3.4 激光简介

激光是由受激发的光子经过模式竞争和谐振腔选模作用后获得的受激放大的光。由于激光具有单色、相干、定向、高能量密度和线性偏振等特性，它在非接触式燃烧诊断中得到了广泛的应用。

激光的英文单词“Laser”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写。与传统光源相比，激光具有很多自身特点，表3.1列出了激光与传统光源特性比较。

表3.1 激光与传统光源特性比较

激光器的基本组成结构为：泵浦源、工作介质和凹面反射镜，如图3.5所示。泵浦源为激光的初始能源提供装置，它的主要目的是产生工作介质转换成激光的能量，它通常为其他激光器或者闪光灯。工作介质通过受激辐射过程产生大量偏振一致、传播方向相同的光子，工作介质可为气相、液相和固相。这些光子通过凹面反射镜被放大，反射镜分为全反射镜和部分反射镜，激光由部分反射镜输出。

图3.5 激光器的基本结构［3］

按照工作介质的形态不同，可以将激光器划分为气体激光器、液体激光器和固体激光器。按照工作方式不同又可将激光器分为连续激光器和脉冲激光器。下面对以下几种典型的激光器做简单介绍。

Nd:YAG激光器：此激光器以钇铝石榴石为基质，钕离子（Nd3+）为激活粒子。它属于四能级系统，发出的初始光波长为1064nm，在紫外光和可见光范围内产生三种波长的激光，分别为532nm（第二能级），335nm（第三能级）和266nm（第四能级）。其中，最为常见的Nd:YAG激光器类型为闪光灯泵浦调Q振荡放大Nd:YAG激光器，它可以在532nm产生脉宽10ns，能量为1J的激光，通常这种激光脉冲频率为10Hz或者20Hz。Nd:YAG激光器在喷雾燃烧测试中广泛应用于瑞利拉曼散射（532nm、335nm、266nm）、PIV（532nm）、LII（532nm、1064nm）和LIF（甲醛355nm，燃油示踪266nm、355nm）等。

染料激光器（Dye laser）：染料激光器在可调谐相干光源中是一种应用广泛的激光器。它的工作介质是溶在液体溶剂中的有机染料分子。一种染料可覆盖光谱范围约为几十纳米到一百纳米。因此使用多种染料即可覆盖300~1300nm的光谱区。它的工作方式有脉冲和连续工作两种。与多数气体可调谐激光光源比较，它具有光谱分辨率高、时间分辨率高、结构简单、价格相对便宜等特点。染料激光器一般选用闪光灯或者其他激光器（如YAG激光器）为泵浦源。激光器作为泵浦源可产生更高质量和更好光谱特性的激光光束。

准分子激光器（Excimer laser）：此激光器是一种紫外线可调谐激光器。所谓准分子，是指这样一种气体，只有在被激发时，在激活态才聚合成分子，而在准基态时，则极不稳定而离解为原子或离子。准分子激光器发射的波长大都在100~400nm范围内。常用的激光波长有ArF（193nm）、KrF（248nm）、XeCl（308nm）等。准分子激光器要求的泵浦功率必须足够高，常采用高压大电流的电子束或快速横向放电激励，而且还要求有较高的工作气体密度，以产生足够的准分子。准分子是一种频率较高的脉冲激光器，可在0.5~200Hz之间。脉冲能量为10~1000mJ，平均功率为1~40W，脉冲宽度为10~25ns。

氦-氖（He-Ne）激光器和氩离子（Arion）激光器：这两种都是连续的气体激光器。其中，氩离子激光器主要输出能量约10W，波长为488nm和514nm的激光，此激光器比较常用于激光多普勒测速系统（LDV）中。氦-氖激光器是在可见光区域（633nm）比较常用的激光器，这种激光器的输出能量从1mW到超过10mW，常用于LDV或者消光系统中，有时也会用到光学系统的校正过程中。

几种激光器特性的总结见表3.2。

表3.2 几种常用于喷雾燃烧测量的激光器的特性