激光器的种类及应用

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。
Nd:YAG激光器结构示意图

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。
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。 • 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
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。
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：CO2 激光器，其能级与分子的振动和转动有关。充气： 1 : 4 : 5 CO 2 : N 2 : He 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

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。 •量子阱半导体激光器: 有源区由多个夹层状量子阱结构重叠而构成的半导体激光器， •应变量子阱阵列激光器： 略微改变重叠层材料的晶格常数可使量子阱的材料层形成应变，由此构成的激光器。 输出功率更高。

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； (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。

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。 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。
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。
(a)脉冲激光激励型
(b) 连续激光器激励型
层流式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
(b) TEA型 (a)直流放电型
(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。

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。 代表： Ar 激光器， 输出波长：最强的是 0.488 μm的蓝光和0.5145 μm 的绿光， 2 输出功率：达 500 MW cm，最大可达 ，可见光谱中连续输出功率最大的气体激光 150 W 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。