第五章、常用激光器件介绍
各种激光器的介绍
各种激光器的介绍激光（Laser）是光学与物理学领域中的重要研究方向之一，也是现代科学中应用最广泛的光源之一、激光器是产生、放大和产生激光的装置，它能够使光以高度有序的方式输出，并具有高度相干和高度定向的特性。
激光器可以根据不同的工作原理和激光频率，分为多种类型，下面将为大家介绍几种常见的激光器。
1. 固体激光器（Solid State laser）：固体激光器是利用固体材料作为介质的激光器。
固体激光器的工作物质通常为具有特殊能级结构的晶体或玻璃材料。
最早的固体激光器是由人工合成的红宝石晶体制成的。
它具有高度的可靠性、较高的功率输出和较宽的谱段覆盖等特点，广泛应用于医疗、测量、通信、材料加工等领域。
2. 气体激光器（Gas laser）：气体激光器是利用气体作为活性介质的激光器。
常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最早被发现和研究的激光器之一，具有连续激光输出、较高的功率密度和中远红外波段特点，广泛应用于材料加工、切割、医疗等领域。
3. 半导体激光器（Semiconductor laser）：半导体激光器是利用半导体材料作为活性介质的激光器。
它是目前应用最广泛的激光器之一，常见的有激光二极管（LD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
半导体激光器具有小巧轻便、功耗低、寿命长等特点，广泛应用于激光显示、光通信、生物医学等领域。
4. 光纤激光器（Fiber laser）：光纤激光器是利用光纤作为反射镜和放大介质的激光器。
它采用光纤的内部介质作为激光器的活性介质，激光通过光纤进行传输和放大。
光纤激光器具有高度稳定性、方便携带、适用于长距离传输等特点，广泛应用于材料加工、制造业、激光雷达等领域。
5. 半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器（如激光二极管）泵浦固体材料产生激光的激光器。
它继承了固体激光器的高功率、高效率和稳定性等特点，同时又具有半导体激光器小尺寸、低功耗等优势。
常见激光器结构及器件功能介绍
常见激光器结构及器件功能介绍激光器是一种产生、放大和聚焦激光光束的器件。
它在现代科学、医疗、工业和战争等领域都有广泛的应用。
常见的激光器结构主要包括激光介质、泵浦源、光学谐振腔和输出窗口等部分。
下面将对这些部分的功能进行详细介绍。
1.激光介质：激光介质是激光器的核心部件，它能够使电能或光能转化为激光能量。
常见的激光介质包括气体（如二氧化碳、氩等）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体（如染料溶液）等。
不同激光介质具有不同的特性，决定了激光器的输出特点。
2.泵浦源：泵浦源是激光器产生激光能量的能源，它对激光介质进行能量输入，使之达到激发态。
常见的泵浦源包括电子激发（如气体放电、闪光灯等）、光学激发（如半导体激光二极管、固体激光晶体等）和化学激发（如染料激光器）等。
泵浦源的选择决定了激光器的效率和波长等参数。
3.光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中光的来回传播的空间，在谐振腔内激光能量发生倍增和光模式形成。
常见的光学谐振腔包括平面腔、球面腔和折射腔等。
谐振腔的结构和参数决定了激光器的输出特征，如脉冲宽度、线宽和波前质量等。
4.输出窗口：输出窗口是激光器中激光能量传出的接口，它具有透过激光的特性，并使激光尽量少损耗。
常见的输出窗口材料包括光学玻璃、光纤和光学晶体等。
输出窗口的选择和设计是影响激光器输出功率和光束质量的重要因素。
除了上述部分，激光器还包括一些辅助器件和系统，如冷却系统、调谐器和稳频器等，它们的功能主要有以下几个方面：1.冷却系统：激光器在工作过程中会产生大量的热量，需要通过冷却系统来散热，以保持激光介质和泵浦源的稳定性。
常见的冷却方式包括空气冷却、水冷却和制冷剂冷却等。
2.调谐器：激光器的波长可能需要进行调整，以适应不同应用的需求。
调谐器通过改变光学谐振腔的长度或谐振性能，实现激光器波长的可调。
3.稳频器：激光器的频率稳定度对一些应用非常重要。
稳频器通过使用反馈调节和控制系统，使激光器的频率保持在目标值附近的范围内。
第五章激光的振荡特性
一、阈值反转集居数密度
由速率方程中光子数密度随时间变化的方程：
ddN ltn2ff1 2n121 n,n0NlN Rl l
考虑谐振腔内第 l 个模式的光子数的变化速率 d NlVR
dt
上式化简为：dd N lt n2ff1 2n1 2n 1,n0clN L lN R l l
自激振荡条件： dN l 0 dt
脉冲激光器
在泵浦时间内,各能级粒 子数及腔内光子数密度 可以达到稳定状态。
有：dd n t0; dlN d t0 速率方程 代数方程
泵浦持续时间短, 各能级粒 子数及腔内光子数密度处 于剧烈的变化之中。非稳 定工作状态。
需数值求解或用小信号微 扰或其他近似方法处理。
阈值条件
激光器产生激光的前提条件是：谐振腔内工作 物质（原子系统）的某对能级处于集居数反转
第五章 激光的振荡特性
《激光原理与器件》
本章主要内容
❖ 1、激光器的振荡阈值 ❖ 2、激光器的振荡模式 ❖ 3、输出功率与能量 ❖ 4、弛豫振荡 ❖ 5、单模激光器的线宽极限 ❖ 6、激光器的频率牵引
本章的教学目的与要求
教学目的： ❖ 掌握由速率方程出发导出激光器自激振荡的阈值条件、阈
值增益系数的方法。 ❖ 熟悉连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率，短脉冲激光器
1、四能 级系统
w03 A30 S3
0
E3 泵浦上能级 S32(热驰豫)
A21 S21
w21
E2 激光上能级 (亚稳态) w12
E1 激光下能级
(1) 特点：S10大，则 n1 0
n2t nt 21n,n0l
S10 E0(基态)
泵浦下能级
nn2
常见激光器结构及器件功能介绍
例如：DRACO-11D30-L
该型号代表的激光器型号是： 1064nm波长、Nd:YVO4晶体、双二极管泵浦、
30W激光管、长脉宽
只需根据型号，便可知该激光器大致参数，便于 对不同的应用选择不同激光器
各型号激光器参数
型号
参数 激光波长 光束质量M2 最大输出功率 激光脉宽范围
DRACO-11D30-L DRACO-11D30 DRACO-11D40 DRACO-12D30-L DRACO-51D30 DRACO-51D40 DRACO-51S40 DRACO-11S40 DRACO-52D30-S
调Q即开关， 声光调Q：超声波衍射光栅 电光调Q：旋转偏振方向 机械调Q：…
Q开关
QS27-4S-B-XXn
QS： Q-Switch 缩写 27 ：声光驱动射频频率 MHz
4 ：通光孔径 1.6 2 3 4 5 6.5 8 mm
S ：超声波模式 C 偏振 S非偏振 D正交
B ：水接头形式 S B R
分类
腔内倍频
Q
LBO Nd:YVO4
腔外倍频
Q
Nd:YVO4
LBO
打 C标O2机激光用器到，的新激锐、光相器干、自制
YAG灯泵浦固体激光器
kr lamp Nd:YAG rod
侧面泵浦固体激光器
LD
Nd:YAG rod
端面泵浦固体激光器
LD Nd:YAG Nd:YVO4 光纤激光器 IPG ,SPI
4、多参量的输出 复杂的、高要求的应用需要针对性强的激光输出参 量。 “DRACO”作为一个激光器平台，通过多重冗余 设计，可实现不同激光波长、不同激光功率、不同激 光脉宽等的组合输出，最大限度满足各个行业应用的 需要。
激光原理与技术--第五章 激光的特性
它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别 适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、 DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。
4. 液体激光器 常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染 料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体 激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调， 且覆盖面宽。
其它还有光纤激光器、化学激光器、单原子激光
器、X射线激光器等。 二．按运转方式分类 可分为连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激
光器，调Q激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、 可调谐激光器等等。
三．按激励方式分类 可分为光激励、电激励、热激励、化学激励和核激 励激光器等。
四．按输出激光的波段范围分类 可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光 器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X 射线激光器等。
二、气体激光器
用气体作为激光器的工作物质。其特 点是能以脉冲和连续两种方式工作。
外腔式气体激光器示意图
气体激光器
气体激光器 —— 原子激光器， 分子激光器，离子激 光器，准分 子激光器。
1原子激光器：以氦—氖激光
器为代表，这种激光器大都是连 续工作方式，输出功率在100毫瓦 以下，多用于检测和干涉计量。
一般讲解中，都按照激光工作 物质将激光器进行分类。
一、固体激光器。
用固体材料作为激光器的工作物质。这类 激光器的特点是小而坚固，功率较高。
固体激光器
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
固体激光器
工作物质-各种激光晶体和玻璃 输出波长-由工作物质中激活元素决定。 输出方式-连续灯泵浦——连续光
脉冲输出~几万焦耳
激光的种类和激光器的用途
激光的种类和激光器的用途激光是一种由激活的原子、分子或离子产生的高度聚焦的光束。
根据激光的产生机制、波长、功率等不同特点，激光可以分为多种不同类型。
以下是常见的一些激光器种类及其应用。
1.气体激光器：气体激光器利用气体体积放电、电离、碰撞激发等原理产生激光。
其中，最常见的激光器是二氧化碳激光器（CO2激光器），它的波长为10.6微米。
CO2激光器广泛应用于切割和焊接金属材料、医学手术、纹身移除、装饰等领域。
2.固体激光器：固体激光器使用固体材料（如晶体或玻璃）作为激发介质，通过显微光泵或一个或多个便激光器激励来产生激光。
当固体材料受到外部能量激发时，光子被激发到高能级，并在经典的自发辐射下退回到较低的能级，产生激光。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器和Er:YAG激光器等。
Nd:YAG激光器工作在1064纳米，常用于望远镜、瞄准器、激光光纤通信等领域。
3.半导体激光器：半导体激光器是利用半导体材料和pn结构的特性产生激光。
半导体激光器通常体积小且寿命长，因此广泛用于信息存储、激光指示器、激光打印机、激光读取器、医疗设备等领域。
此外，半导体激光器还广泛应用于激光雷达、光通信和工业材料加工等领域。
4.光纤激光器：光纤激光器是一种利用光纤作为反馈介质产生激光的激光器。
相较于传统的固体激光器，光纤激光器具有更高的效率、更小的尺寸和更长的使用寿命。
光纤激光器广泛应用于医学手术、材料加工、激光测距、光纤通信等领域。
5.自由电子激光器：自由电子激光器是一种利用加速带电粒子（电子或电子束）产生激光的激光器。
自由电子激光器的波长范围广，功率高，可用于材料加工、电子束刻蚀、粒子加速器、原子核物理研究等领域。
除了上述激光器类型外，还有衍射光束激光器、液体激光器等特殊类型的激光器。
总结起来，激光器有着广泛的应用领域。
例如，激光器在医学领域中，可用于激光手术、激光治疗、激光诊断等；在通信领域中，激光器可用于光纤通信、激光雷达等；在材料加工领域中，激光器可用于切割、打孔、焊接、雕刻等；在科研领域中，激光器可用于光谱分析、粒子加速等。
常见激光器结构及器件功能介绍
度匹配，o、e光折射率），而抑制其他频
率的谐波，而获得波长减少一半的激光，
如1064 nm的激光通过ktp倍频晶体后可
获得532 nmA的激光。
7
分类 腔内倍频
Q LBO Nd:YVO4 腔外倍频
Q
Nd:YVO4
A
LBO
8
打标机用到的激光器
CO2激光器，新锐、相干、自制
YAG灯泵浦固体激光器
小孔 半反镜
-
YAG灯泵浦固体激光器
A
11
全反镜
Q头
泵浦头
小孔 半反镜
侧面泵浦激光器
A
12
光纤
准直聚焦系统 全反镜 激光晶体 Q头 半反镜
激光二极管（LD）
端面泵浦激光器
A
13
光纤
耦合系统 全反镜 Yb:YLP 半反镜
激光二极管（LD）
光A 纤激光器
器 灯泵浦 侧面泵浦 端面泵浦
F-θ聚焦镜
A
20
F-θ聚焦镜
■ F-θ聚焦镜是一种可以保证激光焦点始终在工作 台平面上的一种聚焦镜。
■它具有一定的焦深，可以使激光打标机在一定曲面上 进行打标。 ■每一种聚焦镜有各自的焦距，对应不同的打标范围，
各镜头最大的打标范围如下表：
焦距(mm) 100 160 210 254 420 A
头） Q驱：自制，NEOS，GOOCH 振镜:德国SCANLAB 7和SCANLAB10
A
24
EP系列打标机
EP-12和EP-25L
A
25
应用该激光器打标机型
EP-25S(DRACO)和EP-TWIN25S(DRACO)
A
26
绿激光系列
常用激光光学元器件介绍
存在像差的光斑
理论焦点处光斑
滤光片 用于CCD前，防止加工物体反射回来的激光打伤 CCD，并且使物体加工过程中仍有清晰的图像。 透光辨别方法：对着光看，能看到 什么颜色就是透什么颜色 注意：不可让激光直接透过
有色玻璃滤光片
干涉滤光片
4、偏振器件及其它
激光具有线偏振特性
激光的偏振会影响加工质量
偏振分光光路
4.1 偏振基础
分类：自然光、部分偏振光、线偏振光 偏振度P:
聚焦光斑 聚焦镜焦距 ＝ 光纤芯径 准直镜焦距
光学共轭关系
D1为物方点大小，L1为物方点到透镜距离 D2为像方点大小，L2为透镜到像点的距离 其它情况不变的情况下，L1越大，L2越小， D2也越小。
3、保护系统
聚焦镜保护玻璃 防止加工物体的飞溅物或烟尘直接污染透镜。
设备防护镜片 设备上的透明罩，用于观察并防激光辐射。 防护眼镜 保护眼睛直接被辐射。
其它元件
主要内容
1.光路转折系统 2.聚焦系统 3.保护系统 4.偏振器件及其它 5.元器件清洁 6.聚焦透镜
1、光路转折系统
HG7老光路
HG7新光路
重要参数： 1.透射率及反射率 2.平面度 3.激光损伤阈值 4.镜片材料 5.厚度
2、聚焦系统
聚焦系统有个很重要的参数，即聚焦光 斑大小，公式为：
f-θ透镜，又称场镜，通常由三到五 片单透镜组合而成，用于激光扫瞄
显微聚焦镜：外形跟显微物镜相似， 不仅具有显微物镜放大的作用，还具 有激光聚焦作用，用于激光微加工。
2.3 常用聚焦透镜类型
平凸透镜
双片聚焦
三片聚焦 多片扫描
2.４ 光纤传导聚焦
2 2 光纤数值孔径： NA n sin n1 n2 光纤传导优势： 把能量传输到需要的地方 对入射光的光束质量进行整形 耦合要求： 聚焦光斑<0.8光纤直径 入射半角< 准直聚焦 出射光发散角＝ 2
常见激光器结构及器件功能介绍
常见激光器结构及器件功能介绍激光器是一种产生并放大激光束的装置，常见的激光器结构包括气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器。
下面将对这些常见的激光器结构及器件功能进行介绍。
1.气体激光器：气体激光器是利用气体分子或原子的电子能级跃迁放大光子束的装置。
常见的气体激光器包括二氧化碳激光器和氩离子激光器。
（1）二氧化碳激光器（CO2激光器）：它是利用二氧化碳气体的分子振动能级跃迁来放大激光。
主要用于切割、打孔、焊接等工业加工领域。
（2）氩离子激光器：它利用氩离子气体的电子能级跃迁来放大激光。
主要应用于生物医学、光学雷达等领域。
2.固体激光器：固体激光器是利用固体材料（如纳、晶体、陶瓷等）的电子能级跃迁放大光子束的装置。
常见的固体激光器包括Nd:YAG激光器和雷射晶体放大器。
（1）Nd:YAG激光器：它是利用掺杂了钕离子的钇铝石榴石晶体的电子能级跃迁来放大激光。
主要用于切割、焊接、医疗美容等领域。
（2）雷射晶体放大器：它是利用高浓度掺杂放大材料（如三氧化二铜、Cr4+：YAG等）的反射效应来放大激光。
主要应用于高能激光研究和军事领域。
3.液体激光器：液体激光器是利用液体材料的分子或原子能级跃迁放大光子束的装置。
常见的液体激光器包括染料激光器和化学激光器。
（1）染料激光器：它利用在溶液中溶解染料分子的电子能级跃迁来放大激光。
主要用于光谱分析、显示技术等领域。
（2）化学激光器：它利用化学反应产生的激发态物质来放大激光。
主要应用于军事领域和科学研究。
4.半导体激光器：半导体激光器是利用半导体材料（如GaN、InP等）的电子能级跃迁放大光子束的装置。
常见的半导体激光器包括激光二极管和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
（1）激光二极管：它利用PN结的电子能级跃迁来放大激光。
主要应用于光通信、光储存、激光打印等领域。
（2）VCSEL：它利用垂直结构的PN结的电子能级跃迁来放大激光。
主要应用于光通信、生物传感等领域。
最新第五章 激光基本原理和与特性器件PPT课件
• 为了讨论问题的方便，我们只考虑原子的两个能级 E 1和E 2 （E 2 > E 1）（因为对于给定的辐射跃迁总是发生在某两个 能级间），并假定两个能级符合跃迁的选择定则。
粒子能级之间的辐射跃迁
• 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收 或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。
• 微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立 的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态 （或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作 用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收 或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频 率为=△E/h（h为普朗克常量）。
转。只有具有两个以上与反转有关能级的介质才能实现粒子
数反转，具有这种特殊能级结构的介质称激活介质。由于外
界能源的激励不断把激活介质中低能态的粒子激发到高能态，
从而出现在亚稳态的粒子积累。当达到它与某一低能态之间
的反转分布时，若有频率
E 的2 光E 1 子h(来自外界或自发
辐射)在介质中沿某一方向传播，由于其“刺激”作用而导致• •其方向与光速一致。Pmch
• 由此可知，光子具有粒子的特征，是一种基本粒子。但由 于没有速度为零的光子，因此光子没有静止质量，表明它 又与电子、质子、中子等不同，它不是实物粒子，而是一 种与波动相联系着的能量微粒。
各种激光器的介绍
各种激光器的介绍激光器是一种将能量源转化为高强度、高单色性、高定向性的激光光束的装置。
激光器被广泛应用于医疗、通信、材料加工、测量检测等各个领域。
下面将介绍几种常见的激光器。
1.氦氖激光器（He-Ne激光器）氦氖激光器是一种气体激光器，它利用氦和氖的混合气体在波长为632.8纳米的红光范围内产生激光。
氦氖激光器具有单一稳定频率、高空间定向性和较小的光腔长度，适用于光学实验、干涉测量等领域。
2.二极管激光器（LD激光器）二极管激光器是一种半导体激光器，它是由多层不同材料的半导体材料组成的结构。
二极管激光器广泛应用于通信领域，如光纤通信、光存储等。
它具有体积小、效率高的特点。
3.CO2激光器CO2激光器是一种分子激光器，其工作介质是CO2分子。
CO2激光器具有中红外波段的辐射，波长在9.6-10.6微米之间。
CO2激光器在材料加工、医疗等领域有广泛应用，如切割、焊接、组织切割等。
4.Nd:YAG激光器Nd:YAG激光器是一种固体激光器，其工作介质是掺有镓和铽离子的YAG晶体。
它具有较长的荧光寿命和较高的能量转换效率，常用于材料加工、医疗、科学研究等领域。
5.氮化镓激光器（GaN激光器）氮化镓激光器是一种宽禁带半导体激光器，它利用氮化镓材料发射紫外激光。
GaN激光器具有较高的工作温度、较长的寿命和较高的光电子转换效率，可用于蓝光显示、白光LED照明等领域。
6.染料激光器染料激光器是一种利用染料溶液作为工作介质的激光器。
它具有波长调谐范围广、转换效率高的特点。
染料激光器在科学研究、生物医学等领域有广泛应用。
7.纳秒脉冲激光器纳秒脉冲激光器是一种能够在纳秒时间尺度内产生激光脉冲的激光器。
它广泛应用于材料加工、精密测量、医疗等领域，如激光打标、激光切割、激光测距等。
总之，激光器具有波长可调、能量可控、光束质量高等优点，能满足不同应用领域的需求。
随着材料科学、光学技术的不断发展，激光器的种类也在不断增多，并得到了广泛的研究和应用。
医学中常用的激光器
医学中常用的激光器自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。
目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。
人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。
激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。
由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。
各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。
一．气体激光器气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：(1)原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。
氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。
原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10毫瓦数量级。
(2)分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。
分子激光器以二氧化碳(CO2)激光器为代表，其他还有氢分子(H2)，氮分子(N2)和一氧化碳(CO)分子等激光器。
分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。
(3)离子激光器：这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子(激活介质为Ar＋)激光器。
氦镉激光器(激活介质为Cd＋)等。
离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。
气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。
其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。
1、氦氖激光器氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光，具有连续输出的特性。
它的光束质量很好(发散角小，单色性好，单色亮度大)。
激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。
液晶光子学 第5章 液晶激光器
简立方
(b)
(d)
(a)
第五章 液晶激光器
体心立方
(a)
(b)
(b)
蓝相II液晶中的激光
14 of 32
聚合物稳定蓝相I液晶中的激光
5.3 带边型激光器
• 全息聚合物分散液晶（H-PDLC）激光器 全息光刻 Em (r) Em exp(iKm r im )em ,
第五章 液晶激光器
I
交联单体NVP作为反应的稀释剂， 用于帮助溶解参与反应的各个部分 并形成均匀的溶液；
光引发剂RB用于和共引发剂NPG发 生电子转移反应，使得NPG能够引 发高分子量的聚合反应；
表面活性剂OA主要用于降低向列相 液晶在聚合物表层的锚定力，从而 增加聚合物离散液晶的电导率，起 到降低驱动电压的作用。
二维光子晶体激光器
四光束干涉
(a)
(b)
正方晶格
第五章 液晶激光器
(c)
三光束干涉
六角晶格
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5.3 带边型激光器
第五章 液晶激光器
• 全息聚合物分散液晶（H-PDLC）激光器
二维光子准晶激光器 二维光子准晶，最早由D. Shechtman在Al-Mn金属合金中被观察到，不具备平移对称 性和周期性，但具有长程有序性和旋转对称性
17.81 wt％向列相液晶，E7。
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第五章连续激光器原理
第五章连续激光器原理连续激光器是一种能够持续输出高能量、高亮度激光束的器件。
它的工作原理是通过持续地提供能量来激发激光介质，使其产生受激辐射，进而在谐振腔中产生连续的激光输出。
本文将介绍连续激光器的工作原理、主要组成部分以及一些常见的连续激光器类型。
连续激光器的工作原理基于受激辐射的过程。
在激光介质中，通过外界能量的输入，使得部分原子或分子跃迁到一个高能级。
这些高能级的原子或分子将受到外界激发，进而在受激的辐射场中跃迁到一个更低的能级。
在这个过程中，激光介质产生的原子或分子会与受激辐射场的光子发生相互作用，从而产生辐射的激光光子。
这些激光光子会通过谐振腔中反射，对其他原子或分子产生受激辐射，进而放大激光信号，最终形成连续的激光输出。
连续激光器由许多组成部分构成，包括激光介质、能量泵浦源、谐振腔和输出光学。
激光介质是产生激光的核心部分，它通常由具有较高发射截面的材料组成，例如激光晶体或气体。
能量泵浦源用于提供能量以激发激光介质，常见的能量泵浦源包括激光二极管、闪光灯或化学反应。
谐振腔则用于放大激光信号，它由两个反射性较高的平面镜组成。
其中一个镜子是部分透明的，用于输出激光束。
输出光学则用于整理和调节输出的激光束，例如聚焦透镜或衍射光栅。
根据激光介质的不同，连续激光器可以分为多种类型。
其中一种常见的类型是固体激光器，它使用激光晶体或玻璃作为激光介质。
固体激光器通常具有高能量输出和短脉冲宽度的特点，适用于科研、医疗和工业等领域。
另一种类型是气体激光器，它使用气体作为激光介质。
气体激光器通常具有较大的激光波长范围和较高的功率输出，适用于切割、焊接和雷达等应用。
此外，还有半导体激光器、液体激光器和光纤激光器等其他类型。
总之，连续激光器是一种能够持续输出高能量、高亮度激光束的器件。
它的工作原理是通过持续地提供能量来激发激光介质，使其产生受激辐射，进而在谐振腔中产生连续的激光输出。
连续激光器由激光介质、能量泵浦源、谐振腔和输出光学等部分组成。
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例如HF激光器是利用F+H2或H+F2反映生成的激态 HF分子而产生2.6~3.6微米的激光 其反映方程如下: F+H2HF*(3)+H-31.5千卡/克分子 H+F2 HF*(9)+F-98.0千卡/克分子
化学激光器可以获得大功率或大能量输出，是较早 被用于激光武器研究的激光器
自由电子激光器
用准分子激光加工精细结构
什么是LASIK手术?
LASIK手术即准分子激光原位角膜磨镶术（Laser in Situ
Keratomileusis）：医生用角膜刀掀开一个角膜瓣，在瓣下角 膜基质层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切
削。患者术前检查的数据卡输入计算机，由计算机控制切削的范
氩离子激光的可见光光谱线
激光跃迁能级 4P2S01/2——4S2P1/2 4P2D03/2——4S2P3/2
波长(nm) 457.9 472.7
或率（W） 0.35 0.30
4P2P03/2——4S2P1/2
4P2D05/2——4S2P3/2 4P2D03/2——4S2P1/2 4P4D05/2——4S2P3/2 4P4D03/2——4S2P3/2
空心阴极He-Cd激光器
+ + + + + + + + +
空心阴极He-Cd激光器，可以发射蓝（4416埃）、 绿（5337和5378埃）和红（6355和6360埃）三种 颜色的激光。使用宽带反射镜时，可同时输出三 种颜色配合而成的白色激光。
准分子激光器
• • • • 工作物质为受激准分子 容易形成粒子数反转 增益比较高 一般工作于紫外，如XeF或F2激光器波长 分别为351nm和157nm • 在光学刻蚀、光化学、同位素分离、核 聚变、以及作为泵浦光源等方面有相当 广泛的应用
+）*。
从能级寿命看，亚稳态He*寿命长，约为10-6s，这对于激发Cd有利。（Cd+）*的 5S22D5/2能级寿命约为7.8×10-7s，而5P2P03/2（激光下能级）的寿命为2.2×10-9s。因 而可形成粒子数反转分布。441.6nm和325nm对应的跃迁分别为： 441.6nm Cd+5S22D5/2——5P2P03/2 325.0nm Cd+5S22D3/2——5P2P01/2
典型染料激光器的光路
凹面反射镜 染料
泵浦激光
输出镜
准直镜 FP标准具
•泵浦光可以是连续泵浦也可以是脉冲同步泵浦 •染料从喷嘴喷出形成染料流 •FP标准具调谐，亦可用棱镜或光栅调谐 •染料经过过滤器不断循环
化学激光器
• 化学激光器不需要光或电源从外部的激 发，而是利用工作物质本身化学反应中 释放出来的能量作为它的激发能 • 化学激光器一般是利用化学反应释放出 来的能量来激发反应产物，造成分子的 振转能级间能量跃迁，从而建立粒子数 反转
•
• • • •
1.06m
钕离子激光能级
YAG晶体的吸收谱
Nd：YAG激光器内部结构
YAG激光器的聚光腔
YAG激光器的谐振腔
蓝宝石（Ti-Sapphire）激光器
• • • • 阈值低 泵浦效率高 激光线宽宽 一般用于产生超短光 脉冲 • 激光线宽范围700nm1100nm • 输出波长可调谐
1 2
3
普通小型CO2激光器的结构
10 9
4
5
6
7
8
1、输出镜，2、阳极，3、进水口，4、回气管，5、放电管，6、 储气管，7、水冷管，8阴极，9、全反镜，10、出水口
•放电管一般用硬质玻璃或石英管制成内径和长度 视功率要求而定 •谐振腔全反镜一般由导热较好的金属镀金制成， 局部可水冷；输出镜由透射10.6的材料（盐或半 导体）渡介质膜制成。
Ti：Sapphire laser
激光器的内部实际光路
2、气体激光器
• 以气体或金属蒸汽作为工作物质的激光器 • 又可分为原子激光器、离子激光器、分子激光 器、准分子激光器等 • 由于利用气体原子、分子或离子的分离能级进 行工作，所以激光输出波长范围较宽 • 由于气体工作物质的光学均匀性好，所以一般 输出的光束质量较好
氦镉激光器结构。 图19－13为一种常用的氦镉激光器结构示意图。激光管用硬料 玻璃或石英玻璃制作。阳极为直径2mm的钨杆，阴极为铝质圆 筒状，毛细管长60-100cm，孔径为1.5-3mm。
1－镉池 2－电泳限制段 3－冷凝镉 阳极端附近有一镉池，内装有光谱纯金属镉。镉在室温下为固体， 熔点321℃，在真空中升华温度为164℃。通过热源可使金属镉升华成 蒸气。阳极与镉池之间有一电泳限制段，用以阻止镉蒸气扩散到阳极 端，避免污染窗片。
CO2激光器种类很多 较常见的有 •高气压横向激励CO2激光器 •波导型CO2激光器 •CO2气动激光器
氩离子激光器
• 输出激光波长4880Å 和5145Å • 连续输出功率可超过 100W • 常用于泵浦光源、全 息存储、光谱分析、 医疗和工业加工
氩离子激光管典型结构
1－石墨阳极 2－石墨片 3－石英环 4－水冷套 5－放电毛细管 6－阴极 7－保热屏 8－加热灯丝 9－布氏窗 10－磁场 11－贮气瓶 12－电磁真空充气阈 13－镇气瓶 14－波纹管 15－气压检测器
围和深度，削出一个光滑的曲面，相当于在角膜上切削出一个眼 镜片，使视力变得清晰。 它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术，在角膜表面切削一直 径8毫米，厚0.16毫米的带蒂板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用 准分子激光电脑控制多步分区角膜基质内切削，最后将角膜瓣复 位。
制做角膜瓣
准分子激光切削
角膜瓣复位
476.5
488.0 496.5 514.5 528.7
0.75
1.50 0.70
2.00
0.34
注：表中所列功率是Spectro-phsics生产的165型氩离子激光器输出功率。
•氩离子激光器一般采用棱镜色散腔来选择输出激 光的波长 •经过调整棱镜和反射镜的角度可以得到上表中的 各种波长输出 •腔内如果不加色散器件，氩离子激光器一般将输 出多个波长
红宝石中铬离子能级图
红宝石中铬离子的吸收光谱
红宝石激光器的光输出
红宝石晶体的R线
典型的固体激光器聚光腔体结构
（a）圆形或紧包裹聚光腔 （b）单椭圆形聚光腔 （c）双椭圆形聚光腔
掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器
• 掺钕钇铝石榴石激光器与红宝石激光器有相类似的结构，即也是由工作物质、泵 浦光源、聚光腔和光学谐振腔组成。由于选取了不同的工作物质和与工作物质相 匹配的光泵，使其能实现连续运转。 工作物质。掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石（简称YAG）单晶为基质材料， 掺入适量的三价稀土离子Nd3+所构成。YAG是由Y2O3和Al2O3按摩尔比为3：5化合 生成的，当掺入作为激活剂的Nd2O3后，则在原来是Y3+的点阵上部分地被Nd3+代 换，而形成了淡紫色的Nd3+：YAG晶体。其掺杂浓度为0.725％（重量），Nd3+密 度约为1．38×1020cm-1。 热导率高，有利于连续运转 熔点较高，为1970℃，能承受较高的辐射功率 阈值低，效率高 输出波长为
•用磁场可抑制3.39输出 •亦可利用不同充气比例抑制不需要的波 长
Ne*(2S)→Ne*(2P)产生波长为1.15um的激光
内腔氦-氖激光管
二氧化碳激光器
• 激光输出波长10.6m • 典型 分子激光器， 利用分子的振-转能 级作为激光能级 • 能量转换效率高 • 可得到大功率连续输 出或大能量脉冲输出 • 多用于工业加工和医 疗
• 以高能自由电子为工作物质 • 没有固定能级限制 • 输出波长理论上可以从红外一直到射线
第九章、常用激光器件介绍
1. 2. 3. 4. 5. 固体激光器 气体激光器 染料激光器 化学激光器* 自由电子激光器*
1、固体激光器
• • • • • •
固体激光器的特点 红宝石激光器 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器 蓝宝石(Ti-Sapphire)激光器 钕玻璃激光器 光纤激光器
固体激光器的特点
氦镉激光器
氦镉激光器是一种金属蒸气离子激光器。 其中产生激光跃迁的是镉离子（Cd+)，氦气 （He）作为辅助气体。它与氦氖激光器类似， 可以在直流放电的条件下连续工作。它比氦氖 激光有更高的输出功率（一般为几十毫瓦）， 发射波长较短，为441.6nm（蓝紫色）和325nm （紫外），因此，是一种更适用于光敏材料曝 光和全息印刷制版的较理想的光源。
几种典型的气体激光器
• • • • • 氦-氖（He-Ne）激光器 二氧化碳（CO2）激光器 氩离子（Ar+）激光器 氦-镉激光器 准分子激光器
氦-氖（He-Ne）激光器
• 输出波长6328Å、 1.15m和3.39 m • 相干长度长 • 造价低廉 • 毛细管内充入总气 压约为2Torr（托） 的He、Ne混合气体， 其混合气压比为5： 1－7：1左右
• • • • • • • 增益介质为固体 一般由光泵激发 激光能量大，峰值功率高 增益介质稳定，寿命长 能量转换效率较低 激光系统体积较大 一般需要冷却系统
红宝石激光器
第一台 激光器
红宝石 晶体
MAIMEN
激光器 结构
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图
LASIK手术示意图
角膜微切器切割角膜
角膜瓣形成并翻转
角膜中间基质切削区准备
准分子激光切削角膜基质
角膜瓣复位
准分子激光角膜原位磨镶术，可做宽带调谐（300nm1200nm） • 锁模染料激光器可以获得超短脉冲 • 染料一般为液体，光学均匀性好价格低 • 一般用较短波长的激光泵浦 • 主要用于需要调谐激光波长的场合，以 及超短脉冲和超快现象研究