激光器的种类及应用页PPT文档
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激光器的种类
按功率分：超大功率、大功率、中功率、小功率 激光器；
按输出激光连续性状况分：连续激光器、脉冲激 光器；
按泵浦方法分：光泵浦激光器、电泵浦激光器等。 一般按激光工作物质的类型来划分:气体. 液体 .
固体 .半导体激光器
激光器的种类
气体激光器
以气体为工作物质的激光器。 目前应用最广泛的一类激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。 大多数能连续工作，激励过程中涉及能级较固定，采用气体放电中的电子碰撞激发。 根据能级跃迁类型，又分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。
• 粒子数反转分布——通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， ——导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。
• 谐振腔——一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质F－P腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果
Nd:YAG激光器结构示意图
ห้องสมุดไป่ตู้半导体激光器
工作物质：半导体材料（主要是化合物半导体） 泵浦：电流注入
特点：输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单， 与集成电路生产工艺兼容，价格低廉，可靠性高，寿命长等
目前销售总数量已占各种激光器的99％，成为世界激光器市场上的绝对主流。
半导体激光器
2.异质结半导体激光器 由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs，所组成的一种夹心结构。 高带隙势垒可以阻止注入载流子向注入端深层扩散，从而增加反转粒子数密度， 改善激光器的温度特性，缩短有源区厚度，降低阈值电流密度。
与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄、阈值 电流密度低、内部损耗低、电－光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出 波长等一系列优点。
1.原子气体激光器 工作物质：中性气体原子。 典型代表：He-Ne激光器。其激活介质按He:Ne=1:10填充，氖提供激光跃迁能级。
气体激光器
发光波长：0.6328m红光，3.39m、1.15m红外光。通常腔镜选取0.6328m 输出功率：较小(几mW到100mW） 能量转换功率：较低(0.01%） 单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度达几十公里 应用：精密计量、准直、测距、通讯、跟踪及全息照相等。 2.离子气体激光器 工作物质：离子气体。 输出波长：大多在紫外和可见光区域，输出功率比原子气体激光器高。
1.同质结半导体激光器
是更复杂、更高性能半导体激光器的基本结构，简单、直观而 精练地体现了半导体激光器的工作原理，便于建立清晰的概念。
• 激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子－空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。
液体激光器
激光工作物质：液体。 可分为无机液体激光器和有机液体激光器。染料激光器最有代表性， 优点：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、效率较高、制备容易、
激光均匀性好、输出功率可与固体和气体激光器相比、 可以循环操作、利于冷却。
典型例子：若丹明6G染料激光器。
泵浦：，波长稍短于激光器输出波长的光泵， 泵浦方式：(1)横向泵浦，泵浦光束与染料激光束垂直；
代表：Ar 激光器， 输出波长：最强的是 0.488μm的蓝光和0.5145μm的绿光， 输出功率：达 500MWcm2，最大可达 150W，可见光谱中连续输出功率最大的气体激光
能量转换效率：千分之几 所需泵浦功率高，需加冷却水、热交换器等。
用途：彩色电视、全息照相、信息存储、 快速排字、理论研究、医学、染料激光 器泵浦源。
(a)直流放电型
(b) TEA型
(c)波导型
气体激光器
4.准分子激光器 工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体， 输出波长处于紫外波段的高效脉冲激光器，通常作为分光、激光加工、光刻的光源。 一般稀有气体非常稳定，很难与其他原子结合形成分子， 一旦被激发易与其他原子结合形成分子——准分子， 准分子：激发态很稳定，基态不稳定立即分解，因而可获得理想的反转分布。 稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长(nm)不同。
(2)纵向泵浦，泵浦光束与染料光束同轴； (3)倾斜入射式泵浦，泵浦光束与染料激光束成一锐角。
(a)脉冲激光激励型
(b) 连续激光器激励型 层流式染料激光器结构示意图
固体激光器
激光工作物质：生长期间人为掺入杂质原子的晶体。 特点：体积小，结构稳，易维护，输出功率大且适于调Q 产生高功率脉冲、锁模产生超短脉冲 典型例子：红宝石激光器、Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激 光器）、钛蓝宝石激光器等。
半导体激光器
3.量子阱半导体激光器 两个高势能的阱壁夹住一个低势能阱底就构成了一个势阱，双异质结构就是这样 一个半导体势阱。这类势阱中，当有源区的厚度被减少到同电子的德布罗意波的波长 差不多（约10nm）时，就会发生量子尺寸效应，此时的势阱就称为量子阱。
准分子激光器激光波长(nm)
放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。
气体激光器
3.分子气体激光器 工作物质：中性气体分子的激光器。
代表：CO 2 激光器，其能级与分子的振动和转动有关。充气： 1:4:5C2O :N 2:H
输出波长：10.6 μm 红外，正处于光通信“大气窗口”中，常被用作地面和空间光通信
光源 效率：高达30%， 输出功率：近似与管子长度成正比，很易从1米长激光器中获得100W连续功率输出 脉冲激光器输出功率可达千兆瓦量级。 又可分为直流放电型、横向放电大气压(TEA) 型和波导型
按功率分：超大功率、大功率、中功率、小功率 激光器；
按输出激光连续性状况分：连续激光器、脉冲激 光器；
按泵浦方法分：光泵浦激光器、电泵浦激光器等。 一般按激光工作物质的类型来划分:气体. 液体 .
固体 .半导体激光器
激光器的种类
气体激光器
以气体为工作物质的激光器。 目前应用最广泛的一类激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。 大多数能连续工作，激励过程中涉及能级较固定，采用气体放电中的电子碰撞激发。 根据能级跃迁类型，又分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。
• 粒子数反转分布——通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， ——导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。
• 谐振腔——一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质F－P腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果
Nd:YAG激光器结构示意图
ห้องสมุดไป่ตู้半导体激光器
工作物质：半导体材料（主要是化合物半导体） 泵浦：电流注入
特点：输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单， 与集成电路生产工艺兼容，价格低廉，可靠性高，寿命长等
目前销售总数量已占各种激光器的99％，成为世界激光器市场上的绝对主流。
半导体激光器
2.异质结半导体激光器 由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs，所组成的一种夹心结构。 高带隙势垒可以阻止注入载流子向注入端深层扩散，从而增加反转粒子数密度， 改善激光器的温度特性，缩短有源区厚度，降低阈值电流密度。
与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄、阈值 电流密度低、内部损耗低、电－光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出 波长等一系列优点。
1.原子气体激光器 工作物质：中性气体原子。 典型代表：He-Ne激光器。其激活介质按He:Ne=1:10填充，氖提供激光跃迁能级。
气体激光器
发光波长：0.6328m红光，3.39m、1.15m红外光。通常腔镜选取0.6328m 输出功率：较小(几mW到100mW） 能量转换功率：较低(0.01%） 单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度达几十公里 应用：精密计量、准直、测距、通讯、跟踪及全息照相等。 2.离子气体激光器 工作物质：离子气体。 输出波长：大多在紫外和可见光区域，输出功率比原子气体激光器高。
1.同质结半导体激光器
是更复杂、更高性能半导体激光器的基本结构，简单、直观而 精练地体现了半导体激光器的工作原理，便于建立清晰的概念。
• 激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子－空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。
液体激光器
激光工作物质：液体。 可分为无机液体激光器和有机液体激光器。染料激光器最有代表性， 优点：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、效率较高、制备容易、
激光均匀性好、输出功率可与固体和气体激光器相比、 可以循环操作、利于冷却。
典型例子：若丹明6G染料激光器。
泵浦：，波长稍短于激光器输出波长的光泵， 泵浦方式：(1)横向泵浦，泵浦光束与染料激光束垂直；
代表：Ar 激光器， 输出波长：最强的是 0.488μm的蓝光和0.5145μm的绿光， 输出功率：达 500MWcm2，最大可达 150W，可见光谱中连续输出功率最大的气体激光
能量转换效率：千分之几 所需泵浦功率高，需加冷却水、热交换器等。
用途：彩色电视、全息照相、信息存储、 快速排字、理论研究、医学、染料激光 器泵浦源。
(a)直流放电型
(b) TEA型
(c)波导型
气体激光器
4.准分子激光器 工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体， 输出波长处于紫外波段的高效脉冲激光器，通常作为分光、激光加工、光刻的光源。 一般稀有气体非常稳定，很难与其他原子结合形成分子， 一旦被激发易与其他原子结合形成分子——准分子， 准分子：激发态很稳定，基态不稳定立即分解，因而可获得理想的反转分布。 稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长(nm)不同。
(2)纵向泵浦，泵浦光束与染料光束同轴； (3)倾斜入射式泵浦，泵浦光束与染料激光束成一锐角。
(a)脉冲激光激励型
(b) 连续激光器激励型 层流式染料激光器结构示意图
固体激光器
激光工作物质：生长期间人为掺入杂质原子的晶体。 特点：体积小，结构稳，易维护，输出功率大且适于调Q 产生高功率脉冲、锁模产生超短脉冲 典型例子：红宝石激光器、Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激 光器）、钛蓝宝石激光器等。
半导体激光器
3.量子阱半导体激光器 两个高势能的阱壁夹住一个低势能阱底就构成了一个势阱，双异质结构就是这样 一个半导体势阱。这类势阱中，当有源区的厚度被减少到同电子的德布罗意波的波长 差不多（约10nm）时，就会发生量子尺寸效应，此时的势阱就称为量子阱。
准分子激光器激光波长(nm)
放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。
气体激光器
3.分子气体激光器 工作物质：中性气体分子的激光器。
代表：CO 2 激光器，其能级与分子的振动和转动有关。充气： 1:4:5C2O :N 2:H
输出波长：10.6 μm 红外，正处于光通信“大气窗口”中，常被用作地面和空间光通信
光源 效率：高达30%， 输出功率：近似与管子长度成正比，很易从1米长激光器中获得100W连续功率输出 脉冲激光器输出功率可达千兆瓦量级。 又可分为直流放电型、横向放电大气压(TEA) 型和波导型