典型激光器的比較

典型激光器1、常見激光器概述按激光工作介質(zhì)：固體激光器

(光纖激光器）氣體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器自由電子激光器激光器的分類按化學(xué)組成：原子激光器分子激光器離子激光器自由電子激光器準(zhǔn)分子激光器已記錄到的激光振蕩波長(zhǎng)有一萬種以上。激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式:連續(xù)脈沖單脈沖重復(fù)頻率準(zhǔn)連續(xù)激光調(diào)制方式自由運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)Q鎖模1.固體激光器分為晶體和玻璃兩類，在基質(zhì)材料中摻入激活離子而制成。

目前已實(shí)現(xiàn)激光振蕩的不同基質(zhì)——摻雜體系的工作物質(zhì)有200多種，但是，性能好，使用廣泛的主要有下面三種。（1）釹玻璃激光器在玻璃中摻入稀土元素釹做工作物質(zhì)

=1.053μm

由于可獲得大體積均勻性良好的釹玻璃，因而可制成大型器件，獲得高能量和功率的激光，現(xiàn)已制成輸出功率1014W激光器。（2）紅寶石激光器工作方式：連續(xù)、脈沖發(fā)散角：

10-3rad，一般為多模輸出；泵浦功率>閾值10~20%→單模工作物質(zhì)：紅寶石晶體輸出波長(zhǎng)：輸出線寬：（3）摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）輸出波長(zhǎng)：

=1064nm、914nm、1319nm工作方式：連續(xù)、高重復(fù)率脈沖工作物質(zhì)：YAG晶體內(nèi)摻進(jìn)稀土元素釹

因可摻進(jìn)較高濃度的釹，故工作物質(zhì)單位體積能提供較高的激光功率，激光器也可作的比較小，若半導(dǎo)體激光器作泵浦源的器件體積更小。ApplicationsSpectroscopy光譜學(xué)

Fiberlaserresearch光纖激光器研究

Telecommunicationsresearch遠(yuǎn)程通信研究

Semiconductorstudies半導(dǎo)體研究（4）連續(xù)波可調(diào)諧鈦藍(lán)寶石激光器

3900SCWTunableTi:sapphireLaser輸出波長(zhǎng)從675到1100nm由Arlaser或LD泵浦532nm激光器泵浦TEM00輸出功率可達(dá)3.5WcwThehigh-performance,tunable,solidstateIRlaser2.氣體激光器

工作物質(zhì):各種混合氣體，光學(xué)均勻性好。氣體激光器在單色性、光束穩(wěn)定性方面比固體、半導(dǎo)體、液體激光器優(yōu)越。譜線已達(dá)數(shù)千種(160nm~4mm)工作方式：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（大多數(shù)）多數(shù)氣體激光器有瞬時(shí)功率不高的弱點(diǎn)。

原因：通常氣體氣壓低，單位體積內(nèi)粒子數(shù)少。（1）氦-氖激光器工作物質(zhì)：氦氖混合氣體

激光由氖原子發(fā)射，氦氣起改善氣體放電條件，提高激光器輸出功率的作用。輸出波長(zhǎng)：常用的為

=632.8nm

根據(jù)選擇的工作條件激光器可以輸出近紅外、紅光、黃光、綠光。（

=3.39μm；

=1.15μm）（2）CO2激光器工作物質(zhì)：CO2

、He、N2、Xe的混合氣體

激光由CO2分子發(fā)射，其它氣體協(xié)助改善激光器的工作條件，提高激光器輸出功率水平和使用壽命。輸出波長(zhǎng)：

=10.6μmCO2

激光器是輸出功率最高的氣體激光器，有連續(xù)輸出50kW；脈沖輸出1012W的激光器。（3）氬離子氣體激光器輸出波長(zhǎng)：

=488nm；

=514.5nm；

在可見光區(qū)輸出功率最高，輸出功率從幾瓦~幾百瓦。氬/氪離子激光器，Stabilite2017Argon/KryptonIonLaser氦-鎘激光器以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質(zhì)，主要有兩條連續(xù)譜線，即波長(zhǎng)為325nm的紫外輻射和441.6nm的藍(lán)光，典型輸出功率分別為1～25mW和1～100mW。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括活字印刷、血細(xì)胞計(jì)數(shù)、集成電路芯片檢驗(yàn)及激光誘導(dǎo)熒光實(shí)驗(yàn)等。俄羅斯PLASMA公司的氦鎘激光器銅蒸氣激光器一般通過電子碰撞激勵(lì)，兩條主要的工作譜線是波長(zhǎng)510.5nm的綠光和578.2nm的黃光，典型脈沖寬度10～50nS，重復(fù)頻率可達(dá)100KHz。當(dāng)前水平一個(gè)脈沖的能量為1mJ左右。這就是說，平均功率可達(dá)100W，而峰值功率則高達(dá)100KW。氮分子激光器VSL-337ND-SNitrogenLaser

脈沖放電激勵(lì)輸出紫外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十兆瓦，脈寬小于10nS，重復(fù)頻率數(shù)十Hz~數(shù)千Hz，主要用作染料激光器的泵浦源，也可用于光譜分析、檢測(cè)、醫(yī)學(xué)及光化學(xué)方面。常見波長(zhǎng)：337.1nm、357.7nm（3）氮分子激光器3.半導(dǎo)體激光器

特點(diǎn)：體積最小、重量最輕，使用壽命長(zhǎng)，有效使用時(shí)間超過10萬小時(shí)。輸出波長(zhǎng)范圍：紫外、可見、紅外輸出功率：mW、W、kW。由不同組分的半導(dǎo)體材料做成激光有源區(qū)和約束區(qū)的激光器。DFB半導(dǎo)體激光器示意圖DBR半導(dǎo)體激光器示意圖垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）量子級(jí)聯(lián)激光器(quantumcascadelasers,QCLs)基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。光纖耦合（尾纖型-pigtailpackage）半導(dǎo)體激光器件ProLite型光纖耦合單發(fā)射激光器2、常見激光器工作特性1、固體激光器A、固體激光器基本結(jié)構(gòu)及特性激光工作物質(zhì)泵浦源聚光腔諧振腔冷卻系統(tǒng)固體激光器的能量轉(zhuǎn)換固體激光器閾值閾值條件：即受激輻射截面紅寶石2.5E-20cm2Nd3+:YAG27~88E-20cm2Nd3+:Glass3E-20cm2閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)：光譜特性多縱模工作空間燒孔效應(yīng)高增益多模利用充分利用了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有利于鎖模高注入，高輸出伴隨激光線寬增加激光束的方向性激光的偏振特性偏振性主要取決于工作物質(zhì)各向同性介質(zhì)在應(yīng)力及熱效應(yīng)作用下導(dǎo)致應(yīng)力雙折射，激光輸出具有部分偏振特性。在諧振腔中有偏振元件，激光輸出也會(huì)具有偏振性B、固體工作物質(zhì)基質(zhì)氧化物：Al2O3，YAG，YAP磷酸鹽，硅酸鹽：CaWO4鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽：YVO4

氟化物:YLF玻璃：磷酸鹽、硅酸鹽稀土離子釹（Nd3＋）

實(shí)現(xiàn)了100多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射以0.9um，1.06um，1.35um為中心，可實(shí)現(xiàn)若干頻率的受激發(fā)射鉺（Er3＋）實(shí)現(xiàn)了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。1.53~1.66um內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長(zhǎng)。常用的Er3＋:YAG經(jīng)敏化，最易其振，輸出波長(zhǎng)為2.9um。鈥（Ho3＋）摻Er：Tm：Ho的YAG和YLF，輸出波長(zhǎng)1.9-2.1um摻Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收閃光燈泵浦能量。輸出波長(zhǎng)2.1um。激活離子銩（Tm3＋）與Cr或Ho一起實(shí)現(xiàn)YAG，YLF的高效閃光燈及二極管泵浦激光輸出。二極管泵浦Tm：YAG實(shí)現(xiàn)2.01um輸出二極管泵浦Tm：Ho：YAG實(shí)現(xiàn)2.09um輸出高效閃光燈泵浦Cr：Tm：YAG實(shí)現(xiàn)1.945um和1.965um的可調(diào)輸出鐠Pr3＋，釓Gd3＋，銪Eu3＋，鐿Yb3＋，鈰Ce3＋二極管泵浦的Yb:YAG激光器二極管泵浦的摻Y(jié)b的光纖激光器釤Sm2＋，鏑Dy2＋，銩Tm2＋液氮冷卻的作用下，CaF2中產(chǎn)生過激光作用。2.錒系離子摻0.05%鈾（U）的CaF2成功用于激光器，輸出2.6um。3.過渡金屬 鉻（Cr3+)紅寶石（Cr3+：AL2O3），紫翠寶石（綠寶石，金綠寶石，翠綠寶石，Cr3＋：BeAl2O4）鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，Ti3＋：AL2O3）Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。敏化劑在晶體中除了發(fā)光中心的激活離子外，再摻入一種或多種施主離子，主要作用是吸收激活離子不吸收的光譜能量，并將吸收到的能量轉(zhuǎn)移給激活離子。雙摻或多摻雜晶體生長(zhǎng)困難，工藝復(fù)雜。1、紅寶石的基本特性Cr3+:Al2O3六方晶系，負(fù)單軸晶體吸收光譜能級(jí)結(jié)構(gòu)摻雜濃度1.58E19(cm-3)受激輻射截面2.5E-20(cm2)波長(zhǎng)694.3nm熒光壽命3.0ms量子效率0.7譜線線寬11(cm-1)，5.3(埃)Nd:YAG的基本特性Nd3＋:Y3Al5O12立方晶系，光學(xué)各向同性摻雜濃度1.38E20(cm-3)受激輻射截面88E-20(cm2)波長(zhǎng)1064nm熒光壽命230us量子效率1譜線線寬4.5(埃)吸收光譜發(fā)射光譜?Emission?PumpingTi:Sapphire鈦藍(lán)寶石可調(diào)諧（660-1180nm）Er:YAG其它固體工作物質(zhì)C、固體激光器的光泵浦系統(tǒng)1、惰性氣體燈結(jié)構(gòu)管壁電極接頭氣體脈沖燈的發(fā)射光譜2、激光二極管光譜特性1、端面泵浦2、側(cè)面泵浦3、基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型A、泵浦方式3、泵浦耦合技術(shù)B、耦合光學(xué)系統(tǒng)聚光腔3、泵浦耦合技術(shù)聚光腔材料選擇金屬：鋁——輕型系統(tǒng)銅——熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高不銹鋼——不生銹，光潔度高，熱導(dǎo)率低玻璃：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕陶瓷：易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕金屬材料的反射率B、耦合光學(xué)系統(tǒng)3、泵浦耦合技術(shù)C、LD泵浦全固態(tài)激光器（DPSSL）的的技術(shù)發(fā)展平均功率：110W重復(fù)頻率：1~30kHz;脈寬：<230ns不穩(wěn)定性:<1.03%D、典型非線性變換全固態(tài)激光器41E、基于全固態(tài)激光器的激光電視422、氣體激光器CO2激光器He-Ne激光器Ar離子激光器準(zhǔn)分子激光器43CO2激光器>1atm

一定壓力的CO2,N2,He混合的氣體分子激光器波長(zhǎng)9-11um，最常見10.6um效率高，功率范圍大（幾瓦~幾萬瓦）光束質(zhì)量好運(yùn)行方式多樣，結(jié)構(gòu)多樣CO2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能級(jí)抽空。氮?dú)饧尤胫饕贑O2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。44CO2激光器結(jié)構(gòu)圖1、激光管，包括：放電管、水冷套管和儲(chǔ)氣管；2、光學(xué)諧振腔，常用平凹腔，反射鏡鍍金膜，反射率達(dá)98.8％且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料.3、電源及泵浦：封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30~40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染。45②激勵(lì)或或③受激輻射④下能級(jí)排空(碰撞排空)工作過程①放電，氣體電離產(chǎn)生電子46激光器類型封離型縱向激勵(lì)CO2激光器高功率軸快流CO2激光器高功率橫流CO2激光器橫向激勵(lì)高氣壓CO2激光器（TEA）波導(dǎo)CO2激光器運(yùn)行方式4748He-Ne激光器氣體原子激光器輸出譜線：632.8nm，1.15um，3.39um，以632.8nm為最常見。功率在mW級(jí)，最大1W光束質(zhì)量好，發(fā)散角可小于1mrad單色性好，帶寬可小于20Hz穩(wěn)定性高工作物質(zhì)：HeNe混合氣體，體積比8：2，少量N249工作過程形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(能級(jí)壽命上10-7s:下10-8s)2、He與電子碰撞1、放電：He電離產(chǎn)生電子3、能量共振轉(zhuǎn)移504、受激輻射5、紫外輻射6、下能級(jí)排空

通過Ne與管壁的碰撞，管壁發(fā)熱放電管很細(xì)（2-3mm），加大碰撞幾率，利于碰撞發(fā)生。51Ar離子激光器氣體離子激光器連續(xù)工作的氬離子激光器可以有9條藍(lán)綠光譜線。主要波長(zhǎng)488nm，514.5nm常見功率幾十瓦，最高500W直流放電泵浦，能量轉(zhuǎn)換效率低激光躍遷上能級(jí)粒子數(shù)集聚主要有三種途徑：a，基態(tài)氬離子與電子碰撞直接激發(fā)到4p態(tài)；b，先激發(fā)到高于4p的其他能級(jí)，然后通過級(jí)聯(lián)