第2章 典型激光器介绍大全
激光原理 第2章 激光器的工作原理
式中同样采用了 A2 A21 的简化并且假设简并度 g1 g2 即 B21 B12 n 两式相加得到 ( R1 R2 ) n1 A1 1 n1 ( R1 R2 ) 1 n10
1
（第1章）
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福建师范大学光电学院
低能级粒子数密度代入速率方程组，解得高能级上 粒子数密度为
③
dn0 dn1 dn2 0 dt dt dt
④
0 dn2 dn10 0 0 速率方程组： R2 n2 A2 0 R1 n2 A2 n10 A1 0 dt dt 23
（第1章）
福建
利用爱因斯坦系数和能激寿命之间关系，可以由小 信号工作时的简化速率方程组导出 0 n10 n2 0 0 R1 n2 A2 n10 A1 R2 n2 A2
（第1章）
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福建师范大学光电学院
2. 半经典理论：用麦克斯韦方程组描述光频电磁场，应 用量子力学理论描述物质原子。１９６４年，兰姆应用该 理论建立了激光器理论，很好地揭示激光器中大部分的物 理现象，如：强度特性、增益饱和效应、多模耦合与竞争 效应，激光振荡的频率牵引与推斥效应等。其缺点是在于 不能反映与激光场的量子特性有关现象的规律性,数学处 理过于复杂。 ３.量子理论：应用量子电动力学的处理方法，对物质原 子系统和光频电磁场都作量子化处理，将两者作为统一的 物理体系加以研究。需严格地确定激光的相干性和噪声以 及线宽极限。
3
（第1章）
福建师范大学光电学院
（1）稳定腔的表达式
光学谐振腔的稳定与否是由谐振腔的几何形状决定的 共轴球面腔结构：两个反射镜的 球心连线为光轴，整个系统总是
R1
O1
O2
R2
常用激光器简介
几种常用激光器的概述一、CO2激光器1、背景气体激光技术自61年问世以来，发展极为迅速，受到许多国家的极大重视。
特别是近两年，以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速，已成为气体激光器中最有发展前途的器件。
二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”，而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。
1961年，Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。
在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate 研制出第一支二氧化碳分子气体激光器，输出功率仅为1毫瓦，其效率为0.01%。
不到两年，现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦，其效率为17 %，电源激励脉冲输出功率为825瓦，采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。
最近，有人认为，进一步提高现有的工艺水平，近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。
2、工作原理CO2激光器中，主要的工作物质由CO₂，氮气，氦气三种气体组成。
其中CO₂是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。
加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。
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。
CO₂分子激光跃迁能级图CO₂激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。
放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。
这时受到激发的氮分子便和CO₂分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO₂分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。
3、特点二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点：（1）工作波长处于大气“窗口”，可用于多路远距离通讯和红外雷达。
（2）大功率和高效率( 目前，氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦，其效率为0.17 %，原子激光器的连续波输出功率一般为毫瓦极,其效率约为0.1%，而二氧化碳分子激光器连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17%）。
典型激光器的原理与应用
激光之源--典型激光器的原理、特点及应用一前言自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家T.H.Mainman博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。
激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。
图1 第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。
其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。
激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
二典型激光器1，气体激光器（Gas Laser）气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。
它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式最常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
下面是典型激光器的示意图：图2 气体激光器示意图根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。
采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。
原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。
He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。
它于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物。
各种激光器的介绍
四、 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器
高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分结构如图(5-8)所示。
3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) 工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而 成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(5-4)所示
图(5-4) Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5) 所示。它属于四能级系统。 荧光谱线中心波长为1.35um和1.06um；由于 1.06um比1.35um波长的荧光强约4倍，所以激光振 荡中，将只产生1.06um的激光
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
一、氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成，激光管 由放电管、电极和光学谐振腔组成。
1. He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。 He-Ne激 光器工作物 质为Ne原子， 即激光辐射 发生在Ne原 子的不同能 级之间。He 主要起提高 Ne原子泵浦 速率的辅助 作用。
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
二、固体激光器的泵浦系统
1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多 为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。 2. 泵浦光源应当满足两个基本条件：一是有很高的发光效率；二是辐射光的光 谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配
典型激光器介绍
典型激光器的原理、特点及应用摘要：本文介绍了四种典型的激光器，固体、气体、染料和半导体激光器，并分别介绍了特点及应用。
关键词：典型激光器，原理和特点，应用一、引言自梅曼发明了第一台红宝石激光器至今，激光器得到了飞速发展，在激光工作物质方面也得到了很大的改进，激光器根据激活媒质可分为固体、气体、染料和半导体激光器。
各类激光器各有特色，并在相关的领域里发挥着重要的作用。
二、固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。
最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：Y AG)等三种。
图1是固体激光器的基本结构示意图。
图1 固体激光器的基本结构示意图1．红宝石(Cr3＋：A12O3)红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。
它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，铬离子与激光产生有关的能级结构如图2所示。
它属于三能级系统，相应于图（1-3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。
它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为694.3nm和692.9nm。
由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(694.3nm)。
红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。
红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。
随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。
因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。
目前在医学方面和动态全息方面还有应用价值。
各种典型激光器原理全
1966年,世界上第一台染料激光器———由红宝石激光器泵 浦的氯铝钛花青染料激光器问世。
第一节 概述
4)．半导体激光器
半导体激光器也称为半导体激光二极管,或简称激光二极管 (LaserDiode,缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特 异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性,使半导体激 光器的工作特性有其特殊性。
第一节 概述
二、分类及输出特性
激光器种类繁多,习惯上主要按照以下两种方式划分:一种是 工作物质,另一种是按照激光器工作方式。 1 按照激光工作物质 1） 气体激光器 气体和金属蒸气作为工作物质。 根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将 气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
第一节 概述
半导体激光器波长覆盖范围一般在近红外波段(920nm～ 1.65μm),其中与为光纤传输的两个窗口。
半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、 超小型化、结构简单、使用寿命长(一般可达数十万乃至百 万小时以上)等突出特点。
半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处理、 科研、医疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全息照相、 办公自动化、激光准直及激光医疗等方面。
自由电子激光器在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的 应用前景
第一节 概述
7）．X射线激光器
X射线激光器输出激光波长位于X射线波段(1～ 10nm)。
X射线激光器工作物质为高度电离的等离子体,采用 光泵浦,但需要特殊的X射线泵浦源。
第一节 概述
8)． 光纤激光器
工作物质:以掺入某些激活离子的光纤,或者利用光纤自身的非 线性光学效应制成的激光器。
第一节 概述
典型激光器简介
非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主
21
钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加
宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料
而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～
3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽
大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱 和特性与均匀加宽工作物质相似。
光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q
固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。 对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平
行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度
<1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部
寄生振荡，端面镀有增透膜
19
光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成
10
应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等 激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直等等
1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世
11
(5) 化学激光器
通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射 工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘
激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光
②
分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。 主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代 表CO2激光器
6
③
准分子激光器：分子激光器的一种。 准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的 不稳定缔合物。 激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。 采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等 典型代表：XeF准分子激光器
典型激光器介绍大全(精华版)ppt课件
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。
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1、红宝石的基本特性
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10
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1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、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
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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。
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。
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DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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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。
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光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
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。
华中科技大学激光原理课件--第2.5讲 典型激光器介绍
– 3.上海光源 3.上海光源 • 全波段：从远红外到硬X射线连续可调 全波段：从远红外到硬X • 高强度：总功率为600千瓦； 高强度：总功率为600千瓦； • 优良的脉冲时间结构：其脉冲宽度仅 为几十皮秒，相邻脉冲间隔可调为几 纳秒至微秒量级；
2.5 典型激光基于化学反应来建立粒子数 1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数 反转而产生受激辐射的一类激光器。 反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光 器的工作物质可以是气体或液体， 器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多 数是用气体。 数是用气体。 – 2.化学激光器具有如下三方面的特点 2.化学激光器具有如下三方面的特点
2.5 典型激光器介绍
2.5 典型激光器介绍
• 气体激光器的输出特性
– 输出功率大 ---气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布， ---气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布 气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布， 且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。 且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。例如高功率 电激励CO 电激励CO2激光器连续输出功率已达数万瓦以上 。 – 效率高 ---大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前， ---大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作 目前， 大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。 CO2激光器的电光转换效率已达到25％，而 CO激光器在低温条 激光器的电光转换效率已达到25％， CO激光器在低温条 ％，而 件下可达到50％。 件下可达到50％。 – 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光 目前有数百种气体和蒸气可以产生激光， 到的激光谱线近万余条， 到的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波 射线、射线波段。 段，甚至 X射线、射线波段。 – 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质 在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器， 量，在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如 He-Ne激光的单色性很高，∆λ很容易达到10-9～10-11nm，其发散 He-Ne激光的单色性很高 ∆λ很容易达到 激光的单色性很高， 很容易达到10 nm， 角只有l 毫弧度。 角只有l～2毫弧度。
典型激光器介绍
激
1
光 器 介 绍
fN (E2 ) E2 EF
e kT 1
1
价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 fP (E1) EF E1
1 价带顶电子占据几率则为 fN (E1) 1 fP (E1) E1EF
e kT 1
e kT 1
§.
在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
第
1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此
五 章
这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。
典 型 激 光 器 介 绍
图(5-23) 固体的能带
图(5-24) 本征半导体的能带
2. 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能 带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。
§.
图(5-28) GaAs激光器的结构
2. 半导体激光器工作的阈值条件
激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件
5 4
G
a内
1 2L
ln r1r2
半 导
增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质
体 激 光
Gν
n c2 A21
8 2ν2
f ν
t复合
e
Gν
n c2 A21 8 2ν2
f ν
n c2 8 2ν2t复合
f
ν
Gν
G a内 f (ν)
c2 8
激光器简介介绍
05 激光器的未来发展趋势和 挑战
高功率激光器的研发和应用
高功率激光器在国防、工业和 医疗等领域具有广泛的应用前 景。
研发高功率激光器的关键在于 提高输出功率、光束质量和稳 定性，以及降低制造成本。
高功率激光器在材料加工、激 光雷达、照明和通信等领域已 取得重要进展。
超快激光器的研发和应用
应用
二氧化碳激光器在医疗美容中应用广 泛，如激光手术刀、皮肤美白等。
固体激光器
特点
体积小、重量轻、效率高、操作简单。
应用
用于材料加工、打标、雕刻等领域。
液体激光器
特点
输出波长可调、效率较高。
应用
用于生物医学、光谱学等领域。
半导体激光器
要点一
特点
体积小、寿命长、价格便宜。
要点二
应用
用于光纤通信、数据存储等领域。
激光打标
利用激光的高能量密度在 物体表面刻印图案、文字 或编码等标识，实现高效 、环保的打标方式。
激光焊接
通过激光束将两个或多个 材料连接在一起，具有高 精度、高强度和高密封性 等优点。
医学领域
激光治疗
利用激光的能量照射人体组织， 通过热能、光化学效应等作用达 到治疗目的，如激光手术、激光
美白等。
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光纤激光器
特点
输出波长稳定、效率高、光束质量好。
VS
应用
用于高速光纤通信、激光雷达等领域。
03 激光器的组成和工作02
03
04
增益介质
用于提供能量放大作用，通常 由气体、液体、固体或半导体
等材料组成。
泵浦源
用于向增益介质提供能量，通 常采用光、电、化学等方法。
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。
1_5 典型激光器
重掺杂 接触层
激光 输出
x
Oz
• 有源区：GaAs，厚度为0.1～0.2m. • 介质波导： GaAs折射率较Ga1-xAlxAs大，形成波导.
1.5 典型激光器
第1章 光辐射 发光源与光传播基本定律
四 光纤激光器
—由泵浦源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等构成.
掺稀土离子光纤
特点：激光下能级E1不再是基
E2
态能级,因而在热平衡状态下处
于E1的粒子数很少,有利于在E2
E1
和E1之间形成集居数反转状态.
E0
掺钕钇铝石榴石： Nd3＋:Y3Al5O12，简写为Nd:YAG.
1.5 典型激光器
第1章 光辐射 发光源与光传播基本定律
掺钕钇铝石榴石： Nd3＋:Y3Al5O12，简写为Nd:YAG.
– 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 • 激光运转方式 – 连续
– 脉冲
• 单脉冲 • 重复频率 • 准连续
1.5 典型激光器
第1章 光辐射 发光源与光传播基本定律
• 激光运转方式 – 连续 – 脉冲
• 单脉冲 • 重复频率 • 准连续
连续激光器－稳定工作状态(稳态
1.5 典型激光器
第1章 光辐射 发光源与光传播基本定律
半导体激光器工作物质能带结构：价带、禁带和导带
直接带隙：导带极小值与价
带极大值处于相同的 k。直接带隙 半导体材料作为激光器的有源区
具有高的电－光转换效率。 EF
间接带隙：导带极小值与价带极
大值不处于相同的 k 值处。间接带隙 半导体材料的电－光转换效率很低。
1.5 典型激光器
典型激光器介绍范文
典型激光器介绍范文激光器（Laser）是一种产生单色、相干、直线偏振、高照度、狭谱线宽和高光度的光源。
激光器由激光介质和激励源组成，通过激励源的能量输入，激活激光介质，从而产生激光。
激光有着许多优异的特性，使其在科学、军事、医学、通信和工业等领域广泛应用。
首先，激光具有高浓度和高照度的特点。
激光是通过光的受激辐射产生的，具有高度一致的光子能量。
因此，激光的能量集中在一个相对较小的空间范围内，使其照射到目标区域时具有高浓度和高照度的特性。
这种特点使得激光可以在实验室研究中进行高精度的测量和操作，也可以在工业制造中实现高精度的加工。
其次，激光是单色和相干的。
激光的波长非常狭窄，通常只有几个纳米的宽度。
这使得激光具有单色性，可以在光谱范围内非常准确地选择特定的波长。
激光还具有相干性，这意味着激光的光波是同相位的，能够产生干涉和衍射现象。
这些特性使得激光在干涉测量、光学成像和激光雷达等领域有广泛应用。
激光还具有直线偏振的特点。
激光的光波可以只在特定的方向上振动，这被称为直线偏振。
激光的直线偏振特性使其可以用于光通信中的光纤传输，也可以用于成像和材料加工中的光学调制。
另外，激光还具有高光度和狭谱线宽的特点。
激光的光束是非常狭窄的，能够在远距离传播而几乎不发散。
这使得激光在空间通信、激光雷达和激光制导等领域有着重要的应用。
此外，激光的狭谱线宽使得其光谱质量较高，可以用于光学谱学、精密测量和激光组成分析等领域。
根据激光产生的方式和特性，常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和液体激光器。
气体激光器使用高压放电激活气体，常见的气体激光器有氦氖激光器、二氧化碳激光器和氩离子激光器等。
固体激光器使用固体晶体或玻璃样品作为激光介质，通常由激光二极管或灯管等激励源激活。
半导体激光器使用半导体材料作为激光介质，结构简单、体积小、功率高，通常用于激光打印、光纤通信和光存储等领域。
液体激光器使用液体作为激光介质，主要用于科研实验。
典型激光器介绍大全
典型激光器介绍大全激光器（Laser）是20世纪最具科技感的发明之一，其应用涉及到多个领域，包括医疗、通信、制造、测量等等。
本文将介绍激光器的基本原理、不同类型的激光器以及其主要应用。
激光器的基本原理：激光器的核心部分是激光介质，它能够产生并放大高度集中的光束。
激光介质通常是一个光学腔体，其中有一个主动介质，能够吸收能量并在放出来的时候放大光信号。
这个光学腔体准备一个部分透明的发布窗口，能够让光束从中逃逸。
不同类型的激光器：1.固态激光器：固态激光器使用固态材料（如纳米晶体或晶体）作为激光介质。
它们通常非常稳定和高效，并且常用于医疗和研究领域。
2. 气体激光器：气体激光器使用气体作为激光介质，如氦氖激光器（He-Ne），二氧化碳激光器（CO2），氩离子激光器（Ar-ion）等。
它们通常产生高功率的激光束，常用于切割、焊接和制造领域。
3.半导体激光器：半导体激光器是目前应用最广泛的激光器类型之一，它使用半导体材料（如镓砷化物或镓氮化物）作为激光介质，常用于通信、医疗和显示技术领域。
4.纳秒激光器：纳秒激光器产生持续时间在纳秒级别的脉冲激光，常用于测量和材料研究领域。
5.二极管激光器：二极管激光器是一种小型、高效的激光器，它使用半导体材料并具有相对低的功率要求。
它们通常用于激光打印、扫描和传感器等应用领域。
激光器的应用：1.医疗领域：激光器在医疗领域有广泛的应用，如激光眼科手术、激光去胎记、激光脱毛等。
其高度集中和精确的光束可以在微创手术中发挥重要作用。
2.通信领域：半导体激光器在光纤通信中起到关键作用，能够快速高效地传输数据。
激光器所产生的激光束可以通过千米以上的光纤传输，实现高速宽带通信。
3.制造领域：激光器在制造领域常用于切割、焊接和打标等应用。
激光束的高能量和精度可以在金属切割和焊接时实现高质量和高效率。
4.测量和科学研究领域：激光器在测量、科学研究和实验室使用中发挥着重要作用，如激光干涉仪、激光雷达等。
典型激光器
LASIK警告
• 18周岁以下的青少年正处于身体生长期， 眼睛屈光度不稳定，若盲目接受手术，一 二年后视力极有可能回退，严重影响预期 的疗效。 • 为确保安全和有效，准分子激光治疗近视 眼要求患者术前屈光状态稳定，矫正视力 达到0.5以上。
金绿宝石激光器
金绿宝石是在BeAl2O4基质材料中掺Cr3+形成 的，在700~800纳米范围内可调谐
典型激光器
几种重要的激光器
• • • • • • • 固体激光器 气体激光器 光纤激光器 半导体激光器 化学激光器与染料激光器 准分子激光器 自由电子激光器
固体激光器的特点
• • • • • • • • 体积小 功率高 稳定性较好 光泵浦 稳定性好 寿命长 可连续或脉冲工作 脉冲固体激光器可达极高的峰值功率
• 视力检查：包括不戴镜视力和戴镜最佳矫正视力。 • 屈光检查：包括初检、散瞳验光和复验三个步骤。验光度 数正确与否直接影响手术效果。 • 眼前节及眼底检查：重点检查角膜透明度是否有疤痕，晶 体是否浑浊，眼底检查是否有玻璃体浑浊、眼底病变等。 • 眼压检查：以排除高眼压和青光眼的可能性。 • 角膜曲率检查：排除圆锥角膜及扁平角膜可能性。 • 角膜测厚：对角膜中心厚度低于500者，如果病人是高度 近视，应注意角膜中心切削深度，术前向患者说明有关情 况。 • 角膜地形图检查：主要目的是对整个角膜表面的规则性和 对称性有所了解，除外各种异常因素。 • 术前停戴隐形眼镜二周
He-Ne激光器
He-Ne激光器谐振腔
He-Ne激光器
输出波长： 0.6328µm 1.15 µm 3.39 µm
He-Ne激光器放电电流、 气压和输出功率的关系
He-Ne激光器
• • • • • 在可见波段有输出 输出功率一般仅为几个毫瓦或数十个毫瓦 线宽基本是多普勒加宽 线宽非常窄，约1.5GHz 当激光器腔长为10~15cm时，仅含2个模式
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– 自由电子激光器 • 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。
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。
（=3.39μm ；=1.15μm）
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：337.1nm、357.7nm
氮分子激光器VSL337ND-S Nitrogen Laser
3. 半导体激光器
由不同组分的半导体材料做光器
3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser
The high-performance, tunable, solid state IR 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
（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： =10.6μm
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 ；
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 10～50nS，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。
（3）氮分子激光器
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溶于甲醇或者乙二醇。
工作原理
• 将充有染料溶液盒放 置于激光腔内，提供 泵浦，产生激光。
• 用光栅代替反射镜。 激发辐射带宽降低到 0.5 Å，可以让激光 在整个荧光带范围内 调节。
• 泵浦可以用闪光灯来 实现，得到的激光脉 宽1ms，峰值功率几 kW，重复频率1Hz。 也可以用固定波长激 光器泵浦。
温州大学研究生课程 激光先进制造技术
第2章 典型激光器介绍
2013年秋·机电工程学院
典型激光器
1、 常见激光器概述
激光器的分类
已记录到的激光振荡波长有一万种以上。
• 按激光工作介质：
• 按化学组成：
– 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
– 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
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
4、液体激光器
❖ 以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质 的激光器
优点： ❖ 波长可调谐，调谐范围宽 ❖ 光谱分辨率高 ❖ 结构简单 ❖ 价格便宜 ❖ 稳定性差
若丹明6G（Rhodamine 6G）
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10~20%→单模
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）
工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲
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。
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。
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。
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Dye laser output curves of some common laser dyes
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5、自由电子激光器
（1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质
= 1.053 μm
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 工作物质：红宝石晶体
输出波长： 输出线宽：
694.3nm 0.01 ~ 0.1nm
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1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
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
2. 气体激光器
工作物质: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 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）