典型激光器介绍

B、固体工作物质 、
• 氧化物：Al2O3，YAG，YAP 氧化物： ，
基质
• 磷酸盐，硅酸盐： CaWO4 磷酸盐，硅酸盐： • 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐： 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐： YVO4 • 氟化物 YLF 氟化物: • 玻璃：磷酸盐、硅酸盐 玻璃：磷酸盐、
激活离子
1. 稀土离子 ＋ • 钕（Nd3＋） • 实现了 实现了100多种基质中获得受激发射 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 为中心， ， ， 为中心 的受激发射 ＋ • 铒（Er3＋） • 实现了 实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2， ， ， ， 玻璃基质中的受激发射。 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。 内实现激光发射， 内实现激光发射 属人眼安全波长。 • 常用的 3＋:YAG经敏化，最易其振，输出波长为 常用的Er ＋ 经敏化， 经敏化 最易其振， 2.9um。 。 ＋ • 钬（Ho3＋） • 掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长 ： ： 的 和 ，输出波长1.9-2.1um • 掺Cr代替 敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收 代替Er敏化 代替 敏化， ： ： 激光器可有效吸收 闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。 闪光灯泵浦能量。输出波长 。
工作物质： 工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： 输出波长：λ = 1064nm、914nm、1319nm 、 、 工作方式：连续、 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 因可掺进较高浓度的钕， 的激光功率，激光器也可作的比较小， 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。 源的器件体积更小。
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。 已记录到的激光振荡波长有一万种以上。
• 按激光工作介质： 按激光工作介质：
• 按化学组成： 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） 光纤激光器） 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 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
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 俄罗斯PLASMA公司的氦 PLASMA 镉激光器
=1
g th = α +
g = ∆n×σ21
1 1 ln .................( .Nd3+:YAG − ) 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 多模利用充分利用了反转粒子数， • 高注入，高输出伴随激光线宽增加 高注入， 激光束的方向性
（3）氩离子气体激光器 ） 输出波长： 输出波长： λ =488nm； λ =514.5 nm ； ； 在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦 几百瓦 几百瓦。 在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦~几百瓦。 氪离子激光器， 氩/氪离子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser 氪离子激光器
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光纤耦合（尾纤型 ） 光器件 ProLite型光纤耦合单发射激光器 型光纤耦合单发射激光器
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
（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 到 输出波长从 泵浦532nm激光器泵浦 由Ar laser或LD泵浦 或 泵浦 激光器泵浦 TEM00输出功率可达 输出功率可达3.5W cw 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
固体激光器的能量转换
0.5 0.4
0.2
0.76
0.9
0 .8
0.95
η1
固体激光器阈值
∆ 阈值反转粒子数： 阈值反转粒子数： nth
R I0 工作物质
=
σ 21
gth
1 1 = (α + ln ) σ 21 2l R
其中， ∆ n = n2 − g2 n1 g1
1
100%
受激辐射截面
高 线 斯 型
（2）CO2 激光器 ） 工作物质： 工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 、 的混合气体 激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激 分子发射， 激光由 光器的工作条件， 光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使 用寿命。 用寿命。 输出波长： 输出波长： λ =10.6µm CO2 激光器是输出 功率最高的气体激光 有连续输出50kW； 器，有连续输出 ； 脉冲输出10 脉冲输出 12W的激光 的激光 器。
＋ • 铥（Tm3＋） • 与Cr或Ho一起实现 一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二 或 一起实现 ， 的高效闪光灯及二 极管泵浦激光输出。 极管泵浦激光输出。 • 二极管泵浦 二极管泵浦Tm：YAG实现 实现2.01um输出 ： 实现 输出 • 二极管泵浦 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现 实现2.09um输出 ： ： 实现 输出 • 高效闪光灯泵浦 ：Tm：YAG实现 高效闪光灯泵浦Cr： ： 实现1.945um和 实现 和 1.965um的可调输出 的可调输出 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ • 镨Pr3＋，钆Gd3＋，铕Eu3＋，镱Yb3＋，铈Ce3＋ • 二极管泵浦的 二极管泵浦的Yb:YAG激光器 激光器 • 二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器 二极管泵浦的掺 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。 液氮冷却的作用下， 中产生过激光作用。
（1）氦-氖激光器 ） 氖激光器
工作物质： 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， 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。 提高激光器输出功率的作用。 输出波长： 输出波长：常用的为 λ=632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 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。 红光、黄光、绿光。 （λ=3.39µm ；λ=1.15µm） ）
1. 固体激光器
分为晶体和玻璃两类， 分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。 子而制成。 目前已实现激光振荡的不同基质——掺杂体系的 掺杂体系的 目前已实现激光振荡的不同基质 工作物质有200多种 ， 但是 ， 性能好 ， 使用广泛的主 多种， 工作物质有 多种 但是， 性能好， 要有下面三种。 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 ）
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 数千Hz， 脉宽小于 ，重复频率数十Hz~数千 ，主要用作染 数千 料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、 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： 光化学方面。常见波长：337.1nm、357.7nm 、
2. 气体激光器
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 工作物质 各种混合气体，光学均匀性好。 各种混合气体 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、 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。 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） 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。 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。 数少。
M2 = 实际光束的束腰和远场发散角乘积 π = ω0θ 理想光束的束腰和远场发散角乘积 λ
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。 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， 在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏 振性
DFB半导体激光器示意图 半导体激光器示意图
源自文库
DBR半导体激光器示意图 半导体激光器示意图
垂直腔面发射半导体激光器（ 垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL） ）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs) 量子级联激光器 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。
2. 锕系离子 – 掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出 成功用于激光器， 铀 ） 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 红宝石（ ），紫翠宝石 绿宝石， 紫翠宝石（ 绿宝石，翠绿宝石， ＋ 绿宝石，翠绿宝石，Cr3＋：BeAl2O4） • 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3） 钛蓝宝石（钛宝石， ＋ • Nd:YAG泵浦的 2+:MgF2激光器。 泵浦的Co 激光器。 泵浦的
n为激光工作介质中的折射率
I’ l
σ21 = λ2 A21 4π 2η2 ∆v 0
σ21 = λ2A21 π ln 2 4π 3 η2∆v 0
红宝石 2.5E-20 cm2 27~88E-20 cm2 3E-20 cm2
I ' = I 0 Re2 ( g −α )l
阈值条件： 阈值条件： Re 2 ( g −α ) l 即
输出波长： 输出波长： 输出线宽： 输出线宽：
λ = 694.3nm ∆λ = 0.01~ 0.1nm
工作方式：连续、 工作方式：连续、脉冲 发 散 角 ： θ ≈ 10-3rad，一般为多模输出； ，一般为多模输出； 泵浦功率>阈值 阈值10~20%→单模 泵浦功率 阈值 单模
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG） ）掺钕钇铝石榴石（ ）
氮分子激光器VSL氮分子激光器 337ND-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。 激光器。 特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长， 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 万小时。 效使用时间超过 万小时。 输出波长范围：紫外、可见、 输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率： 输出功率：mW、W、kW。 、 、 。
λ = 1.053 µm 由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃， 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， 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。 激光器。 激光器
（2）红宝石激光器 工作物质：红宝石晶体 ） 工作物质：