典型激光器简介ppt课件
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新激光第三章典型激光器01PPT课件
02 激光原理概述
激光产生的基本原理
受激发射
当原子或分子吸收特定频率的光 子后，其电子从低能级跃迁至高 能级，当电子从高能级回落到低 能级时，会释放出与原光子频率
相同的光子。
光学共振腔
为了形成持续的激光输出，需要 一个光学共振腔来选择特定频率 的光子，并维持光子在其中的共
振。
泵浦机制
通过外部能量源（如电流或光泵 浦）为原子或分子提供能量，使 其从低能态跃迁至高能态，为受
激光与其他技术的结合
随着科技的不断发展，激光技术将与其他技术如人工智能 、物联网等结合应用，实现更高效、更智能的技术解决方 案。
05 结论
本章总结
01
02
03
04
理解了典型激光器的原理和结 构，包括气体、固体、染料和
半导体激光器等。
掌握了不同类型激光器的特点 和优缺点，以及它们在不同领
域的应用。
激光在科学研究领域的应用
激光光谱学
利用激光技术进行光谱分析，研究物质的分 子结构和化学性质。
激光显微镜
利用激光技术提高显微镜的分辨率和观察能 力，可观察微小生物和细胞结构等。
激光雷达
利用激光技术进行遥感测量和环境监测，具 有高精度、高分辨率等特点。
激光操控
利用激光能量对微观粒子进行精确操控，如 量子计算、量子通信等。
通信。
测量
由于激光的高亮度和方向性， 可以用于各种高精度测量，如 距离、角度、速度等。
加工
激光的高能量密度可用于各种 材料的加工，如切割、焊接、 打标等。
医学
激光可用于各种医学治疗和诊 断，如眼科手术、皮肤科治疗
、肿瘤治疗等。
03 典型激光器介绍
气体激光器
激光器认知PPT课件
主材料：晶体或玻璃
晶体：1)金属氧化物 Al2O3，氧化钇Y2O3，钇铝石榴石Y3Al5O12 （YAG）。2)铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等晶体：铝酸钇YALO3(YAP)、氟磷酸 钙Ca(PO4)3F等。3) 氟化物晶体：氟化钙CaF2、氟化钡BaF
玻璃：硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃
（有高的机械强度、高的导热特性）
Er3+-YAG激光器的泵浦效率较低
激光波长2.94um为人体组织的吸收波长， 在激光外科及血管外科上有较大应用前景，
2019/9/19
22
3、钕玻璃激光器
钕玻璃是把Nd2O3掺入到光学玻璃中（硅酸盐、磷酸盐等）制成的。 Nd2O3的参入浓度为1-5%(重量) 钕玻璃的吸收光谱与YAG相似，但吸收带较宽
图5.6
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20
Nd-YAG激光器的特性
1. 连续或脉冲工作方式 2. 脉冲频率：10-100Hz 3. 连续功率输出：10-100w 4. 脉冲输出功率：50mJ—10J 5. 波长: 1.06um，采用非线性晶体倍频，可实现
二倍频：532nm 三倍频：355nm 四倍频：266nm
激光材料：Al2O3 +0.01%…0.5% Cr3+
2E能级分解成二个能级：2A、E，△E=29cm-1 辐射波长：694.3nm和692.9nm
2A和E能级上的粒子数由波尔兹曼分布确定
三能级系统
N2 (2 A) / N2 (E ) 0.87
激光振荡时只有694.3nm的激光输出
2019/9/19
870nm，带宽约30nm 其中750nm、805nm吸收最强
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18
图5.5
四能级系统
激光器介绍PPT课件
S
iT
AmpA. /V
Sig. Lock-in Amp. Ref.
D Vds
检测 信号
场
太
效
➢ I-V
赫
应
基
➢ 电导
本 特
➢ 跨导
性
测
试
兹 检 测 特 性 测 试
➢ ITHz-Vg ➢ 响应度 ➢ 等效噪声功率 ➢ 响应频谱 ➢ 响应速度 ➢ 偏振特性
第8页/共74页
测试及优化_无特意设计天线结
构
circuits integrated)
5.3 mA/W or 150 V/W @ 650 GHz
NEP ~ 0.5 nW/Hz0.5
Self-mixing
Panasonic Corp. （ Tohoku University,
Japan (2010)）
68th Device Research Conference
2nd step: :三极子蝶形共振天线器件对比
Photocurrent (nA) Photocurrent (nA)
三极子蝶形共电振学天特线性 +纳米栅
三极子蝶形共光振学天特线性+纳米栅+滤波器
1.8
s1o.6urce
drain
1.8
so1u.6rce
drain
1.4
1.4
1.2
Ohmic
1.0
dG/dV (a.u.) g
0.6
1.2
0.5
G (300 K)
0.4
G (77 K) 0.8
dG/dV (300 K)
0.3
g
dG/dV (77 K)
g
0.2
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
• 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。
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27
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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14
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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15
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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16
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。
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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27
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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15
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。
新激光ppt课件第三章 典型激光器03
激光束的空间分布示意图
光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光谱。其 中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为 几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的 激光光谱，谱宽达几十埃。
仍比气、
固宽
得多
GaAs激光器的发射光谱
转换效率:
注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功 率，转换效率极高。
4.单异质结半导体激光器:
激活区厚度 d 2m 光波导效应
阈值电流密度降低
由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致 使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,
脉冲工作的典型阈值电流密度达3X104~5X104A/cm2,
而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约
8000A/cm2。
在单异质器件中,有源区宽度d值是关键 因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它 存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对 载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称 波导内光波传输的损耗过大。对于 质量好的典型单异质结激光器, d值的范围在2~2.5um之间。 单异质结激光器的Jth虽比 同质结小若干倍,但仍d较高, 所以常与同质结器件一样用 作脉冲器件。这种器件的脉 冲功率可达数十瓦,寿命可 达数万小时以上.
固体的能带
不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这
个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一
个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg
来
衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应 关系。
电子轨道,能级,和能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带 叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为 “满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带 叫做“空带” ，若价带中的电子受激而进入空带，则此 空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带 后留下一些空着的能级称为“空穴”。
光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光谱。其 中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为 几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的 激光光谱，谱宽达几十埃。
仍比气、
固宽
得多
GaAs激光器的发射光谱
转换效率:
注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功 率，转换效率极高。
4.单异质结半导体激光器:
激活区厚度 d 2m 光波导效应
阈值电流密度降低
由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致 使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,
脉冲工作的典型阈值电流密度达3X104~5X104A/cm2,
而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约
8000A/cm2。
在单异质器件中,有源区宽度d值是关键 因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它 存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对 载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称 波导内光波传输的损耗过大。对于 质量好的典型单异质结激光器, d值的范围在2~2.5um之间。 单异质结激光器的Jth虽比 同质结小若干倍,但仍d较高, 所以常与同质结器件一样用 作脉冲器件。这种器件的脉 冲功率可达数十瓦,寿命可 达数万小时以上.
固体的能带
不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这
个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一
个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg
来
衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应 关系。
电子轨道,能级,和能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带 叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为 “满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带 叫做“空带” ，若价带中的电子受激而进入空带，则此 空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带 后留下一些空着的能级称为“空穴”。
激光器的简介以及发展历程课件
详细描述
气体激光器通常采用气体作为增益介质，通过放电或燃烧等方式激发气体内部 的原子或分子，使它们跃迁到高能级状态，从而实现光的放大。常见的气体激 光器有氦氖激光器和二氧化碳激光器等。
液体激光器
总结词
利用液体作为增益介质的激光器。
详细描述
液体激光器通常采用有机染料或重金属盐溶液作为增益介质，通过激发介质内部 的分子或离子产生光子，从而实现光的放大。常见的液体激光器有染料激光器和 金钠米激光器等。
科研领域
激光光谱学
利用激光技术对物质进 行光谱分析，以研究其
组成和结构。
激光物理
利用激光技术对物理现 象进行研究和实验，如 量子光学、非线性光学
等。
激光化学
利用激光技术对化学反 应进行激发和观测，以 提高化学反应的效率和
产率。
生物医学成像
利用激光技术对生物组 织进行无损检测和成像 ，如光学显微镜、共聚
02
激光器的发展历程
激光器的起源
激光器的起源可以追溯到20世纪60年代，当 时科学家们开始探索光的相干性，并发现了 光的受激发射现象。
1960年，美国科学家梅曼发明了第一台红宝 石激光器，从此开启了激光技术的新篇章。
激光器的发明引起了广泛的关注和兴趣，因 为它具有高亮度、高方向性、高单色性和高 相干性的特点，为科学研究、工业生产和军 事领域提供了新的工具和手段。
焦显微镜等。
感谢您的观看
THANKS
02
光束质量
激光的光束质量影响其聚焦和 传输效果，光束质量越高，激 光的亮度越高。
03
稳定性
激光器的稳定性对其应用效果 和使用寿命具有重要影响，稳 定的激光器能够保证长时间的 工作效果。
04
气体激光器通常采用气体作为增益介质，通过放电或燃烧等方式激发气体内部 的原子或分子，使它们跃迁到高能级状态，从而实现光的放大。常见的气体激 光器有氦氖激光器和二氧化碳激光器等。
液体激光器
总结词
利用液体作为增益介质的激光器。
详细描述
液体激光器通常采用有机染料或重金属盐溶液作为增益介质，通过激发介质内部 的分子或离子产生光子，从而实现光的放大。常见的液体激光器有染料激光器和 金钠米激光器等。
科研领域
激光光谱学
利用激光技术对物质进 行光谱分析，以研究其
组成和结构。
激光物理
利用激光技术对物理现 象进行研究和实验，如 量子光学、非线性光学
等。
激光化学
利用激光技术对化学反 应进行激发和观测，以 提高化学反应的效率和
产率。
生物医学成像
利用激光技术对生物组 织进行无损检测和成像 ，如光学显微镜、共聚
02
激光器的发展历程
激光器的起源
激光器的起源可以追溯到20世纪60年代，当 时科学家们开始探索光的相干性，并发现了 光的受激发射现象。
1960年，美国科学家梅曼发明了第一台红宝 石激光器，从此开启了激光技术的新篇章。
激光器的发明引起了广泛的关注和兴趣，因 为它具有高亮度、高方向性、高单色性和高 相干性的特点，为科学研究、工业生产和军 事领域提供了新的工具和手段。
焦显微镜等。
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02
光束质量
激光的光束质量影响其聚焦和 传输效果，光束质量越高，激 光的亮度越高。
03
稳定性
激光器的稳定性对其应用效果 和使用寿命具有重要影响，稳 定的激光器能够保证长时间的 工作效果。
04
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氦氖激光器
总结词：低成本
详细描述：氦氖激光器的成本较低，价格相对较为实惠，因此被广泛应用于各种 领域。此外，由于其结构简单、易于维护和操作，也降低了使用成本。
氦氖激光器
总结词：连续
详细描述：氦氖激光器可以产生连续输出的激光，其波长为632.8nm，属于可见光范围。这种连续输出的 激光可以用于各种需要长时间稳定输出的场合，如指示、测量等。
激光焊接
通过激光束将金属或非金属材料 连接在一起，具有熔池小、热影 响区窄、焊接强度高等优点。
激光打标
在各种材料表面进行永久性标 识，广泛应用于产品追溯、防 伪鉴别等领域。
激光清洗
利用激光能量去除物体表面的 污垢、油渍等杂质，具有高效
、环保的优点。
医疗美容
激光治疗
利用激光能量对皮肤问 题进行精确治疗，如雀
详细描述
气体激光器利用气体作为增益介质，通过放电或燃烧等方式激发气体分子从低能级跃迁到高能级，再 通过受激辐射回到低能级，释放出光子形成激光。气体激光器具有输出功率高、效率高、结构简单等 优点，可应用于科研、工业、医疗等领域。
液体激光器
总结词
具有波长可调谐范围宽、输出功率稳定等优点，广泛应用于生物医学、化学分 析等领域。
要点二
详细描述
随着激光技术的广泛应用，激光安全与环保问题日益突出 。为了确保人员安全和环境保护，需要采取一系列措施， 如制定安全规范、加强人员培训、研发环保型激光器等。 同时，还需要关注废弃物处理问题，确保激光技术的可持 续发展。
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新激光第三章典型激光器03ppt课 件
目录
• 引言 • 激光器的分类 • 典型激光器的特性与原理 • 激光器的应用领域 • 未来激光技术的发展趋势与挑战
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12
(6) 自由电子激光器 是一种新型激光器 工作物质：相对论电子束——通过电子加速器加速的高能 电子。自由电子激光器将相对论电子束的动能转变为激光 辐射能 激励：空间周期磁场或电磁场 特点：能量转换效率、输出激光波长连续可调 应用：在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的应用 前景
13
(7) X射线激光器 输出波长位于X射线波段(1-10nm) 工作物质：高度电离的等离子体 激励：光激励，须特殊的X射线源
3、按照激光技术的应用划分 调Q激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器 4、按照谐振腔类型划分
非稳腔激光器、平面腔激光器、球面腔激光器等等
15
第二节 固体激光器
固体激光器在激光器家族中具有最长的历史 我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝石激光器”， 1961年8月诞生于中国科学院长春光机所。 激光器的设计师是王之江教授。王之江教授因此被中国光 学界尊称为“中国激光之父”。“小球照明红宝石激光器” 在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步，主要表现在 激励氙灯采用直管式，而非螺旋形；红宝石棒与氙灯并排 放在球形聚光器的球心附近。这种结构可以获得更高的激 励效率。直至今天，闪光灯激励的固体激光器还大都采用 这种方式
2
第一节 概述
1.1 激光器的基本结构
激光器的基本结构：工作物质、激励源、光学谐振腔 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 激励源为工作物质中实现粒子数反转分布提供能源
3
1.2 激光器的分类及主要输出特性
1、按照激光工作物质划分
(1) 固体激光器 以固体激光介质作为工作物质 固体工作物质通常是在基质材料中掺入少量金属离子
(8) 光纤激光器 工作物质：掺入某些激活离子的光纤，或利用光纤本身的 非线性光学效应 激励：半导体激光二极管激励 特点：总增益高、阈值低、能量转换率高、很宽的波长调 谐范围，器件结构紧凑 1963年，第一台光纤激光器——Nd2O3光纤激光器问世 14
2、按照激光工作方式划分
连续输出和脉冲输出两种工作方式：连续激光器、脉冲 激光器
大(CO2激光器等)，器件结构简单，造价低廉 应用：计量、材料加工、激光通信、能源等 1961年，第一台气体激光器——He-Ne激光器问世
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(3) 液体激光器 工作物质：有机化合物液体(染料)和无机化合物液体
常用的染料有：吐吨类染料、香豆类激光染料、恶嗪激光 染料、花青类染料 激励：主要有激光激励和闪光灯激励两种形式 波长范围：紫外-近红外波段(300nm~1.3mm)，通过混频技 术可以将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段 特点：波长连续可调，器件结构简单、价格低廉；染料溶 液稳定性比较差 1966年世界上第一台染料激光器——氯铝钛花青染料激光 器问世，采用红宝石激光激励
激光原理与技术
LASER Principles and Technology
赵风周
物理学院 2019年5月
1
第三章 典型激光器
1960年，休斯顿飞机公司的梅曼博士研制成功世界上第一台 红宝石激光器 为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，为光 学领域注入了生机，产生了量子光学、非线性光学等现代光 学分支
波长范围：位于可见光-近红外波段，激光谱线数千条 特点：输出能量大，运转方式多样，固体激光器结构紧
凑、牢固耐用、易与光纤耦合传输 应用：工业、国防、科研、医学等领域
——激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激 光核聚变等
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(2) 气体激光器 以气体和金属蒸气作为工作物质 根据工作气体性质，分为原子激光器、分子激光器、离子
激光器 ① 原子激光器：跃迁发生在气体原子不同激发态之间。主要
采用氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锰、锌、铅等 金属原子蒸汽。代表He-Ne激光器 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
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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
(激活离子)，激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级 之间 激活离子：三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过 渡金属离子、锕系金属离子 典型代表：红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石 激光器(Nd3+:YAG)、钕玻璃激光器、钛宝石激光器
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3+
激励：固体激光器多采用光激励，光源主要有闪光灯和 半导体激光二极管
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(4) 半导体激光器 半导体激光二极管，或激光二极管(Laser Diode, LD） 工作物质：半导体材料。
① IIIA-VA族化合物半导体，GaAs、InP、等 ② IIB-VIA族化合物半导体，CdS等 ③ IVA-VIA族化合物半导体，PbSbTe等
类型：同质结、异质结(单、双)、量子阱 激励：注入电流激励 波长范围：近红外波段(920nm~1.65mm) 特点：能量转换率高、易于进行高速电流调制、超小型化、 结构简单、寿命长(十万甚至百万小时)
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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
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(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 引发、电引发、化学引发等 波长范围：紫外-微米波段 特点：功率高、能量输出高、无需外界提供激励源，可将 化学能直接转化成激光能量，特别适合野外等无电源处 应用：激光武器、同位素分离 1964年，第一台光解离碘原子化学激光器问世
④ 离子激光器：工作物质是已电离的气体离子，跃迁发生在 气体离子的不同激发态之间。 采用的气体离子主要有惰性气体离子、分子气体离子、金 属蒸汽离子等。典型代表：Ar+激光器
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激励：主要是气体放电激励，还有电子束激励、热激励、 化学反应激励
波长范围：位于真空紫外-远红外波段，激光谱线上万条 特点：输出光束质量高(方向性单色性好)，连续输出功率
(6) 自由电子激光器 是一种新型激光器 工作物质：相对论电子束——通过电子加速器加速的高能 电子。自由电子激光器将相对论电子束的动能转变为激光 辐射能 激励：空间周期磁场或电磁场 特点：能量转换效率、输出激光波长连续可调 应用：在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的应用 前景
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(7) X射线激光器 输出波长位于X射线波段(1-10nm) 工作物质：高度电离的等离子体 激励：光激励，须特殊的X射线源
3、按照激光技术的应用划分 调Q激光器、锁模激光器、稳频激光器、可调谐激光器 4、按照谐振腔类型划分
非稳腔激光器、平面腔激光器、球面腔激光器等等
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第二节 固体激光器
固体激光器在激光器家族中具有最长的历史 我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝石激光器”， 1961年8月诞生于中国科学院长春光机所。 激光器的设计师是王之江教授。王之江教授因此被中国光 学界尊称为“中国激光之父”。“小球照明红宝石激光器” 在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步，主要表现在 激励氙灯采用直管式，而非螺旋形；红宝石棒与氙灯并排 放在球形聚光器的球心附近。这种结构可以获得更高的激 励效率。直至今天，闪光灯激励的固体激光器还大都采用 这种方式
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第一节 概述
1.1 激光器的基本结构
激光器的基本结构：工作物质、激励源、光学谐振腔 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 激励源为工作物质中实现粒子数反转分布提供能源
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1.2 激光器的分类及主要输出特性
1、按照激光工作物质划分
(1) 固体激光器 以固体激光介质作为工作物质 固体工作物质通常是在基质材料中掺入少量金属离子
(8) 光纤激光器 工作物质：掺入某些激活离子的光纤，或利用光纤本身的 非线性光学效应 激励：半导体激光二极管激励 特点：总增益高、阈值低、能量转换率高、很宽的波长调 谐范围，器件结构紧凑 1963年，第一台光纤激光器——Nd2O3光纤激光器问世 14
2、按照激光工作方式划分
连续输出和脉冲输出两种工作方式：连续激光器、脉冲 激光器
大(CO2激光器等)，器件结构简单，造价低廉 应用：计量、材料加工、激光通信、能源等 1961年，第一台气体激光器——He-Ne激光器问世
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(3) 液体激光器 工作物质：有机化合物液体(染料)和无机化合物液体
常用的染料有：吐吨类染料、香豆类激光染料、恶嗪激光 染料、花青类染料 激励：主要有激光激励和闪光灯激励两种形式 波长范围：紫外-近红外波段(300nm~1.3mm)，通过混频技 术可以将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段 特点：波长连续可调，器件结构简单、价格低廉；染料溶 液稳定性比较差 1966年世界上第一台染料激光器——氯铝钛花青染料激光 器问世，采用红宝石激光激励
激光原理与技术
LASER Principles and Technology
赵风周
物理学院 2019年5月
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第三章 典型激光器
1960年，休斯顿飞机公司的梅曼博士研制成功世界上第一台 红宝石激光器 为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，为光 学领域注入了生机，产生了量子光学、非线性光学等现代光 学分支
波长范围：位于可见光-近红外波段，激光谱线数千条 特点：输出能量大，运转方式多样，固体激光器结构紧
凑、牢固耐用、易与光纤耦合传输 应用：工业、国防、科研、医学等领域
——激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激 光核聚变等
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(2) 气体激光器 以气体和金属蒸气作为工作物质 根据工作气体性质，分为原子激光器、分子激光器、离子
激光器 ① 原子激光器：跃迁发生在气体原子不同激发态之间。主要
采用氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锰、锌、铅等 金属原子蒸汽。代表He-Ne激光器 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
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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
(激活离子)，激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级 之间 激活离子：三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过 渡金属离子、锕系金属离子 典型代表：红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石 激光器(Nd3+:YAG)、钕玻璃激光器、钛宝石激光器
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激励：固体激光器多采用光激励，光源主要有闪光灯和 半导体激光二极管
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(4) 半导体激光器 半导体激光二极管，或激光二极管(Laser Diode, LD） 工作物质：半导体材料。
① IIIA-VA族化合物半导体，GaAs、InP、等 ② IIB-VIA族化合物半导体，CdS等 ③ IVA-VIA族化合物半导体，PbSbTe等
类型：同质结、异质结(单、双)、量子阱 激励：注入电流激励 波长范围：近红外波段(920nm~1.65mm) 特点：能量转换率高、易于进行高速电流调制、超小型化、 结构简单、寿命长(十万甚至百万小时)
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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
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(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 引发、电引发、化学引发等 波长范围：紫外-微米波段 特点：功率高、能量输出高、无需外界提供激励源，可将 化学能直接转化成激光能量，特别适合野外等无电源处 应用：激光武器、同位素分离 1964年，第一台光解离碘原子化学激光器问世
④ 离子激光器：工作物质是已电离的气体离子，跃迁发生在 气体离子的不同激发态之间。 采用的气体离子主要有惰性气体离子、分子气体离子、金 属蒸汽离子等。典型代表：Ar+激光器
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激励：主要是气体放电激励，还有电子束激励、热激励、 化学反应激励
波长范围：位于真空紫外-远红外波段，激光谱线上万条 特点：输出光束质量高(方向性单色性好)，连续输出功率