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什么是激光器,激光器的种类和分类都有哪些

发布日期:2018-08-07

目前常见的激光器种类,激光器分类按工作介质分气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器5大类,近来还发展了自由电子激光器。大功率激光器通常都脉冲方式输出已获得较大的峰值功率。


单脉冲激光指的是几分钟才输出一个脉冲的激光,重频激光指的是每分钟输出几次到每秒输出数百次甚至更高的激光。


一、气体激光器


1.He-Ne激光器:典型的惰性气体原子激光器,输出连续光,谱线有63


2.8nm(最常用), 1015nm,3390nm,近来又向短波延伸。这种激光器输出地功率最大能达到1W,但光束质量很好,主要用于精密测量,检测,准直,导向,水中照明,信息处理,医疗及光学研究等方面。


2.Ar离子激光器:典型的惰性气体离子激光器,是利用气体放电试管内氩原子电离并激发,在离子激发态能级间实现粒子数反转而产生激光。它发射的激光谱线在可见光和紫外区域,在可见光区它是输出连续功率最高的器件,商品化的最高也达30-50W。它的能量转换率最高可达0.6%,频率稳定度在3E-11,寿命超过1000h,光谱在蓝绿波段(488/514.5),功率大,主要用于拉曼光谱、泵浦染料激光、全息、非线性光学等研究领域以及医疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。


3.CO2激光器:波长为9~12um(典型波长10.6um)的CO2激光器因其效率高,光束质量好,功率范围大(几瓦之几万瓦),既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中最重要的,用途最广泛的一种激光器。主要用于材料加工,科学研究,检测国防等方面。常用形式有:封离型纵向电激励二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、轴快流高功率二氧化碳激光器、横流高功率二氧化碳激光器。


4.N2分子激光器:气体激光器,输出紫外光,峰值功率可达数十兆瓦,脉宽小于10ns,重复频率为数十至数千赫,作可调谐燃料激光器的泵浦源,也可用于荧光分析,检测污染等方面。


5.准分子激光器:以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用电子束(能量大于200千电子伏特)或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时,受激态的能量以激光辐射的形式放出。准分子激光物质具有低能态的排斥性,可以把它有效地抽空,故无低态吸收与能量亏损,粒子数反转很容易,增益大,转换效率高,重复率高,辐射波长短,主要在紫外和真空紫外(少数延伸至可见光)区域振荡,调谐范围较宽。它在分离同位素,紫外光化学,激光光谱学,快速摄影,高分辨率全息术,激光武器,物质结构研究,光通信,遥感,集成光学,非线性光学,农业,医学,生物学以及泵浦可调谐染料激光器等方面已获得比较广泛的应用,而且可望发展成为用于核聚变的激光器件。


二、固体激光器






1.YAG激光器:可分为:Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、Er-YAG 晶体。


Nd-YAG激光器:固体激光器,1064nm,Nd-YAG目前综合性能最为优异的激光晶体,连续激光器的最大输出功率1000W,广泛用于军事、工业和医疗等行业。若采用连续的方式运转,采用一级振荡可以获得400W的多模输出,若要输出在百瓦级的激光器,采用单灯单
棒,200W以上的采用双灯单棒结构。Nd-YAG激光器不仅适合连续,而且在高重频下运转性能也很优越。重频可达100~200次/s,最高平均功率可400w。采用多级串联来实现高功率输出,目前平均功率最高可达到上600~800瓦,重频可达80~200次/s,单脉冲能量可达80J。


Ce-Nd-YAG激光器:在Nd-AG晶体的基础上添加Ce离子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce离子能对紫外光谱区光子能量产生很好的吸收,并且将能量以无辐射跃迁的方式传递给Nd离子,从而增加了光谱的利用率,因此效率高、阈值低、重复频率特性好。


Yb-YAG激光器:Yb3+掺入YAG基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体,其与Nd-YAG属于同一种基质,但由于掺杂不同而导致生长工艺有所不同。掺Yb-YAG由于量子效率高,晶体光谱简单,无激发态吸收和上转换,且无荧光浓度猝灭,掺杂浓度高,有较长的荧光寿命,吸收带带宽比Nd-YAG宽得多,能与二极管的泵浦波长有效耦合。在相同的输入功率下,Yb-YAG泵浦生热仅为Nd-YAG的1/4。而且YAG基质的物化特性综合性能最为优良,所以Yb-YAG已成为最引人注目的固体激光介质之一,LD泵浦的高功率Yb-YAG固体激光器成为新的研究热点,并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。


Ho-YAG激光器:可产生对人眼安全的2097nm和2091nm激光,主要适用于光通信,雷达和医学应用。Ho-YAG激光器对冷却和干燥度有严格的要求,水冷控制在10摄氏度以下。干燥装置要确保没有水蒸气的影响。处于对人眼安全波段的范围内,由于水吸收大,穿透深度非常浅,大大降低了对人体特别是对眼睛的意外伤害的可能性。


Er-YAG激光器:输出2.9um的波长,能被水吸收,主要应用在医学中。该晶体主要吸收可见光和紫外光,所以光腔反射镜的材料多使用又高反射的铝和银。目前Er-YAG激光器的最大输出功率可达3瓦,最大脉冲输出可达到5J。是迄今输出功率最大的效率最高的长波长固体激光器。人体对2940nm的吸收是10640nm的十倍,所以激光外科和血管外科有很大的应用潜力。


2.红宝石激光器:红宝石只能在低温条件下实现连续输出,而且阈值很高,所以至今还没有造出在室温下工作的输出连续的红宝石激光器。适合做单次或低重频的脉冲激光器。单脉冲能量可达1~20J,重频5~10,单脉冲能量可达1J左右。


3.铷玻璃激光器:铷玻璃也在室温下难以运转。适合做单次或低重频的脉冲激光器。重频限制在5次/s,单次脉冲能量可达10~80J。


三、半导体二极管激光器


半导体二极管激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。发光波长随禁带宽度而改变。


半导体激光器的激励方式主要有三种:即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。


电注入式半导体激光器一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟),Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射。


光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励。


高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO 等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励。






目前最最常用的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器,常见为635红光;氮化铟镓(InGaN) 二极管激光器,常见为532绿光和405蓝光。二极管激光器发射的激光可以用高斯光束来进行描述,其特点是一个长条形的发射体,且在水平和垂直方向的发射角不同。通常在水平只有几度,而垂直可达40度。在大多光耦合技术中,水平角忽略不计,
将垂直的角作为而激光激光器的发散角。


主要应用于电子信息。光纤通信、光传感、光盘、激光打印、条形扫码、集成光学领域。


400~780nm应用用于条形扫描、检测、光存储、激光打印等。


790~1020nm的应用于条形扫码、激光打印、光存储等领域。近年来大功率半导体激光器已经有长足的进步,连续输出功率可达1~20w。


1300 与1550 分别在硅光纤零色散和最低损耗窗口,相应的半导体主要用于长距离大容量干线光通信。


介于1300 与1550之间的1480近年来输出功率可达50~100mw。


四、染料激光器


其突出的优点是输出波长可调谐,它不仅可以获得从0.3~1.3um光谱内的可调谐的窄带高功率激光,而且还可以通过混频技术获得从紫外到中红外的可调谐相干光,因此目前主要用于光谱学研究。


五、光纤激光器


光纤激光器应用范围非常广泛,包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势;玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配,这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故;玻璃材料具有极低的体积面积比,散热快、损耗低,所以上转换效率较高,激光阈值低;输出激光波长多:这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多;可调谐性:由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片,具有免调节、免维护、高稳定性的优点,这是传统激光器无法比拟的。光纤导出,使得激光器能轻易胜任各种三维任意空间加工应用,使机械系统的设计变得非常简单。胜任恶劣的工作环境,对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。不需热电制冷和水冷,只需简单的风冷。


高的电光效率:综合电光效率高达20%以上,大幅度节约工作时的耗电,节约运行成本。高功率,目前商用化的光纤激光器可达六千瓦。


六、自由电子激光器


输出的激光波长与电子的能量有关:故改变电子束的加速电压就可以改变激光波长,这叫做电压调谐,其调谐范围很宽,原则上可以在任意波长上运转。






在现有的电子枪和加速器的实验条件下,可以获得从毫米波到光频波段范围内的连续调谐的相干辐射。自由电子激光器的输出功率与电子束的能量、电流密度以及磁感应强度有关,它可望成为一种高平均功率、高效率(理论极限达40%)、高分辨率的具有稳定功率和频率输出的激光器件,采用它能够避免某些工艺上的麻烦(如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀金属、玻璃),另外,它基本上不存在使用寿命问题。自由电子激光器在短波长、大功率、高效率和波长可调节这四大主攻方向上,为激光学科的研究开辟了一条新途径,它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究,在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域,它应用的前景也很可观。美国机载激光武器系统机载激光武器系统所使用的就是高能化学碘氧自由电子激光器(COIL)。


七、二极管泵浦固体激光器
二极管激光器和二极管泵浦的固体激光器现已成为固体激光器发展的主流,合并转换效率高,稳定性好,可靠性高,是至今唯一不需维护的激光系统,输出质量高,体积小,结构紧凑等特点。二极管泵浦固体激光器的关键技术:光耦合技术,泵浦技术,冷却技术与电源技术。这种激光器输出功率可以大范围变化,即从几十瓦到几千瓦,市场上商用最大的可达6000w.


八、固体紫外激光


目前主要有以下两种方式:


(1)直接倍频LD输出获得紫外激光。通过二次倍频红外得到紫外,具有较高的光光转换效率,但要求LD不仅能够输出较高,而且还必须实现单频运转。


(2)LD泵浦,非线性光学频率转换的紫外激光器。该方法主要是利用激光二极管的发射带与铷离子的吸收带符合的很好,减少能量的内积,从而降低热透镜效应,改善光束质量,获得很高的泵浦效率。


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