典型激光器介绍

hc 1.24 Eg Eg
GaAlAs/GaAs材料适用于0.85 μm波段， InGaAsP/InP材料适用于1.3~1.55 μm波段。
•GaAlAs DH激光器的光谱特性
直流驱动时四种不同电流下的输出光谱
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0 80
60 40 20 0 20 40 60 80 辐射角(度) (a)
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结 束
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6、光纤激光器
•光纤激光器的特点： 效率高，阈值低，窄线宽、可调谐、紧凑小巧和高 性能的价格比。 •光纤激光器的类型 （1）稀土类掺杂光纤激光器 （2）光纤非线性效应激光器 （3）单晶光纤激光器 （4）塑科光纤激光器 （5）光纤孤子激光器 掺镱双包层光纤激光器: 吸收峰：975nm，915nm。 发射谱段：975～l200nm
发射光谱 吸收光谱
2、激光二极管
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
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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
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
（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、 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
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
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。
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3、液体激光器
以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质 的激光器 优点： 波长可调谐，调谐范围宽 光谱分辨率高 结构简单 价格便宜 稳定性差
若丹明6G（Rhodamine 6G） 溶于甲醇或者乙二醇。
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工作原理
• 将充有染料溶液盒放 臵于激光腔内，提供 泵浦，产生激光。 • 用光栅代替反射镜。 激发辐射带宽降低到 0.5 Å，可以让激光 在整个荧光带范围内 调节。 • 泵浦可以用闪光灯来 实现，得到的激光脉 宽1ms，峰值功率几 kW，重复频率1Hz。 也可以用固定波长激 光器泵浦。
GaAlAs DH条形激光器的光场
W＝1 0 m
⊥
2 0 m
∥ (b) (a) 辐射光束
2 0 m
3 0 m
1 .0 0 .8
T＝3 00 K
相对光强
3 0 m
0 .6 0 .4 0 .2 ∥
⊥
5 0 m 1 0 m 近场图样 0 .1 rad 远场图样
0 80
60 40 20 0 20 40 60 80 辐射角(度)
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
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 25 极圆筒的面积 500cm2，不致镜片污染。
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。
（1）氦-氖激光器
垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
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
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
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
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)
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4、自由电子激光器
•自由电子穿过磁场产生自发辐射，自由电子跟光场的能量转移 •自由电子的群聚 • 光波长尺度小团，产生相干辐射
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杰斐逊实验室自由电子激光器
第一个自由电子激光器 （IR-Demo）于1999 年8 月调试完毕
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北京自由电子激光装臵(BFEL)是一台基于30MeV电子直线 射频加速器驱动、用热阴极微波电子枪 和a铁作为注入器、用 平面型永磁扭摆铁和光学谐振腔作为光电互作用装臵的低增益 中远 红外(7-19mm)自由电子激光器。
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(b) 光强的角分布
(a)
分布反馈激光器(Distributed Feed Back, DFB)
m
B
2ne
优点： ① 单纵模
② 谱线窄， 波长稳定性好
③ 动态谱线好 ④ 线性好
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实际应用中的光源模块
通常把光源做成组件，同时利用热敏电阻和冷却元件进 行温度监测和自动温度控制(ATC)。
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工作过程
1、放电：He电离产生电子 2、He与电子碰撞
3、能量共振转移
形成粒子数反转(能级寿命上10-7s :下10-8s)
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Ar离子激光器
Ar Ion Lasers
气体离子激光器 连续工作的氩离子激光器可以有9条蓝绿光谱线。 主要波长488nm，514.5nm 常见功率几十瓦，最高500W 直流放电泵浦，能量转换效率低
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。
（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
（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
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
1、红宝石的基本特性
光 传 输 线
波形光谱能量
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光腔准直监控
5、半导体激光器
有Байду номын сангаас层：
结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半导体；
限制层：
两侧分别为宽带隙的P型和N 型半导体。 3层半导体臵于基片(衬底)上， 谐振腔：前后两个晶体解理 面作为反射镜构成法布里 珀罗(FP) 。
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半导体激光器的主要特性
•发射波长
激光跃迁上能级粒子数集聚主要有三种 途径： a，基态氩离子与电子碰撞直接激发到4p 态； b，先激发到高于4p的其他能级， 然后通过级联辐射跃迁至4p； c，基态氩离子激发至低于4p的亚稳态后 再被激发到4p。
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如果使用蓝绿波段高反射的反射镜，则所有这些谱线都会同 时出现。通过使用棱镜，可以选择其中某个波长。
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
如果放电电流足够大，则可能在双电离氩离子上产生激光， 光谱范围位于紫外300-386nm。 氪离子激光器与氩离子激光器构造基本相同，激光介质为氪 气，其产生的谱线除了蓝绿光以外在红外和紫外波段都有。
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准分子激光器
准分子是一种在激发态结合为分子，在基态离解为原子的 不稳定缔合物。（Excimer） 跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态之间。 高重复率,可调谐 量子效率高 波长短，紫外到可见区 常见准分子激光器如： KrF：249nm； XeCl ：308nm； ArF ：193nm。