典型激光器的比较.

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1、典型激光器 1、 常见激光器概述 按激光工作介质： 固体激光器 (光纤激光器） 气体激光器 半导体激光器 染料激光器 自由电子激光器 激光器的分类激光器的分类 按化学组成： 原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器 准分子激光器 已记录到的激光振荡波长有一万种以上。 激光运转方式: 连续 脉冲 单脉冲 重复频率 准连续 激光调制方式 自由运转 调Q 锁模 1. 固体激光器 分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。 目前已实现激光振荡的不同基质掺杂体系的 工作物质有200多种，但是，性能好，使用广泛的主 要有下面三种。 （1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质

2、 = 1.053 m 由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可制成大 型器件，获得高能量和功率的激光，现已制成输出功率 1014W激光器。 （2）红宝石激光器 工作方式：连续、脉冲 发 散 角 ： 10-3rad，一般为多模输出； 泵浦功率阈值1020%单模 工作物质：红宝石晶体 输出波长： 输出线宽： （3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG） 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲 工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。

3、 Applications Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究 （4）连续波可调谐钛蓝宝石激光器 3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser 输出波长从675到1100nm 由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦 TEM00输出功率可达3.5W cw The high-performance, tunable, solid state IR laser 2. 气体激光器 工作物质

4、:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm4mm) 工作方式：连续运转（大多数） 多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。 原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。 （1）氦-氖激光器 工作物质：氦氖混合气体 激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件 ，提高激光器输出功率的作用。 输出波长：常用的为 =632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。 （=3.39m ；=1.15m） （2）CO2 激光器 工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射，其

5、它气体协助改善激 光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用 寿命。 输出波长： =10.6m CO2 激光器是输出 功率最高的气体激光 器，有连续输出50kW ；脉冲输出1012W的激 光器。 （3）氩离子气体激光器 输出波长： =488nm； =514.5 nm ； 在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦几百瓦。 氩/氪离子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser 氦-镉激光器 以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为125mW和1100mW。主 要应用领域包括活字印

6、刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。 俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器 铜蒸气激光器 一般通过电子碰撞激励，两条主要的工作谱线是 波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光，典型脉冲宽度 1050nS，重复频率可达100KHz。当前水平一个脉冲 的能量为1mJ左右。这就是说，平均功率可达100W，而 峰值功率则高达100KW。 氮分子激光器VSL-337ND -S Nitrogen Laser 脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦， 脉宽小于10nS，重复频率数十Hz数千Hz，主要用作染 料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、医学及 光化学方面。常见波长

7、：337.1nm、357.7nm （3）氮分子激光器 3. 半导体激光器 特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。 输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。 由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。 DFB半导体激光器示意图 DBR半导体激光器示意图 垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL） 量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs) 基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。 光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件 ProLi

8、te型光纤耦合单发射激光器 2、 常见激光器工作特性 1、固体激光器 A、固体激光器基本结构及特性 1.激光工作物质 2.泵浦源 3.聚光腔 4.谐振腔 5.冷却系统 固体激光器的能量转换 固体激光器阈值 阈值条件： 即 受激辐射截面 红宝石2.5E-20 cm2 Nd3+:YAG2788E-20 cm2 Nd3+:Glass3E-20 cm2 阈值反转粒子数： 光谱特性 多纵模工作 空间烧孔效应 高增益 多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模 高注入，高输出伴随激光线宽增加 激光束的方向性 激光的偏振特性 u偏振性主要取决于工作物质 u各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力 双折射，激光

9、输出具有部分偏振特性。 u在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏 振性 B、固体工作物质 基质 氧化物：Al2O3，YAG，YAP 磷酸盐，硅酸盐： CaWO4 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐： YVO4 氟化物: YLF 玻璃：磷酸盐、硅酸盐 1. 稀土离子 钕（Nd3） 实现了100多种基质中获得受激发射 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率 的受激发射 铒（Er3） 实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2， 玻璃基质中的受激发射。 1.531.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。 常用的Er3:YAG经敏化，最易其振，输出波长为 2.

10、9um。 钬（Ho3） 掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长1.9-2.1um 掺Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收 闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。 激活离子 铥（Tm3） 与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二 极管泵浦激光输出。 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和 1.965um的可调输出 镨Pr3，钆Gd3，铕Eu3，镱Yb3，铈Ce3 二极管泵浦的Yb:YAG激光器 二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器 钐Sm2，镝Dy2，铥Tm2 液氮

11、冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。 2. 锕系离子 掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um 。 3. 过渡金属 铬（Cr3+) 红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金 绿宝石，翠绿宝石，Cr3：BeAl2O4） 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3：AL2O3） Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。 敏化剂 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。 1、红宝石的基本特性 Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体 吸收光谱 能

12、级结构 掺杂浓度1.58E19(cm-3) 受激辐射截面2.5E-20(cm2) 波长694.3nm 荧光寿命3.0ms 量子效率0.7 谱线线宽11(cm-1)，5.3(埃) Nd:YAG的基本特性 Nd3:Y3Al5O12立方晶系，光学各向同性 掺杂浓度1.38E20(cm-3) 受激辐射截面88E-20(cm2) 波长1064nm 荧光寿命230us 量子效率1 谱线线宽4.5(埃) 吸收光谱 发射光谱 Emission Pumping Ti:Sapphire 钛蓝宝石 可调谐（660-1180nm） Er:YAG 其它固体工作物质 C、固体激光器的光泵浦系统 1、惰性气体灯 结构 管壁

13、 电极 接头 气体 脉冲灯的发射光谱 2、激光二极管 光谱特性 1、端面泵浦 2、侧面泵浦 3、基于内反射的泵浦构型 A、泵浦方式 3、泵浦耦合技术 B、耦合光学系统 聚光腔聚光腔 3、泵浦耦合技术 聚光腔材料选择 金属：铝轻型系统 铜热膨胀系数小，导热率高 不锈钢不生锈，光洁度高，热导率低 玻璃：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀 陶瓷：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀 金属材料的反射率 B、耦合光学系统 3、泵浦耦合技术 C、LD泵浦全固态激光器（DPSSL）的的技术发展 平均功率：110W 重复频率：130kHz; 脉宽：230ns 不稳定性: 1 atm 一定压力的CO2, N2, He混合

14、的气体分子激光器 v 波长 9-11um，最常见10.6um v 效率高，功率范围大（几瓦几万瓦） v 光束质量好 v 运行方式多样，结构多样 CO2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能级 抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用 ，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的 激光输出起到强有力的作用。 44 CO2激光器结构图 1、激光管，包括：放电管、水冷套管和储气管； 2、光学谐振腔，常用平凹腔，反射镜镀金膜，反射率达98.8 且化学性质稳定。反射镜需要应用透红外光的材料. 3、电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电 极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。3040m

15、A的工作电流，阴 极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染。 45 激励 或 或 受激辐射 下能级排空(碰撞排空) 工作过程 放电，气体电离产生电子 46 激光器类型 v封离型纵向激励CO2激光器 v高功率轴快流CO2激光器 v高功率横流CO2激光器 v横向激励高气压CO2激光器（TEA） v波导CO2激光器 运行方式运行方式 47 48 He-Ne激光器 v 气体原子激光器 v 输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以632.8nm为最 常见。 v 功率在mW级，最大1W v 光束质量好，发散角可小于1mrad v 单色性好，带宽可小于20Hz v 稳定性高 工作物质：He Ne混合气体，体积比8：2，少量N2 49 工作过程 形成粒子数反转(能级寿命上10-7s :下10-8s) 2、He与电子碰撞 1、放电：He电离产生电子 3、能量共振转移 50 4、受激辐射 5、紫外辐射 6、下能级排空 通过Ne与管壁的碰撞，管 壁发热放电管很细（2-3mm）， 加大碰撞几率，利于碰撞发生。 51 Ar离子激光器 v 气体离子激光器 v 连续工作的氩离子激光器可以有9条蓝绿光谱线。 主要波长488nm，514.5nm v 常见功率几十瓦，最高500W v 直流放电泵浦，能量转换效率低 激光跃迁上能级粒子数集聚主要有三种 途径： a，基态氩离子与电子碰