3.4 激光簡介

激光是由受激發(fā)的光子經(jīng)過模式競爭和諧振腔選模作用后獲得的受激放大的光。由于激光具有單色、相干、定向、高能量密度和線性偏振等特性，它在非接觸式燃燒診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。

激光的英文單詞“Laser”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫。與傳統(tǒng)光源相比，激光具有很多自身特點(diǎn)，表3.1列出了激光與傳統(tǒng)光源特性比較。

激光器的基本組成結(jié)構(gòu)為：泵浦源、工作介質(zhì)和凹面反射鏡，如圖3.5所示。泵浦源為激光的初始能源提供裝置，它的主要目的是產(chǎn)生工作介質(zhì)轉(zhuǎn)換成激光的能量，它通常為其他激光器或者閃光燈。工作介質(zhì)通過受激輻射過程產(chǎn)生大量偏振一致、傳播方向相同的光子，工作介質(zhì)可為氣相、液相和固相。這些光子通過凹面反射鏡被放大，反射鏡分為全反射鏡和部分反射鏡，激光由部分反射鏡輸出。

按照工作介質(zhì)的形態(tài)不同，可以將激光器劃分為氣體激光器、液體激光器和固體激光器。按照工作方式不同又可將激光器分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。下面對以下幾種典型的激光器做簡單介紹。

Nd:YAG激光器：此激光器以釔鋁石榴石為基質(zhì)，釹離子（Nd3+）為激活粒子。它屬于四能級系統(tǒng)，發(fā)出的初始光波長為1064nm，在紫外光和可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生三種波長的激光，分別為532nm（第二能級），335nm（第三能級）和266nm（第四能級）。其中，最為常見的Nd:YAG激光器類型為閃光燈泵浦調(diào)Q振蕩放大Nd:YAG激光器，它可以在532nm產(chǎn)生脈寬10ns，能量為1J的激光，通常這種激光脈沖頻率為10Hz或者20Hz。Nd:YAG激光器在噴霧燃燒測試中廣泛應(yīng)用于瑞利拉曼散射（532nm、335nm、266nm）、PIV（532nm）、LII（532nm、1064nm）和LIF（甲醛355nm，燃油示蹤266nm、355nm）等。

染料激光器（Dye laser）：染料激光器在可調(diào)諧相干光源中是一種應(yīng)用廣泛的激光器。它的工作介質(zhì)是溶在液體溶劑中的有機(jī)染料分子。一種染料可覆蓋光譜范圍約為幾十納米到一百納米。因此使用多種染料即可覆蓋300~1300nm的光譜區(qū)。它的工作方式有脈沖和連續(xù)工作兩種。與多數(shù)氣體可調(diào)諧激光光源比較，它具有光譜分辨率高、時(shí)間分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格相對便宜等特點(diǎn)。染料激光器一般選用閃光燈或者其他激光器（如YAG激光器）為泵浦源。激光器作為泵浦源可產(chǎn)生更高質(zhì)量和更好光譜特性的激光光束。

準(zhǔn)分子激光器（Excimer laser）：此激光器是一種紫外線可調(diào)諧激光器。所謂準(zhǔn)分子，是指這樣一種氣體，只有在被激發(fā)時(shí)，在激活態(tài)才聚合成分子，而在準(zhǔn)基態(tài)時(shí)，則極不穩(wěn)定而離解為原子或離子。準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的波長大都在100~400nm范圍內(nèi)。常用的激光波長有ArF（193nm）、KrF（248nm）、XeCl（308nm）等。準(zhǔn)分子激光器要求的泵浦功率必須足夠高，常采用高壓大電流的電子束或快速橫向放電激勵(lì)，而且還要求有較高的工作氣體密度，以產(chǎn)生足夠的準(zhǔn)分子。準(zhǔn)分子是一種頻率較高的脈沖激光器，可在0.5~200Hz之間。脈沖能量為10~1000mJ，平均功率為1~40W，脈沖寬度為10~25ns。

氦-氖（He-Ne）激光器和氬離子（Arion）激光器：這兩種都是連續(xù)的氣體激光器。其中，氬離子激光器主要輸出能量約10W，波長為488nm和514nm的激光，此激光器比較常用于激光多普勒測速系統(tǒng)（LDV）中。氦-氖激光器是在可見光區(qū)域（633nm）比較常用的激光器，這種激光器的輸出能量從1mW到超過10mW，常用于LDV或者消光系統(tǒng)中，有時(shí)也會用到光學(xué)系統(tǒng)的校正過程中。

幾種激光器特性的總結(jié)見表3.2。