典型激光器
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。
各种典型激光器原理
氦氖激光器
氦氖激光器使用氮气和氖气的混合物作为工作气体。这种激光器产生可见光， 通常在红色、绿色和黄色波长范围内。氦氖激光器具有高效率、长寿命和稳 定的输出特性。
二氧化碳激光器
二氧化碳激光器使用二氧化碳分子作为激发介质。它们产生的激光主要是红外线光，可用于切割、打孔、激光 治疗等应用。二氧化碳激光器是商业和医疗领域最常用的激光器之一。
半导体激光器
半导体激光器基于半导体材料的特性。它们小巧、高效，常用于通信、激光打印和光存储等领域。半导体激光 器还可以通过改变工作电流调节输出频率和功率。
钛宝石激光器
钛宝石激光器使用钛宝石晶体作为激发介质。它们产生的激光具有脉冲宽度 短、波长可调节的特性，广泛应用于化学、生物、材料科学等领域的研究。
各种典型激光器原理
激光器是一种产生单色、高亮度、相干且聚焦成束的光源。本演示将介绍激 光器的基本原理以及各种典型的激光器类型和应用。
激光器的基本原理
激光器工作基于受激辐射和光放ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效应。激发介质中的原子或分子由于能量 吸收而处于激发态，而后通过受激辐射过程与其他自由原子或分子发生相互 作用，产生出与激发辐射的频率和相位相同的光。
光纤激光器
光纤激光器使用光纤作为激光传输的媒介。它们具有小尺寸、高能量转换效 率和灵活的束传输特性。光纤激光器广泛应用于通信、材料加工和传感器等 领域。
其他激光器及激光应用
除了上述类型的激光器外，还有很多其他类型的激光器，如纤维激光器、固体激光器、气体激光器等。此外， 激光技术在医学、制造、测量、娱乐等各个领域都有广泛的应用，如激光切割、激光雕刻、激光测距、激光秀 等。
周炳坤激光原理与技术课件第九章 典型激光器与激光放大器
钕玻璃中Nd3+的吸收谱：
三、Nd:YVO4激光器
——掺钕钒酸钇激光器 优点：受激发射截面大，是Nd:YAG的5倍 在 λ = 809nm 存在很强的吸收带，更适用激光管泵浦，YVO4 是双折射 晶体，激光输出 π 方向偏振光，可避免多余的热致双折射
四、Nd:YLF激光器
• Nd:YLF（Nd:Li YF）发射 1053nm波长激光，与掺Nd的 磷酸玻璃的峰值增益相匹配， 适用于制作激光放大器 Nd:YLF的荧光寿命是Nd:YAG 的2倍，适合于激光二极管抽 运，由于荧光寿命长，Nd:YLF 提供的储能是Nd:YAG的两倍 Nd:YLF能级及其跃迁图 发射1053nm和1047nm。可用 腔内起偏器选择
Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线
Lexel Argon Laser
§9.2.3 二氧化碳激光器
一、 CO2激光器的特点
• • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
（a）同轴泵浦 （b）傍轴泵浦
• 钛宝石激光器的应用——双端差分吸收激光雷达
§9.2 气体激光器
主要气体：He-Ne、CO2、Ar+、Kr、He-Cd、N2等 优点：气体光学均匀性好 光束质量好：单色性高，相干性好，光束稳定性好 功率大：如CO2激光10.6um可达Kw以上 寿命长 激励方式： 导电激励为主 气体放电激励： 热激励 化学激励
三、抽运方式 1、气体放电灯（闪光灯）激励——光泵
常用氙灯、氪灯
泵浦光源应该满足两个基本条件：
(1)、闪光灯光泵应与激光物质吸收谱重合
高压氙灯的发射光谱
1-3激光器的基本组成及典型激光器介绍
2019年8月22日星期四
理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
1、工作物质——激光产生的内因，实现粒子 数反转和产生光的受激辐射作用的物质体系。
☞ 激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于
合适的工作物质。
☞ 二能级系统能否实现粒子数反转???
☞ 亚稳能级：需要一个可以有较长寿命且能贮存 大量粒子的能级，经过不断激发，粒子数反转就 能实现，这样的能级称为“亚稳能级”。
核能激励——用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变 碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数反转；
2019年8月22日星期四
理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
3、谐振腔：形成激光振荡的必要条件；对输出
的模式、功率、光束发散角等均有很大影响。
谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的 反馈，产生光放大； 谐振腔的组成：谐振腔由全反射镜和部分反射 镜（输出反射镜）组成，激光由部分反射镜输 出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界 稳定腔。
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理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振 腔和冷却滤ห้องสมุดไป่ตู้系统四个主要部分组成。
基 工作 质 物质 掺
杂 泵浦系统
激光波长
红宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12
Cr2O3
Nd2O3
§ 1-3 典型激光器简介
☞ 激励不仅要快，还有强有力；
☞ 激励作用是通过消耗一定的能量来实现的，产生 受激辐射所需要的最小激励能量称为激光器的阈值 （threshold）；
☞ 激励方式（Practical laser materials can be pumped in many ways.）：光、电、化学、原子能；
第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵
能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 典型激光器介绍
▪ Ar+离子激光器
➢ Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
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3.1 典型激光器介绍
3、不同介质介面（平面）
ro ri 0
ro
0
1 2
ri
1
ro ro
0
0
1 2
ri ri
Байду номын сангаас
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
辐射不是基于原子分子或离子的束缚电子能级间的跃磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动从而产生辐射当速度接近光速的电子作圆周运动时将会辐射出光子由于这种辐射1947年在同步加速器上被发现的因而被命名为同步辐射synchrotronradiation切伦科夫辐射当电子在介质中运动时如果它们的速度比光在介质中的相速度大电子也会产生光辐射其波长随着电子速度而变化虽然光很弱但却是单色性很好的辐射光
➢ 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，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～ 2毫弧度。
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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27
1、红宝石的基本特性
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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。
各功率激光的特点
常见激光技术总结目前常见的激光器按工作介质分气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器5大类，近来还发展了自由电子激光器。
大功率激光器通常都脉冲方式输出已获得较大的峰值功率。
单脉冲激光指的是几分钟才输出一个脉冲的激光，重频激光指的是每分钟输出几次到每秒输出数百次甚至更高的激光。
一、气体激光器1.He-Ne激光器：典型的惰性气体原子激光器，输出连续光，谱线有632.8nm（最常用），1015nm，3390nm，近来又向短波延伸。
这种激光器输出地功率最大能达到1W，但光束质量很好，主要用于精密测量，检测，准直，导向，水中照明，信息处理，医疗及光学研究等方面。
2.Ar离子激光器：典型的惰性气体离子激光器，是利用气体放电试管内氩原子电离并激发，在离子激发态能级间实现粒子数反转而产生激光。
它发射的激光谱线在可见光和紫外区域，在可见光区它是输出连续功率最高的器件，商品化的最高也达30-50W。
它的能量转换率最高可达0.6%，频率稳定度在3E-11，寿命超过1000h，光谱在蓝绿波段（488/514.5），功率大，主要用于拉曼光谱、泵浦染料激光、全息、非线性光学等研究领域以及医疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。
3.CO2激光器：波长为9~12um（典型波长10.6um）的CO2激光器因其效率高，光束质量好，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中最重要的，用途最广泛的一种激光器。
主要用于材料加工，科学研究，检测国防等方面。
常用形式有：封离型纵向电激励二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、轴快流高功率二氧化碳激光器、横流高功率二氧化碳激光器。
4.N2分子激光器：气体激光器，输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns，重复频率为数十至数千赫，作可调谐燃料激光器的泵浦源，也可用于荧光分析，检测污染等方面。
5.准分子激光器：以准分子为工作物质的一类气体激光器件。
典型激光器介绍染料激光器讲解ppt课件
2. 棱镜调谐
介 绍
➢图(5-21)是一种折叠式纵向 泵浦染料激光器原理图，腔内
放置的棱镜是一种色散元件。
图(5-20) 光栅-反射镜调谐腔
§5.3
染 料 激 光 器
图(5-21) 棱镜调谐腔
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
激
红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、
光
0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。
器 介
➢图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。
绍
§5.3
染 料 激 光 器
图(5-19) 三镜腔式染料激光器
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
5.3.3 染料激光器的调谐
第
1. 光栅调谐
五 章
➢图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。
典
型
激
光 器
5.3.3 染料激光器的调谐
第
3. 双折射滤光片调谐
五 章
➢利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的 Ar＋激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(5－22)
典
给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。
型
激
光
器
介
绍
各种典型激光器原理
各种典型激光器原理激光器是一种产生、放大和输出激光光束的器件，是现代科学和工程领域中重要的设备之一、激光器的工作原理有多种类型，下面将介绍几种典型的激光器原理。
1.固体激光器固体激光器是利用固体材料中的电子跃迁产生激光。
其中，最常见的原理是通过注入能量来激发固体材料中的激活离子，而这些激活离子会通过受激辐射而释放出激光。
固体激光器中常用的激活离子有Nd3+、Er3+和Cr3+等。
这种类型的激光器通常使用将激发能量输送给激活离子的光泵浦器，例如激光二极管。
从而激活离子跃迁到高能级，最终产生激光。
2.气体激光器气体激光器是利用气体放电产生激光的器件。
其中最典型的是氦氖激光器（He-Ne激光器），其工作原理是通过在氦气与氖气混合的管道中通过直流或射频电波产生气体放电，激活氖离子，使其跃迁产生激光。
氦氖激光器的激光波长通常在632.8纳米，属于可见光范围。
气体激光器还包括二氧化碳激光器和氩离子激光器等。
3.半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料中电子和空穴的复合过程产生激光。
通常使用p-n结构的半导体材料（如GaAs、InGaAs等），通过向p区注入电流，通过与n区的电子复合生成激光。
这种类型的激光器结构简单、小型化、功耗低，广泛应用于通信、激光打印机等领域。
4.光纤激光器光纤激光器是利用光纤的增益介质产生和放大光信号的激光器。
典型的光纤激光器是光纤光放大器（EDFA）和光纤光源（EFL）。
工作原理是通过将其中一种激活离子（如铒）掺杂到光纤核心中，通过泵浦光在光纤中引起激活离子的受激辐射，从而产生激光。
光纤激光器具有高增益、窄谱线特性和高可靠性等优点，广泛应用于通信、医疗和科研领域。
5.CO2激光器CO2激光器是一种以CO2气体为工作物质产生激光的器件。
其工作原理是利用CO2气体分子的振动和旋转能级跃迁来放大激光信号。
通过电子放电激发CO2气体分子至激发态，然后利用电子和激发态分子的碰撞来将能量转移给其他CO2分子，产生连续激光。
各种激光器的比较
各种激光器比较一、气体激光器（1）：原子激光器典型特例，He—Ne激光器，他发出的激光波长为0.6328um，输出功率几毫瓦到100毫瓦之间，能量转换功率低，约为0.01%。
激光器器方向性，单色性好，谱线宽度窄。
该激光器常用来外科医疗，激光美容，建筑测量，准直指示，激光陀螺等。
（2）：离子激光器典型特例，Ar+离子激光器，波长大约为0.488um的蓝光，输出功率约为150W。
能量转换功率为1%。
长用此激光器用做彩色电视，信息储存，全息照相等方面。
（3）：分子激光器典型特例，CO2激光器，波长约为10.6um的红外线。
输出功率与管长成正比，1M的管长可获得100W的输出功率。
能量转换效率较高，大约为30%。
单色性好。
能量输出强，常用来美容，工业和军事上。
（4）：准分子激光器是稀有气体与卤素气体的混合，发出的波长是紫外波。
输出功率小，大约为百微焦。
能量转换功率约为1%。
总述：气体激光器，连续输出功率大，方向性好，其器件造价低廉，结构简单。
二、液体激光器典型特例，若丹明6G染料，他的波长在紫外到红外之间，最大特点是连续可调。
能量转换功率较高，这种激光器特点是制备容易，可循环操作，便宜。
三、固体激光器典型特例，红宝石激光器。
它的波长在可见光到近红外波段，输出功率高，约为20kw。
能量转换率低，仅为0.1%。
单色性差。
但结构紧凑，牢固耐用，易于光纤耦合。
这种激光器广泛用于测距，材料加工，军事等方面。
四、半导体激光器典型特例，砷化镓，硫化镉等。
他的输出波长在近红外波段。
920nm到1.65um之间。
输出功率小，能量转换功率高，但是单色性差。
这种激光器最大特点是体积小，重量轻，结构简单，寿命长。
因此，广泛使用于光纤通信，光信息储存，光信息处理等方面。
激光器的种类讲解
激光器的种类讲解激光器是一种能够产生高纯度、高亮度和一致的光束的装置。
他们在科研、医学、工业和通信等领域中具有广泛的应用。
根据激光器的工作原理和参数，可以将激光器分为多种类型，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器等。
本文将对各种类型的激光器进行深入的讲解。
1.气体激光器：气体激光器是最早被发明出来的激光器类型之一、它们通过用电流激励气体分子来产生所需波长的激光。
常见的气体激光器有氦氖激光器(He-Ne)、二氧化碳激光器(CO2)、氩离子激光器(Ar)等。
气体激光器具有较大的输出功率和较高的波长稳定性，适用于医学、切割和焊接等领域。
2.固体激光器：固体激光器是使用固体材料作为激光介质的激光器。
常见的固体材料有Nd:YAG、Nd:YVO4和Ti:sapphire等。
固体激光器可以通过激光二极管或弧光灯等能量源进行激发。
它们具有高效、高稳定性和长寿命的特点，适用于雷达系统、激光加工和科学研究等领域。
3.半导体激光器：半导体激光器是通过电流注入拥有p-n结构的半导体材料，使其产生激光。
半导体材料可以是单一的半导体材料，如GaAs、InP，也可以是多层薄膜结构，如VCSEL(垂直腔面发射激光器)。
半导体激光器具有小型化、低功率和高效率的特点，广泛应用于通信、光存储和光电显示等领域。
4.光纤激光器：光纤激光器是利用光纤作为激光介质的激光器。
光纤激光器通常包括光纤光源和光纤放大器两个部分。
光纤光源是利用受激辐射从光纤核心产生激光，通常使用稀土离子注入的光纤作为激发材料。
光纤放大器则通过将输入的激光信号放大，从而得到高亮度的激光输出。
光纤激光器具有小型化、高品质和集成化的特点，广泛应用于通信、激光打标和光纤光源等领域。
除了以上所述的主要激光器类型，还有许多其他的激光器类型，例如自由电子激光器、化学激光器和超短脉冲激光器等。
不同类型的激光器在应用领域和性能参数上有着差异。
因此，在选择激光器时，需要根据具体需求来确定最合适的类型和参数。
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。
第1章-典型激光器简介-续分解
• 平坦的EF段。该区域的特点是电流增加,但管压降几乎保 持不变,放电管内出现明暗相间的辉光,称之为正常辉光放 电。辉光放电阶段,由于二次发射的电子随电场的增加而迅 速增加,故当放电管端电压略有增加时,放电电流就增大很 多。辉光放电的电流范围一般在10-4～10-1 A之间
染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光 谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。
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。
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 (LaserDiod，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。
• 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁 发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有 CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光 器的典型代表是CO2 激光器。
• 准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激 发态暂时结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁产 生于其束缚态和自由态之间。采用的准分子气体主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表为XeF* 准 分子激光器。
• 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。
• 1962年,世界上第一台半导体激光器———GaAs激光器 问世。
5）化学激光器 化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光 辐射的。工作物质可以是气体或液体,但目前主要是气体,如 氟化氢(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。
典型激光器发光原理
Ar（3P ns） e(n 4,5) 5 4 Ar（3P ） e Ar（3P nd） e(n 3, 4) Ar（ 4 3P 4p） e
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b、“一步过程”
低气压放电过程
Ar （3P 6） e Ar（ 3P 4 4P）+2e'
35能级跃迁产生激光产生产生1产生120171025241113在光照激励下处于基态的大量钕离子吸收外来光子跃迁到上能级以上的各能级寿命很短这些能级上的粒子很快就以无辐射跃迁的形式跃迁到亚稳态能级能级的寿命较长约有240s这样在上可积累大量粒子在上能级和下能级之间建立粒子数反转分布形成激光输出
满壳层结构的基态1s2 2s2 2 p 6恰好形成一个 封闭的壳层，称为原子实。 原子实的轨道角动量、自旋角动量以及总角 动量均等于0
2018/11/4
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（3）跃迁过程 1 ）高速电子碰撞He原子，激发到 上能级2 S0和2 S1 He+e He (2 S0 )+e ' e：碰撞前电子，e ：碰撞后电子 * 3 ' He+e He (2 S1 )+e “”表示处于激发态
* 1 '
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能级 4 I 11和 4 I 13，可将Nd3+:YAG激光器认为是四能级
2 2 4
系统，如果跃迁到 I 9，则是三能级系统。
2
对于三能级系统，基态粒子数很多，只有在低温 下才能实现0.914 m谱线的激光振荡，对于 4 F3 到
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I 13 和 4 I 11的跃迁，虽然可同时实现粒子数反转。
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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。
激光器的种类及应用
激光器的种类及应用激光器是一种产生高强度、高聚束、单色、相干光的装置。
它们被广泛应用于各个领域，包括医学、通信、材料加工、军事、测量和科学研究等。
下面将介绍几种常见激光器的种类及其应用。
1.气体激光器：气体激光器是最早被发展出来的激光器之一、最常见的气体激光器包括二氧化碳激光器和氩离子激光器。
二氧化碳激光器主要用于材料切割、焊接和打孔等工业应用，还被广泛应用于医学手术和皮肤美容治疗。
氩离子激光器在医学和科学研究中也有广泛应用，例如眼科手术、实验物理和化学研究。
2.固体激光器：固体激光器是一种使用固体材料作为激活介质的激光器。
最常见的固体激光器包括Nd:YAG激光器和铷钾硼酸盐（Nd:YVO4）激光器。
固体激光器有较高的光束质量和较长的寿命，被广泛应用于材料加工、医学、科学研究和军事领域。
它们可以用于切割、钻孔、焊接、标记和激光测距等应用。
3.半导体激光器：半导体激光器是使用半导体材料作为激发源的激光器。
它们具有体积小、功耗低和价格低廉的特点，因此在通信、激光打印、光存储和生物医学等领域得到了广泛应用。
激光二极管是最常见的半导体激光器之一，它们被广泛用于激光打印机、激光扫描仪和激光指示器等设备中。
4.光纤激光器：光纤激光器是利用光纤作为光传输介质的激光器。
它们具有高效率、高功率输出和相对较小的尺寸。
光纤激光器被广泛应用于通信、材料加工和医学等领域。
例如，光纤激光器可以用于光纤通信系统中的信号放大和发送，也可以用于材料切割、焊接和打标等高精度加工过程。
5.半导体激光二极管：半导体激光二极管是一种小型、低功耗的激光器。
它们主要用于光通信、激光打印、激光显示和传感器等领域。
激光二极管被广泛用于光纤通信系统中的光放大器和激光器，也被应用于激光打印机、光盘读写器和激光雷达等设备。
总而言之，激光器的种类繁多，每种类型都有其特定的应用领域。
激光技术的不断进步和创新将会带来更多新的应用和发展机会。
激光原理及应用课件—陈鹤鸣第8章 典型激光器
频率稳定，易获得连续的激光输出。
激光器装置：激光管（放电管），电极，光谐振腔 光谐振腔：内腔式，外腔式
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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8.2.2 He-Ne激光器 1.基本结构
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侧面激励： 采用大功率半导体激光器列阵作泵浦光源，
激光输出功率大
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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8.1.2 红宝石激光器
1. 发光机理 (1)激光工作物质
基质： Al2O3 晶体 掺杂： Cr2O3
（质量比约为0.05 ％）
(2)激光的产生
激光波 长：
694.3nm
4 A2 泵浦
输出功率大，体积小，效率高，适合实现调Q、锁模等技术
8.1.1 固体激光器的基本结构和抽运方式
1. 闪光灯泵浦
脉冲激光器：脉冲氙灯 连续激光器：氪灯，碘钨灯
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2. 半导体激光二极管泵浦 端面激励： 装置简单，泵浦光束与谐振腔模匹配良好，
阈值功率低，斜效率高
染料分子的能级图
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§8.4 新型激光器
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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8.4.1 准分子激光器
准分子： Excimer 一种在激发态能够暂时结合成不稳定分子，而 在基态又迅速离解成原子的缔合物，因而也称 “受激准分子”。
准分子的能级结构
脉冲输出能量达百焦耳量级，脉冲峰值功率达
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。
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固体的能带
固体的能带
本征半导体的能带
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”。 “价带” 和“导带”之间是“禁带”。 在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这 时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半 导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带 上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果 我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可 跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半 导体。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
一、有关半导体的基础知识 1．能带 构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单 个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运动”。 量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每 一个允许能级要分裂成 N个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目 N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小，几乎可把这一段 能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围称为“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 Ev来衡量。下图说明了原子中子轨道、能级 及能带之间的对应关系。
当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。 数值例： GaAs P－N 结激光器
v 3 106 MHz
3.35
1 ln r1r2 40cm1 2L d 2m J阈 150A/cm2 a
同质结和异质结半导体激光器
一、 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
1.伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性 2.阈值电流密度: 影响阈值的因素很多
当给P－N 结加以正向电压V时，如图所示，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏 了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些 增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区的统 一费米能级不复存在，行成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描 述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，造成了粒子数的反转。
此式便是同质结半导体激光器的载流子反转分布条件。其物理意义是： （1）工作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。 （2）因为发射的光子能量基本等于禁带宽度Eg，因而要求(E-F) 一(E+F) >Eg，而P－N 结两边的PP型和NN型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导 带和价带。
这说明半导体激光器的增益不仅要大于零，还必须达到某一数值才能形成激光。 a为损耗，主要包括衍射、自由载流子等引起的非本征吸收及各种损耗。
三、半导体激光器的阈值电流
在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空 穴复合数相等而达到平衡
2 2 1 8 ed J阈 a ln r1r2 2L c2
按运转方式分类
按工作物质分类
染料激光器 半导体激光器
气体激光器
特点： 光学均匀性好，较为理想的高斯光束，方向性好； 气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因而激光的单色性好；
气体的激活密度远小于固体的，因而需要较大体积的工作物质才能获得足够 的功率输出，因此激光器的体积较大；
大多采用气体放电方式来泵浦。 CO2激光器： 波长：10.6um，处于大气窗口，因此广泛用于 激光加工、医疗、大气通信及军事应用。 工作物质：CO2，N2，He 激发跃迁发生在CO2分子的电子基态两个振动转动能级之间；N2的作用是提高激光上能级的 激励效率；He则有助于激光下能级的抽空。
1 8 2v 2 edv J阈 [ a lnr1r2 ] 2L c2
GaAs激光器的伏安特性
降低J阈的值是提高半导体水平的关键，经研究人们发现J阈与以下因素有关： （1）与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件a值差异很大； （2）J阈∝1/L，即阈值电流密度与腔长L成反比； （3） J阈与工作温度的关系十分密切； （4） J阈与反射率r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面，故 r1 =r2 =0.32。当腔长 转短时，若1／2L比a小或接近，一个端面镀金反膜会使J阈 明显降低，但当腔长 L较长时， J阈的降低就不很明显了。
固体激光器的基本结构示意图
半导体激光器
以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。其特点为超小型、高效率、低 成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光 高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光 计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。 自1962年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、 双异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代激光 器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。
EF EF E g （3）所加的正向偏压必须满足 V e e
半导体激光器的基本结构和阈值条件
一、 半导体激光器的基本结构（同质结）
激光器的谐振腔一般是直接利用 垂直于P－N 结的两个端面，由于 GaAs的折射率n＝3.6，所以对于垂直 于端面的光的反射率为32%。为了提 高输出功率和降低工作电流，一般使 其中一个反射面镀金反膜。
Plasma
染料激光器
有机染料分子为激活粒子，溶剂为基质。 特点： 具有很宽的调谐范围。使用不同种类的染料已在紫外至近红外获得了连续可 调谐的窄带高功率激光输出。 可产生超短激光脉冲，脉宽可以短至几十飞秒。
固体激光器
（1）红宝石晶体 红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体 (化学成分是A12O3)。 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。 输出波长：694.3nm （2）掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG) Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部 分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。 输出波长：1.064um, 1.35um （3）钕玻璃 钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量 的Nd2O3制成的。 特点：玻璃各向同性，能均匀掺入较高浓度 激活离子；性能稳定，可自由选择形状与尺 寸。
4.在半导体中产生光放大的条件 (图a—e )中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有自由电子，在它下面已经被电 子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。 (图f )中的情况都只有两费米能级，导带有自由电子，价带中有 空穴，当入射光的频率满足
EF EF hν Eg
时，外来光子会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出 一个同样的光子。
考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N 区的费 米能级来计算
f N ( E2 ) e
价带顶电子占据几率为
1
E2 EF kT
1
f N ( E1 ) e
1
E1 E F 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
f N (E2 ) f N (E1) EF EF E2 E1 Eg
二、 粒子数反转——产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成
结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。
PN结和粒子数反转
一、 P-N结的双简并能带结构
在热平衡系统中(图a—e )中的情况都只有一个费米能级不能产生光放大。把P型 和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成 P－N结。 未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在P－N 结的交界面两侧形成空间电荷 区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运 动达到热平衡时， P区和N区的费米能级必然达到同一水平。
二、 半导体激光器工作的阈值条件
工作物质实现了粒子数反转后，光在谐振腔内传播时便有增益，但能否有效地形成激 光振荡，还与腔内损耗有关。只有在增益恰等于损耗时才能满足振荡的阈值要求。 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
I I 0 r1r2 e
(G a ) 2 L
1 G a lnr1r2 2L
同以气体或固体作为工作物质的激光器一样，欲使半导体材料产生激光，同样要使半 导体材料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共 振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和 固体激光器的特性。因此，要深入了解半导体激光器的特性和原理，我们必须先了解有关 半导体材料的一些理论基础。
2．电子和空穴的统计分布 统计物理学指出：热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费 米分布，一个电子占据能量为E的能级的几率为