第五章 典型的激光器

璃中，Nd3+的能级结构大同小异。

四能级系统：激光中心波长为1.059μm，激光谱宽5-10nm，单色性极差。 因此需要的泵浦功率阈值很大，一般用脉冲的形式工作。


应用：输出功率很大，可用于材料加工、激光武器，激光放大等。
优点：工艺成熟，易获得良好的光学均匀性，玻璃的形状和尺寸也有较 大的可塑性。

板条状工作物质：温度梯度发生在板条厚度方向上，而光在厚度方向的 两侧面(即泵浦面)上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播， 光传播方向近似与温度梯度方向平行，可基本避免热透镜效应和热光畸
变效应，大幅度提高了激光输出功率。
单根板条激光器连续输出功率已超过千瓦，脉冲输出能量超过百焦 耳，例如长X宽X厚=210x25x6mm3 的Nd:YAG板条，输出功率达1.2kw，斜 效率8.5%。 缺点是发散角较大，技术复杂。其发展方向是用大功率半导体列阵 激光器侧向面泵浦，以获得更高的效率和更好的光束质量。
2012年罗芬公司汉诺威国际金属板材加工技术展览会展出了其畅销的板 条激光器，型号为DC 040的产品其平均输出功率高达4000瓦特，其优点在于 维护费用较低、光速质良好、稳定可靠。目前，罗芬公司生产的输出功率达 8000瓦的CO2板条激光器已经在世界各地投入使用了。
三、掺杂光纤激光器
1.光纤

光纤：光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成
特点：激光谱线数千条,具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲 激光器,单脉冲输出能量可达数万焦)、运转方式多样等特 点。器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤 传输。

应用：工业、国防、科研、医学等领域,如激光测距、材料
加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。

1960年,世界上第一台固体激光器———红宝石激光器
而抑制1.35μm谱线起振，所以通常只输
出1.064μm的激光。
红宝石激光器 工作物质 物理过程 激光谱线 泵浦源 Al2O3+Cr2O3: Cr3+决定光谱性能 三能级系统 694.3nm+629.9nm： 694.3nm占优势 脉冲氙灯
YAG激光器 Al2O3+Y2O3+Nd2O3: Nd3+决定光谱性能 四能级系统 1350nm+1064nm： 1064nm占优势 氪灯
2.掺钕钇铝石榴石激光器(Nd3+:YAG)
工作物质：在基质晶体YAG(Y3Al5O12)中掺 入1%的Nd3+作激活离子形成。有关有能级 和光谱性质都来源于Nd3+。 四能级系统：阈值低，能在室温下连续工 作，是实用最广泛的固体激光器。 谱线竞争：通常输出两种荧光，1.064μm 和1.35μm，其中1.064μm比1.35μm的荧 光约强四倍，1.064μm的谱线先起振，进 1.06μm的受激跃迁截面 σ=8.8×10-19cm2，是红宝 石694.3nm跃迁截面的35倍， 所以它的振荡阈值低，容 易实现连续运转。

1962年,世界上第一台半导体激光器———GaAs激光器。
4．液体激光器

分为二类:染料激光器和无机液体激光器。典型代表是染料激光器，已获
得广泛的应用。

激励方式：多采用光泵浦,主要有激光泵浦和闪光灯泵浦
波长:覆盖范围为紫外到近红外波段(300nm～1.3μm),通过混频等技术还
可将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段。激光波长连续可调谐是染料激 光器最重要的输出特性。染料溶液的稳定性比较差是这类器件的不足。
粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出激光。
特点：光纤的纤心很小，纤内易形成高功率密度，转换效率高、激光阈 值低、激光质量好；输出的激光谱线多；光纤的柔绕性很好，易散热。
3.优点
（1）成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；
（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质分裂引起的

半导体激光器采用注入电流泵浦。

波长：覆盖范围一般在近红外波段(920nm～1.65μm),其中
1.3μm与1.55μm为光纤传输的两个窗口。

特点：能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型
化、结构简单、使用寿命长(一般可达数十万乃至百万小时
以上)等突出特点。

应用：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。
非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故； （3）具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，转换效率较高，阈值低； （4）输出激光波长多：稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多； （5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。 （6）谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。 （7）光纤导出，能轻易胜任各种多维空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。 （8）对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。 （9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 （10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。 （11）高功率,商用化的光纤激光器是六千瓦。

缺点：导热率太低，热彭系数太大，因此不适于制作连续器件和高频运 转的器件，且在应用时要特别注意防止自身破坏。
二、板条激光器(Slab Geometry Laser,SGL)

圆棒状工作物质：温度梯度方向与光传播方向垂直，将产生严重的热透 镜效应和热光畸变效应，光束质量低，限制了激光功率的进一步提高。
光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈,同时,谐振腔的 参数影响输出激光束的质量。
二、按照激光工作物质
1.气体激光器 最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光
器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。
多数采用高压放电泵浦。 1961年，世界上第一台气体激光器——氦氖激光器 1964年，二氧化碳激光器
基质材料体现,而其光谱特性则由掺杂离子决定。
基质材料有晶体和玻璃两大类：晶体又分为氧化物晶体和氟化物晶体。氧 化物晶体如Al2O3 ,石榴石型晶体YAG、YAP。氟化物晶体如CaF、LiYF4 。
玻璃则有硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等。
掺杂离子有四类: (1)三价稀土金属离子:如钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、
二、按照激光器工作方式划分

激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式,

连续激光器 脉冲激光器

按照激光技术的应用分为

调Q激光器 锁模激光器 稳频激光器 可调谐激光器

按照谐振腔腔型的不同分为

非稳腔激光器


平面腔激光器
球面腔激光器等类型。
5.2 固体激光器
工作物质：由固体基质材料和少量掺杂离子两部分构成。其中物理性能由

应用: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。
5．化学激光器

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)等。
掺0.05%的Gr3+。这些Gr3+浓度大约为
1.62×1019cm-3，替代了一部分Al3+，红宝 石激光器有关有能级和光谱性质都来源于
Gr3+。 泵浦源:在Xe（氙）灯照射下，实现粒子数反转，产生受激辐射。 聚光腔：使光泵的光更好的集中照射在激光棒上，采用圆柱面、单椭圆柱面
、双椭圆柱面、球面聚光腔。为提高对光线的反射率常采用黄铜或不锈钢材料 ，内壁经抛光处理后镀银。 光学谐振腔：多采用平行平面腔，为减小光斑尺寸也采用平凹腔。
(2)二价稀土金属离子,如钐(Sm2+)、铒(Er2+ )、铥(Tm2+ )、镝(Dy2+)等
(3)过渡金属离子,如钛(Ti3+)、铬(Cr)、镍(Ni3+ ) 、钴(Co3+)等。 (4)锕系金属离子,多具有放射性,不易制备,其中,只有铀(U3+)曾有所应用。
一、一般激光器
1.红宝石激光器
工作物质：红宝石棒（Al２O3晶体），其中
Hale Waihona Puke Baidu
土金属离子、过渡金属离子和锕系金属离子。

用作基质材料的有：硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃等；金属氧
化物、氟化物晶体等。

典型代表是红宝石(Cr3+:Al2O3 )激光器、掺钕钇铝石榴石
(Nd3+:YAG)激光器、钕玻璃激光器。

激励方式：多采用光泵浦,泵浦光源主要有闪光灯和LD两类
波长：覆盖范围主要位于可见光—近红外波段。
6．自由电子激光器

是一种新型激光器。 工作物质是相对论电子束。所谓相对论电子束是指通过电 子加速器加速的高能电子。自由电子激光器将相对论电子 束的动能转变为激光辐射能。

泵浦源为空间周期磁场或电磁场。

具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐是
自由电子激光器两个最显著的特点。

自由电子激光器在未来的生物、医疗、核能等领域具有重 要的应用前景
三能级系统： 因而其器件阈值比较高,只 能以脉冲方式运转。
模式竞争：通常只产生694.3nm的激光。
a 跃迁到E和2A上的粒子数服从玻尔兹曼分 布，E:53%,2A:47%.
b R1线的强度>R2线，使R1线的受激辐射几 率更高。
因此R1线先达到阈值形成激光振荡。由于 两者能级差很小，粒子交换频繁，E上的粒 子跃迁后，2A能级上的粒子迅速转移到该 能级，从而进一步抑制了R2线的振荡。 优点：机械强度和化学稳定性高，能承受很高的激光功率密度，易生成较 大尺寸；亚稳态寿命长，储能大，可获得大能量输出；荧光谱线较宽，易 获得大能量单模输出；低温性能优良，输出可见光。 缺点：三能级系统，阈值高；随温度变化明显，室温下不适于做连续高频 器件；激发效率较低，不适合连续工作；输出发散角较大，方向性不好。
红宝石激光器的应用
眼科：用于视网膜的焊接、治疗青光眼、 虹膜的切除等；
皮肤科：694.3nm的可见红光最不易被氧 化血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较 高。 利用光的干涉和衍射 原理，将物体发出的 特定波前以干涉条纹 的形式记录下来，并 在一定条件下使其再 现，形成元物体逼真 的立体像。 在玉石上打孔
的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

光在光导纤维中的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多， 光纤被用作长距离的信息传递。
2.光纤激光器
以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介
质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤
中，从M2输出激光。当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦 光，其电子被激励到较高的激发能级上，实现了粒子数反转。反转后的

采用化学能激励。为促成工作物质的化学反应,一般需采用一些引发措
施,如光引发、电引发、化学引发等。

波长：覆盖范围为紫外到红外波段,直至微米波段。

特点：功率高、能量输出高,无需外界提供泵浦源,可将化学能直接转换
成激光能量是其突出特点,特别适合于野外等无电源处工作。

应用：国防、科学研究等领域,如激光武器、同位素分离等。 1964年,第一台光解离碘原子化学激光器问世。
由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一 般用光泵浦源激励 优缺点 阈值高、温度效应非常 严重、室温下不适于连 续和高频工作 特点 阈值低，有优良的热学 性质、适于连续和高频 工作；是目前能在室温 下连续工作的位移使用 的固体工作物质
输出能量大，峰值功率高
3.钕玻璃激光器

工作物质：在硅酸盐玻璃中掺入Nd2O3形成的，在不同种类的硅酸盐玻
3．半导体激光器： 半导体激光器以半导体材料为工作物质。


半导体激光二极管,或简称激光二极管(LD)
常用的半导体材料主要有:砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、
硫化镉(CdS)、碲锡铅(PbSnTe)等。

根据生成p-n结所用材料和结构的不同,半导体激光器有同 质结、异质结(单、双)、量子阱等多种类型。
1964年，氩离子激光器等几种惰性气体离子激光器
1966年，铜蒸气激光器 1968年，氦-镉激光器，以镉金属蒸气为发光物质
2．固体激光器
固体工作物质通常是在基质材料,如晶体或玻璃中掺入少量的 金属离子(激活离子),跃迁发生在激活离子不同工作能级之间。

用作激活离子的元素可分为四类:三价稀土金属离子、二价稀
第五章 典型激光器
第一节 激光器的分类及特点
第二节 固体激光器
第三节 气体激光器
第四节 半导体激光器
5.1 激光器的分类和特点
激光器的基本结构
工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作 用源泉之所在。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。
工作物质类型不同,采用的泵浦方式不同。