激光器的种类及应用

半导体激光器
2.异质结半导体激光器 由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs，所组成的一种夹心结构。 高带隙势垒可以阻止注入载流子向注入端深层扩散，从而增加反转粒子数密度， 改善激光器的温度特性，缩短有源区厚度，降低阈值电流密度。 与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄、阈值 电流密度低、内部损耗低、电－光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出 波长等一系列优点。
(a)脉冲激光激励型
(b) 连续激光器激励型
层流式染料激光器结构示意图

固体激光器
激光工作物质：生长期间人为掺入杂质原子的晶体。 特点：体积小，结构稳，易维护，输出功率大且适于调Q 产生高功率脉冲、锁模产生超短脉冲 典型例子：红宝石激光器、Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激 光器）、钛蓝宝石激光器等。

液体激光器
激光工作物质：液体。 可分为无机液体激光器和有机液体激光器。染料激光器最有代表性， 优点：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、效率较高、制备容易、
激光均匀性好、输出功率可与固体和气体激光器相比、 可以循环操作、利于冷却。
典型例子：若丹明6G染料激光器。 泵浦：，波长稍短于激光器输出波长的光泵， 泵浦方式：(1)横向泵浦，泵浦光束与染料激光束垂直； (2)纵向泵浦，泵浦光束与染料光束同轴； (3)倾斜入射式泵浦，泵浦光束与染料激光束成一锐角。


2.激光焊接的特色及运用
激光焊接是一种高速度、非触摸、变形极小的焊接方法, 十分合适很 多而接连的在线加工。跟着激光设备和加工技能的开展, 激光焊接才 能也在不断增强。当前, 运用4kW的C02激光器焊接1mm的板材, 焊 接速度高达20m/min, 例如, 汽车职业的轿车箱底的大板拼接焊接作 业等。激光焊接的方法首要有传导焊和穿透焊2 种。当前全球的激 光运用首要以穿透焊为主。近些年来, 高功率万瓦级激光器在机械、 汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的运用。


激光焊接机与其他焊接技能对比, 首要长处是: (1) 激光焊接速度快, 焊缝深宽比很大( 可达5~10) , 变形小。 (2) 合适于精细件、箱体件和有密封需求焊接件的加工。激光束经集合 后可获得很小的光斑, 能精细定位, 可运用于大批量自动化出产, 不只出 产功率大大提高, 且热影响区小, 焊点无污染, 大大提高了焊接的质量。 (3) 激光焊缝机械功用好, 通常焊缝的机械功用均强于母材。 (4) 焊接时, 无需屏蔽或真空环境, 对工业化规划出产含义很大。 (5) 经过激光送丝焊接和激光送粉焊接等新技能技能, 完成激光产业化运 用, 开辟了激光焊接新的运用范畴。 (6) 可焊接难以接近的部位, 施行非触摸远距离焊接。特别是近几年来, 在YAG 激光加工技能中选用了光纤传输技能, 使激光焊接技能获得了更 广泛的推行与运用。 总归, 激光焊接有如下优势: 高强度, 超长寿数;高焊接速度, 功率高; 搭接 接口技能简略, 废品率低;低定位精度适于产业化出产。首要运用于军工 公司、食品工业、化学工业、石化工业。

按功率分：超大功率、大功率、中功率、小功率 激光器；
按输出激光连续性状况分：连续激光器、脉冲激 光器； 按泵浦方法分：光泵浦激光器、电泵浦激光器等。 一般按激光工作物质的类型来划分:气体. 液体 . 固体 .半导体激光器



激光器的种类 气体激光器
以气体为工作物质的激光器。 目前应用最广泛的一类激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。 大多数能连续工作，激励过程中涉及能级较固定，采用气体放电中的电子碰撞激发。 根据能级跃迁类型，又分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。 1.原子气体激光器 工作物质：中性气体原子。 典型代表：He-Ne激光器。其激活介质按He:Ne=1:10填充，氖提供激光跃迁能级。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ






激光切开的首要长处 (1) 切开质量好: 切断宽度窄，精度高、切断外表粗糙度好, 切缝通常 不需求二次加工即可焊接。 (2) 切开速度快, 例如选用2kW激光功率, 厚度8mm的碳钢切开速度 为1.6m/min; 厚度2mm的不锈钢切开速度为3.5m/min, 热影响区小, 变形极小。 (3) 清洗、安全、无污染, 大大改进了操作人员的作业环境。 激光切开归于非触摸光学热加工, 被誉为“永不磨损的全能东西”。 工件能够进行恣意方法的严密排料或套裁, 使原资料得到充分运用。 因为对错触摸加工, 加工后的零件的歪曲表象降至最低并减少了磨损 量。 其实激光切开亦有其不足之处, 就精度和切断外表粗度而言, 激光切 开未能超越电加工, 就切开厚度而言难以达到火焰和等离子切开的水 准。别的它亦不能像转塔冲床一样进行成型、攻牙及折边等。


如今, 选用激光切开体系的公司首要分两类: 一类是大中 型制作公司, 这些公司出产的商品中有很多板材需求下料、 切料, 而且具有较强的经济和技能实力; 另一类统称为加 工站, 专门对外接受激光加工事务, 本身没有主导商品。 它的存在一方面可满意一些中小公司加工的需求, 另一方 面在前期对推行运用激光切开技能带来宣扬演示的效果。 激光切开的几项关键技能是光、机、电一体化的归纳技 能。激光光束的参数、机器与数控体系的功用和精度都 直接影响激光切开的功率和质量。激光切开的精准度、 功率和质量因不一样的参数而改动, 如切开功率、速度、 频率、资料厚度及原料等, 故操作人员的丰厚经历特别重 要。
优点： 阈值电流小，功耗更低，输出功率更高，发射光谱更纯，温度特性更好，噪音更低 响应速度更快，波长覆盖范围更宽，更容易阵列化， ——为现代光信息系统提供了一个优异且实用的光源。
继固体激光器后, 气体激光器、化学激光器、染 料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激 光器、X 射线激光器和光纤激光器相继问世, 运 用范畴也扩展到比如电子、轻工、包装、礼物、 小五金工业、医疗器械、汽车、机械制作、钢铁、 冶金、石油等, 为传统工业的技能改造和制造业 的现代化供给领先的技能装备。
(b) TEA型 (a)直流放电型
(c)波导型

气体激光器
4.准分子激光器 工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体， 输出波长处于紫外波段的高效脉冲激光器，通常作为分光、激光加工、光刻的光源。 一般稀有气体非常稳定，很难与其他原子结合形成分子， 一旦被激发易与其他原子结合形成分子——准分子， 准分子：激发态很稳定，基态不稳定立即分解，因而可获得理想的反转分布。 稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长(nm)不同。

半导体激光器
3.量子阱半导体激光器 两个高势能的阱壁夹住一个低势能阱底就构成了一个势阱，双异质结构就是这样 一个半导体势阱。这类势阱中，当有源区的厚度被减少到同电子的德布罗意波的波长 差不多（约10nm）时，就会发生量子尺寸效应，此时的势阱就称为量子阱。 •量子阱半导体激光器: 有源区由多个夹层状量子阱结构重叠而构成的半导体激光器， •应变量子阱阵列激光器： 略微改变重叠层材料的晶格常数可使量子阱的材料层形成应变，由此构成的激光器。 输出功率更高。
1.同质结半导体激光器 是更复杂、更高性能半导体激光器的基本结构，简单、直观而 精练地体现了半导体激光器的工作原理，便于建立清晰的概念。
• 激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子－空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。 • 粒子数反转分布——通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， ——导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。 • 谐振腔——一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质F－P腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果


1 激光切开的特色及运用
激光切开是当时各国运用最多的激光加工技能, 在国外许多范畴, 例 如, 汽车制作业和机床制作业都选用激光切开进行钣金零部件的加工。 跟着大功率激光器光束质量的不断提高, 激光切开的加工目标规划将 愈加广泛, 简直包含了一切的金属和非金属资料。例如能够运用激光 对高硬度、高脆性、高熔点的资料进行形状杂乱的三维立体零件切 开, 这也正是激光切开的优势地点。 激光切开的几项关键技能是光、机、电一体化的归纳技能。激光光 束的参数、机器与数控体系的功用和精度都直接影响激光切开的功 率和质量。激光切开的精准度、功率和质量因不一样的参数而改动, 如切开功率、速度、频率、资料厚度及原料等, 故操作人员的丰厚经 历特别重要。

激光与通常光对比有4个特性即: 单色性( 单一波长) 、相 干性、方向性和高光强。激光束易于传输, 具有极高功率 密度的激光光束能够熔化、气化任何材料, 也可对材料的 有些区域进行精细疾速加工。加工过程中输入工件的热 量小,热影响区和热变形小; 加工功率高; 易于完成自动化。 激光技能是一门归纳性高新技能, 触及光学、机械学、电 子学等学科。一样, 激光加工设备也触及到很多学科, 因 此决议了它的高科技性和高收益率。纵观世界和国内激 光运用状况经过多年的研讨开发和完善, 今世的激光器和 激光加工技能与设备已适当老练, 形成了系列激光加工技 能。 我们来介绍激光加工技能在金属切开、焊接方面的运用 状况。

气体激光器
发光波长：0.6328m红光，3.39m、1.15m红外光。通常腔镜选取0.6328m 输出功率：较小(几mW到100mW） 能量转换功率：较低(0.01%） 单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度达几十公里 应用：精密计量、准直、测距、通讯、跟踪及全息照相等。 2.离子气体激光器 工作物质：离子气体。 输出波长：大多在紫外和可见光区域，输出功率比原子气体激光器高。 代表： Ar 激光器， 输出波长：最强的是 0.488 μm的蓝光和0.5145 μm 的绿光， 2 输出功率：达 500 MW cm，最大可达 ，可见光谱中连续输出功率最大的气体激光 150 W 能量转换效率：千分之几 所需泵浦功率高，需加冷却水、热交换器等。
激光切开的典型运用


1 汽车范畴的运用 领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个 轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量, 然后完 成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在 奔驰、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、 SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。 2 航空范畴的广泛运用 世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高 温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或 特别资料的激光切开都获得了成功。
用途：彩色电视、全息照相、信息存储、 快速排字、理论研究、医学、染料激光 器泵浦源。
气体激光器
3.分子气体激光器 工作物质：中性气体分子的激光器。 代表：CO2 激光器，其能级与分子的振动和转动有关。充气： 1 : 4 : 5 CO 2 : N 2 : He 输出波长： 10.6 μm 红外，正处于光通信“大气窗口”中，常被用作地面和空间光通信 光源 效率：高达30%， 输出功率：近似与管子长度成正比，很易从1米长激光器中获得100W连续功率输出 脉冲激光器输出功率可达千兆瓦量级。 又可分为直流放电型、横向放电大气压(TEA) 型和波导型
准分子激光器激光波长(nm)
放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。
Nd:YAG激光器结构示意图

半导体激光器
工作物质：半导体材料（主要是化合物半导体） 泵浦：电流注入
特点：输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单， 与集成电路生产工艺兼容，价格低廉，可靠性高，寿命长等 目前销售总数量已占各种激光器的99％，成为世界激光器市场上的绝对主流。