到太赫茲輻射和紅外線，到可見(jiàn)光譜，到軟X-射線。

Bio laser

活細(xì)胞可以基因改造工程產(chǎn)生綠色螢光蛋白（GFP）。綠色螢光蛋白（GFP）被用作激光的“增益介質(zhì)”，光放大就發(fā)生在GFP。

光子學(xué)晶體激光

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟(jì)大學(xué)