典型激光器介绍大全(精华版)

2、 常见激光器工作特性
1、固体激光器
A、固体激光器基本结构及特性
1. 2. 3. 4. 5. 激光工作物质 泵浦源 聚光腔 谐振腔 冷却系统
固体激光器的能量转换
0 .5 0 .4 0 .2
0.76 0.95
1
0 .9
0 .8
固体激光器阈值
阈值反转粒子数： nth
100% I0 工作物质 R
• 铥（Tm3＋） • 与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二 极管泵浦激光输出。 • 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 • 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 • 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和 1.965um的可调输出 • 镨Pr3＋，钆Gd3＋，铕Eu3＋，镱Yb3＋，铈Ce3＋ • 二极管泵浦的Yb:YAG激光器 • 二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器 • 钐Sm2＋，镝Dy2＋，铥Tm2＋ • 液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。
荧光寿命
量子效率
能级结构
3.0ms
0.7 11(cm-1)，5.3(埃)
谱线线宽
吸收光谱
Nd:YAG的基本特性
Nd3＋:Y3Al5O12立方晶系，光学各向同性
掺杂浓度 受激辐射截面 波长 荧光寿命 量子效率 谱线线宽 1.38E20(cm-3) 88E-20(cm2) 1064nm 230us 1 4.5(埃)
发射光谱 吸收光谱
Ti:Sapphire 钛蓝宝石
•可调谐（660-1180nm） • Pumping • Emission
其它固体工作物质
Er:YAG
C、固体激光器的光泵浦系统
1、惰性气体灯
结构
管壁 电极 接头 气体
脉冲灯的发射光谱
2、激光二极管
• 光谱特性
3、泵浦耦合技术 • A、泵浦方式
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。
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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。 （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。
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。
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CO2激光器结构图
1、激光管，包括：放电管、水冷套管和储气管； 2、光学谐振腔，常用平凹腔，反射镜镀金膜，反射率达98.8％ 且化学性质稳定。反射镜需要应用透红外光的材料. 3、电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电 极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30~40mA的工作电流，阴 44 极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染。
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CO2激光器
> 1 atm 一定压力的CO2, N2, He混合的气体分子激光器 波长 9-11um，最常见10.6um 效率高，功率范围大（几瓦~几万瓦） 光束质量好 运行方式多样，结构多样
CO2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能级
抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作
（3）氩离子气体激光器 输出波长： =488nm； =514.5 nm ； 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。
阈值条件： 即 红宝石 2.5E-20 cm2 27~88E-20 cm2 3E-20 cm2
gth
g n 21
1 1 ln .................(1.Nd3+:YAG 2 1) 2l R Nd3+:Glass
光谱特性 • 多纵模工作 – 空间烧孔效应 – 高增益 – 多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模 • 高注入，高输出伴随激光线宽增加 激光束的方向性

21
gth
1 1 ( ln ) 21 2l R
其中，n n2 g2 n1 g1
1
.............................(1.2 3)
受激辐射截面
高斯线型
I’ l
n为激光工作介质中的
21 2 A21 4 2 2 v 0
21 2 A 21 ln 2 4 3 2 v 0
（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）
（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。
• 氧化物：Al2O3，YAG，YAP
基质
• 磷酸盐，硅酸盐： CaWO4 • 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐： YVO4
• 氟化物: YLF
• 玻璃：磷酸盐、硅酸盐
激活离子
1. 稀土离子 • 钕（Nd3＋） • 实现了100多种基质中获得受激发射 • 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率 的受激发射 • 铒（Er3＋） • 实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2， 玻璃基质中的受激发射。 • 1.53~1.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。 • 常用的Er3＋:YAG经敏化，最易其振，输出波长为 2.9um。 • 钬（Ho3＋） • 掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长1.9-2.1um • 掺Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收 闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。
（4）连续波可调谐钛蓝宝石激光器
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
实际光束的束腰和远场发散角乘积 M 0 理想光束的束腰和远场发散角乘积
2
M 2 1, 越小光束质量越好
激光的偏振特性 偏振性主要取决于工作物质
各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力
双折射，激光输出具有部分偏振特性。
在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏
振性
B、固体工作物质
金属材料的反射率
C、LD泵浦全固态激光器（DPSSL）的的技术发展
D、典型非线性变换பைடு நூலகம்固态激光器
平均功率：110W 重复频率：1~30kHz; 脉宽：<230ns 不稳定性: <1.03%
E、基于全固态激光器的激光电视
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2、气体激光器
CO2激光器 He-Ne激光器 Ar离子激光器 准分子激光器
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。
1、红宝石的基本特性
Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体
掺杂浓度 受激辐射截面 波长 1.58E19(cm-3) 2.5E-20(cm2) 694.3nm
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 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
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） 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。
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。
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
工作过程
①放电，气体电离产生电子
②激励
或 或
③受激辐射
④下能级排空(碰撞排空)
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激光器类型 封离型纵向激励CO2激光器 高功率轴快流CO2激光器 高功率横流CO2激光器 横向激励高气压CO2激光器（TEA） 波导CO2激光器
运行方式
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He-Ne激光器
工作物质：He Ne混合气体，体积比8：2，少量N2 气体原子激光器 输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以632.8nm为最 常见。 功率在mW级，最大1W 光束质量好，发散角可小于1mrad 单色性好，带宽可小于20Hz 稳定性高
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：
– 原子激光器 – 固体激光器 – 分子激光器 (光纤激光器） – 离子激光器 – 气体激光器 – 自由电子激光器 – 半导体激光器 – 准分子激光器 – 染料激光器 • 激光运转方式: – 自由电子激光器 – 连续 • 激光调制方式 – 脉冲 – 自由运转 • 单脉冲 – 调Q • 重复频率 – 锁模 • 准连续
（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
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。
2. 锕系离子 – 掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。 3. 过渡金属 – 铬（Cr3+) • 红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金 绿宝石，翠绿宝石，Cr3＋：BeAl2O4） • 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3） • Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。
1、端面泵浦
2、侧面泵浦
3、基于内反射的泵浦构型
3、泵浦耦合技术
B、耦合光学系统 聚光腔
聚光腔材料选择
3、泵浦耦合技术 B、耦合光学系统
• 金属：铝——轻型系统 铜——热膨胀系数小，导热率高 不锈钢——不生锈，光洁度高，热导率低 • 玻璃：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀 • 陶瓷：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀