第五章典型的激光器

1、第五章第五章 典型激光器典型激光器第一节第一节 激光器的分类及特点激光器的分类及特点第二节第二节 固体激光器固体激光器 第三节第三节 气体激光器气体激光器第四节第四节 半导体激光器半导体激光器5.1 5.1 激光器的分类和特点激光器的分类和特点 激光器的基本结构激光器的基本结构工作物质工作物质是激光器的核心是激光器的核心, ,是激光器产生光的受激辐射放大作是激光器产生光的受激辐射放大作用源泉之所在。用源泉之所在。泵浦源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。为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作物质类型不同工作物质类型不同, ,采用的泵浦方式不同。采用的泵浦方式不同。光

2、学谐振腔光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈则为激光振荡的建立提供正反馈, ,同时同时, ,谐振腔的谐振腔的参数影响输出激光束的质量。参数影响输出激光束的质量。二、按照激光工作物质二、按照激光工作物质1.1.气体激光器气体激光器 最常见的有氦最常见的有氦- -氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦器、氦- -镉激光器和铜蒸气激光器等。镉激光器和铜蒸气激光器等。 多数采用多数采用高压放电泵浦高压放电泵浦。 19611961年，年，世界上第一台气体激光器世界上第一台气体激光器氦氖激光器氦氖激光器19641964年，二氧化碳激光器年，二氧化碳激光器19641

3、964年，氩离子激光器等几种惰性气体离子激光器年，氩离子激光器等几种惰性气体离子激光器19661966年，铜蒸气激光器年，铜蒸气激光器19681968年，氦年，氦- -镉激光器，以镉金属蒸气为发光物质镉激光器，以镉金属蒸气为发光物质 2 2固体激光器固体激光器固体工作物质通常是在固体工作物质通常是在基质材料基质材料, ,如晶体或玻璃中掺入少量的如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子金属离子( (激活离子激活离子),),跃迁发生在激活离子不同工作能级之间。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、二价稀三价稀土金属离子、二价稀土

4、金属离子、过渡金属离子和锕系金属离子。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。化物、氟化物晶体等。典型代表是典型代表是红宝石红宝石(Cr(Cr3+3+:Al:Al2 2O O3 3 ) )激光器激光器、掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd(Nd3+3+:YAG):YAG)激光器激光器、钕玻璃激光器钕玻璃激光器。p激励方式：激励方式：多采用多采用光泵浦光泵浦, ,泵浦光源主要有闪光灯和泵浦光源主要有闪光灯和LDLD两类两类p波长：波长：覆盖范围主要位于可见光覆盖范围主要位

5、于可见光近红外波段。近红外波段。p特点：特点：激光谱线数千条激光谱线数千条, ,具有输出能量大具有输出能量大( (多级钕玻璃脉冲激多级钕玻璃脉冲激光器光器, ,单脉冲输出能量可达数万焦单脉冲输出能量可达数万焦) )、运转方式多样等特点。、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。器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输。p应用：应用：工业、国防、科研、医学等领域工业、国防、科研、医学等领域, ,如激光测距、材料如激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。p19601960年年, ,世界上第一

6、台固体激光器世界上第一台固体激光器红宝石激光器红宝石激光器3 3半导体激光器：半导体激光器： 半导体激光器以半导体材料为工作物质。半导体激光器以半导体材料为工作物质。半导体激光二极管半导体激光二极管, ,或简称激光二极管或简称激光二极管(LD)(LD)常用的半导体材料主要有常用的半导体材料主要有: :砷化镓砷化镓(GaAs)(GaAs)、磷化铟、磷化铟(InP)(InP)、硫化镉硫化镉(CdS)(CdS)、碲锡铅、碲锡铅(PbSnTe)(PbSnTe)等。等。根据生成根据生成p-np-n结所用材料和结构的不同结所用材料和结构的不同, ,半导体激光器有同质半导体激光器有同质结、异质结结、异质结(

7、 (单、双单、双) )、量子阱等多种类型。、量子阱等多种类型。半导体激光器采用半导体激光器采用注入电流泵浦注入电流泵浦。p波长：波长：覆盖范围一般在近红外波段覆盖范围一般在近红外波段(920nm(920nm1.65m),1.65m),其中其中1.3m1.3m与与1.55m1.55m为光纤传输的两个窗口。为光纤传输的两个窗口。p特点：特点：能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、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、使用寿命长结构简单、使用寿命长( (一般可达数十万乃至百万小时以上一般可达数十万乃至百万小时以上) )等突出特点。等突出特点。p应用：应用：光纤通信、光存

8、储、光信息处理、科研、医疗等领域光纤通信、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。准直及激光医疗等方面。p19621962年年, ,世界上第一台半导体激光器世界上第一台半导体激光器GaAsGaAs激光器激光器。4 4液体激光器液体激光器p分为二类分为二类: :染料染料激光器激光器和无机液体激光器和无机液体激光器。典型代表是染料激光器典型代表是染料激光器，已获已获得广泛的应用。得广泛的应用。p激励激励方式：方式：多采用多采用光泵浦光泵浦, ,主要有激光泵浦和闪光灯泵浦主

9、要有激光泵浦和闪光灯泵浦p波长波长: :覆盖范围为紫外到近红外波段覆盖范围为紫外到近红外波段(300nm(300nm1.3m),1.3m),通过混频等技术还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。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。p应用应用: :科学研究、医学等领域科学研究、医学等领域, ,如激光光谱学、光化学、同位素分离、光生如激光光谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。物学等方面。p1966

10、1966年年, ,世界上第一台染料激光器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由红宝石激光器泵浦的氯铝钛花青染料激光器青染料激光器。5 5化学激光器化学激光器p通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光辐射的。通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光辐射的。p工作物质可以是气体或液体工作物质可以是气体或液体, ,但目前主要是气体但目前主要是气体, ,如氟化氢如氟化氢(HF)(HF)、氟化氚、氟化氚(DF)(DF)等。等。p采用采用化学能激励化学能激励。为促成工作物质的化学反应。为促成工作物质的化学反应, ,一般需采用一些引发措一般需采用一些引发措施施, ,如光引发、电引发、化学引发等

11、。如光引发、电引发、化学引发等。p波长：覆盖范围为紫外到红外波段波长：覆盖范围为紫外到红外波段, ,直至微米波段。直至微米波段。p特点：功率高特点：功率高、能量输出高、能量输出高, ,无需外界提供泵浦源无需外界提供泵浦源, ,可将化学能直接转换可将化学能直接转换成激光能量是其突出特点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。特别适合于野外等无电源处工作。p应用：国防应用：国防、科学研究等领域、科学研究等领域, ,如激光武器、同位素分离等。如激光武器、同位素分离等。p19641964年年, ,第一台光解离碘原子化学激光器第一台光解离碘原子化学激光器问世。问世。6 6自由电子激光器

12、自由电子激光器p是一种新型激光器。是一种新型激光器。p工作物质是相对论电子束。所谓相对论电子束是指通过电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。束的动能转变为激光辐射能。p泵浦源为空间周期磁场或电磁场泵浦源为空间周期磁场或电磁场。p具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐是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。自由电子激光器两个最显著的特点。p自由电子激光器在未来的生物、医疗、核能等领域具有重自由电子激光器在

13、未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的应用前景要的应用前景 二、按照激光器工作方式划分二、按照激光器工作方式划分n激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式, , 连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器n按照激光技术的应用分为按照激光技术的应用分为调调Q Q激光器激光器锁模激光器锁模激光器稳频激光器稳频激光器可调谐激光器可调谐激光器n按照谐振腔腔型的不同分为按照谐振腔腔型的不同分为非稳腔激光器非稳腔激光器平面腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等类型。球面腔激光器等类型。工作物质：由工作物质：由固体基质材料固体基质材料和和少量掺杂离子少量掺杂离子两部分构成。其中

14、物理性能由两部分构成。其中物理性能由基质材料体现基质材料体现, ,而其光谱特性则由掺杂离子决定。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。氧晶体又分为氧化物晶体和氟化物晶体。氧化物晶体如化物晶体如AlAl2 2O O3 3 , ,石榴石型晶体石榴石型晶体YAGYAG、YAPYAP。氟化物晶体如。氟化物晶体如CaFCaF、LiYFLiYF4 4 。玻璃则有硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等。玻璃则有硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等。掺杂离子有四类掺杂离子有四类: :(1)(1)三价稀土金属离子三价稀土金属离子: :如钕如钕(Nd(Nd3+

15、3+) )、镨、镨(Pr(Pr3+3+) )、钐、钐(Sm(Sm3+3+) )、铕、铕(Eu(Eu3+3+) )、(2)(2)二价稀土金属离子二价稀土金属离子, ,如钐如钐(Sm(Sm2+2+) )、铒、铒(Er(Er2+2+ ) )、铥、铥(Tm(Tm2+2+ ) )、镝、镝(Dy(Dy2+2+) )等等(3)(3)过渡金属离子过渡金属离子, ,如钛如钛(Ti(Ti3+3+) )、铬、铬(Cr)(Cr)、镍、镍(Ni(Ni3+ 3+ ) ) 、钴、钴(Co(Co3+3+) )等。等。(4)(4)锕系金属离子锕系金属离子, ,多具有放射性多具有放射性, ,不易制备不易制备, ,其中其中, ,只

16、有铀只有铀(U(U3+3+) )曾有所应用。曾有所应用。5.2 5.2 固体激光器固体激光器一、一般激光器一、一般激光器1.1.红宝石激光器红宝石激光器工作物质：工作物质：红宝石棒（红宝石棒（AlAlO O3 3晶体），其中晶体），其中掺掺0.05%0.05%的的GrGr3+3+。这些。这些GrGr3+3+浓度大约为浓度大约为 1.621.6210101919cmcm-3-3，替代了一部分，替代了一部分AlAl3+3+，红宝，红宝石激光器石激光器。 泵浦源泵浦源: :在在XeXe（氙）灯照射下，实现粒子数反转，产生受激辐射。（氙）灯照射下，实现粒子数反转，产生受激辐射。聚光腔：聚光腔：使光泵的

17、光更好的集中照射在激光棒上，采用圆柱面、单椭圆柱面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、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。，内壁经抛光处理后镀银。光学谐振腔：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。多采用平行平面腔，为减小光斑尺寸也采用平凹腔。三能级系统：三能级系统： 因而其器件阈值比较高因而其器件阈值比较高, ,只只能以能以。模式竞争：模式竞争：通常只产生通常只产生的激光。的激光。a a 跃迁到跃迁到E E和和2A2A上的粒子数服

18、从玻尔兹曼分上的粒子数服从玻尔兹曼分布，布，E:53%,2A:47%.E:53%,2A:47%.b b R R1 1线的强度线的强度RR2 2线，使线，使R R1 1线的受激辐射几线的受激辐射几率更高。率更高。因此因此R R1 1线先达到阈值形成激光振荡。由于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，两者能级差很小，粒子交换频繁，E E上的粒上的粒子跃迁后，子跃迁后，2A2A能级上的粒子迅速转移到该能级上的粒子迅速转移到该能级，从而进一步抑制了能级，从而进一步抑制了R R2 2线的振荡。线的振荡。优点：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，易生成较机械强度和

19、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。获得大能量单模输出；低温性能优良，输出可见光。缺点：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。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红宝石激光器的应用眼科：用于视网膜的焊接、治疗青光眼、眼科

20、：用于视网膜的焊接、治疗青光眼、虹膜的切除等；虹膜的切除等；皮肤科：皮肤科：694.3nm694.3nm的可见红光最不易被氧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化血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较高。高。利用光的干涉和衍射利用光的干涉和衍射原理，将物体发出的原理，将物体发出的特定波前以干涉条纹特定波前以干涉条纹的形式记录下来，并的形式记录下来，并在一定条件下使其再在一定条件下使其再现，形成元物体逼真现，形成元物体逼真的立体像。的立体像。在玉石上打孔在玉石上打孔2.2.掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器(Nd(Nd3+3+:YAG):YAG)工作物质：工作物质：在基质晶

21、体在基质晶体YAG(YYAG(Y3 3AlAl5 5O O1212) )中掺中掺入入1%1%的的NdNd3+3+作激活离子形成。作激活离子形成。 四能级系统：四能级系统：阈值低，能在室温下连续工阈值低，能在室温下连续工作，作，是实用最广泛的固体激光器是实用最广泛的固体激光器。谱线竞争：谱线竞争：通常输出两种荧光，通常输出两种荧光，和和1.351.35m m，其中，其中1.0641.064m m比比1.351.35m m的荧的荧光约强四倍，光约强四倍，1.0641.064m m的谱线先起振，进的谱线先起振，进而抑制而抑制1.351.35m m谱线起振，所以通常只输谱线起振，所以通常只输出出1.0

22、641.064m m的激光。的激光。1.06m1.06m的受激跃迁截面的受激跃迁截面=8.8=8.81010-19-19cmcm2 2，是红宝，是红宝石石694694.3nm.3nm跃迁截面的跃迁截面的3535倍，倍，所以它的振荡阈值低，容所以它的振荡阈值低，容易实现易实现。3.3.钕玻璃激光器钕玻璃激光器n工作物质：工作物质：在硅酸盐玻璃中掺入在硅酸盐玻璃中掺入NdNd2 2O O3 3形成的，在不同种类的硅酸盐玻璃形成的，在不同种类的硅酸盐玻璃中中，NdNd3+3+的能级结构大同小异。的能级结构大同小异。n四能级系统：四能级系统：激光中心波长为激光中心波长为1.0591.059mm，激光谱

23、宽，激光谱宽5-10nm5-10nm，单色性极差。，单色性极差。因此需要的泵浦功率阈值很大，一般用因此需要的泵浦功率阈值很大，一般用的形式工作。的形式工作。n应用：应用：输出功率很大，可用于材料加工、激光武器，激光放大等。输出功率很大，可用于材料加工、激光武器，激光放大等。n优点：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。大的可塑性。n缺点：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。转的器

24、件，且在应用时要特别注意防止自身破坏。二、板条激光器二、板条激光器(Slab Geometry Laser,SGL)n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。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。n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两侧面( (即泵浦面即泵浦面) )上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，上发生内全反射，呈锯

25、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。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，例如长耳，例如长X X宽宽X X厚厚=210 x25x6mm=210 x25x6mm3 3 的的Nd:YAGNd:YAG板条，输出功率达板条，输出功率达1.2kw1.2kw，斜，斜效率效率8.5%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

26、导体列阵缺点是发散角较大，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。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 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，型号为条激光器，型号为DC 040DC 040的产品其平均输出功率高达的产品其平均输出功率高达40004000瓦特，其优点在于瓦特，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80008

27、000瓦的瓦的COCO2 2板条激光器已经在世界各地投入使用了。板条激光器已经在世界各地投入使用了。三、掺杂光纤激光器三、掺杂光纤激光器n光纤：光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的光纤：光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。n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。光纤被用作长距离的信息传递。1.1.光纤光纤 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以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯

28、作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M M1 1入射到光纤入射到光纤中，从中，从M M2 2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。反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出激光。粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出激光。特点：特点：光纤的纤心很小，纤内易形成高功率密度，转换效率高、激光阈光纤的纤心很小，纤内易形成高功率密度，转换效率

29、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。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。2.2.光纤激光器光纤激光器3.3.优点优点（1 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；）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 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）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非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；（3 3）具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，转换效

30、率较高，阈值低；）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 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；）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 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。）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 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。）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 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。）光纤导出，能轻易胜

31、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 8）对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。）对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。（9 9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。（1010）高的电光效率：综合电光效率高达）高的电光效率：综合电光效率高达20%20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。（1111）高功率）高功率, ,商用化的光纤激光器是六千瓦。商用化的光纤激光器是六千瓦。4.4.应用应用n光纤通信、激光空间远距询信、造船、汽车制造、激光雕刻机、激光打光纤通信、激

32、光空间远距询信、造船、汽车制造、激光雕刻机、激光打标机、激光切割机、印刷制辊、金属非金属钻孔标机、激光切割机、印刷制辊、金属非金属钻孔/ /切割切割/ /焊接（铜焊、淬焊接（铜焊、淬水水. .包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等。础建设等。n光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。不过，在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上，随术优越性。不过，在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上，随光纤激光器的普及，成本

33、的降低以及产能的提高，最终将可能会替代掉光纤激光器的普及，成本的降低以及产能的提高，最终将可能会替代掉全球大部分高功率全球大部分高功率COCO2 2激光器和绝大部分激光器和绝大部分YAGYAG激光器。激光器。四、掺钛蓝宝石激光器四、掺钛蓝宝石激光器n钛宝石晶体不仅具有良好的热传导和机械性能钛宝石晶体不仅具有良好的热传导和机械性能, ,较高的饱和较高的饱和通量通量, , 更重要的是它宽于更重要的是它宽于500nm 500nm 的波长调谐范围为现存的的波长调谐范围为现存的任何激光介质所无法比拟。任何激光介质所无法比拟。n利用不同的泵浦源和泵浦方式利用不同的泵浦源和泵浦方式, , 人们成功地研制了各

34、种钛宝人们成功地研制了各种钛宝石激光器。石激光器。n钛宝石激光器的优点还在于其结构简单和工作稳定钛宝石激光器的优点还在于其结构简单和工作稳定, , 所以它所以它已经在许多方面替代了长期占据激光领域的染料激光器的地已经在许多方面替代了长期占据激光领域的染料激光器的地位。位。五、五、LDLD泵浦的固体激光器泵浦的固体激光器n半导体泵浦固体激光器，是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光半导体泵浦固体激光器，是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的器。该类型的激光器利用输出固定波长的LD代替了传统的氪灯或氙灯来代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，被称为

35、第二代的激光器。对激光晶体进行泵浦，被称为第二代的激光器。n是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗代新型固体激光器，在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。优点优点低功耗：传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有低功耗：传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%3%左右，能量大部分左右，能量大部分转换成了热能，造

36、成了极大的能源浪费。而半导体泵浦固体激光器被激转换成了热能，造成了极大的能源浪费。而半导体泵浦固体激光器被激光晶体吸收的光晶体吸收的808nm808nm波长的激光，光光转换效率可高达波长的激光，光光转换效率可高达40%40%以上。以上。性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达1500015000小时小时以上，闪光灯的寿命只有以上，闪光灯的寿命只有30010003001000小时。泵浦能量稳定性好，比闪光小时。泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个能量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命长，成灯泵浦优一个能量级，性能可靠，可制成全

37、固化器件。运行寿命长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。输出光束质量好：由于半导体泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作输出光束质量好：由于半导体泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近理论极限。已接近理论极限。分类分类n可以是连续的、脉冲的、调可以是连续的、脉冲的、调Q Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状。泵浦的耦合方式可为

38、端面泵浦和侧面泵浦。物质的形状有圆柱和板条状。泵浦的耦合方式可为端面泵浦和侧面泵浦。其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。5.3 5.3 气体激光器气体激光器n原子气体激光器：典型代表是原子气体激光器：典型代表是HeHe- -NeNe激光器激光器。n分子激光器：分子激光器：典型典型代表代表COCO2 2激光器激光器、N N2 2激光器和准分子激光器。激光器和准分子激光器。n离子激光器：典型代

39、表是离子激光器：典型代表是ArAr+ +和和HeCdHeCd离子激光器。离子激光器。特点：特点：n光学均匀性一般都比较好，在单色性和光束稳定性方面都比固体激光器、光学均匀性一般都比较好，在单色性和光束稳定性方面都比固体激光器、半导体激光器和液体半导体激光器和液体( (染料染料) )激光器优越。激光器优越。n激光谱线极为丰富，达数千种，分布在从真空紫外到远红外波段范围内。激光谱线极为丰富，达数千种，分布在从真空紫外到远红外波段范围内。n浓度不高，多数气体激光器都有瞬时功率不高的特点。浓度不高，多数气体激光器都有瞬时功率不高的特点。 n多多采用气体放电或电子束激励的方法以实现泵浦采用气体放电或电子

40、束激励的方法以实现泵浦n工作气体中，除能产生激光发射的气体之外，一般还含有一些辅助气体，工作气体中，除能产生激光发射的气体之外，一般还含有一些辅助气体，如各种惰性气体及氮、氧等。如各种惰性气体及氮、氧等。一、氦氖激光器一、氦氖激光器n19611961年研制成功的第一种气体激光器，也是最常用的一种。年研制成功的第一种气体激光器，也是最常用的一种。n通常在可见光频段（通常在可见光频段（632.8nm632.8nm）工作，其他还有）工作，其他还有1.15m1.15m及及3.39m3.39m。目。目前已获得前已获得612nm612nm、594nm594nm、543nm543nm的激光输出。的激光输出。

41、n功率一般约数毫瓦，连续发光。放电管长功率一般约数毫瓦，连续发光。放电管长1-21-2米的激光器输出功率科大米的激光器输出功率科大数十毫瓦，最大可达数十毫瓦，最大可达1W1W。n制造方便、较便宜、可靠、光束质量好（发散角小于制造方便、较便宜、可靠、光束质量好（发散角小于1mrad1mrad，带宽小于，带宽小于20Hz20Hz）n四能级系统。四能级系统。1.HeNe1.HeNe激光器的结构激光器的结构nHeNeHeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光器的结构形式很多，但都是由激光管激光管和和激光电源激光电源组成。激光管由组成。激光管由放电管放电管、电极电极和和光学谐振腔光学谐振腔组成。组成。

42、M1M2阳极储气套放电毛细管阴极图图1 1 内腔式内腔式HeNeHeNe激光器的结构激光器的结构放电管放电管l通常由毛细管和贮气室构成，是产生激光的地方。放电管中充入一定通常由毛细管和贮气室构成，是产生激光的地方。放电管中充入一定比例的氦比例的氦(He)(He)、氖、氖(Ne)(Ne)气体气体( (气压比气压比5:1-7:15:1-7:1），当电极加上高电压后，），当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激发产生粒子数反转。毛细管中的气体开始放电使氖原子受激发产生粒子数反转。l贮气室与毛细管相连，并不发生气体放电，其作用是补偿因慢漏气及贮气室与毛细管相连，并不发生气体放电，其作用是

43、补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成管内元件放气或吸附气体造成HeHe、NeNe气体比例及总气压发生的变化，气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。延长器件的寿命。 l He-Ne He-Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。率小的铝及其合金制成。 为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。然后用钨棒引到管外。电极电极谐振腔谐振腔uHe-NeHe-Ne激光器由于增益低，激光器由于增益低，谐振腔一

44、般采用谐振腔一般采用平凹腔平凹腔，平，平面镜为输出镜，透过率约面镜为输出镜，透过率约1%1%2 2，凹面镜为全反射，凹面镜为全反射镜。镜。uHe-NeHe-Ne激光管的结构按谐振激光管的结构按谐振腔与放电管的放置方式不同腔与放电管的放置方式不同可分可分内腔式内腔式、外腔式外腔式和和半内半内腔式腔式。按阴极及贮气室位置。按阴极及贮气室位置的不同又可分为同轴式、旁的不同又可分为同轴式、旁轴式和单细管式。轴式和单细管式。图图2 HeNe2 HeNe激光器的基本结构形式激光器的基本结构形式2.HeNe2.HeNe激光器工作原理激光器工作原理nHe-NeHe-Ne激光器是利用原子中的激光器是利用原子中的

45、电子电子电子能级之间的跃迁。电子能级之间的跃迁。它可以在它可以在0.6328 0.6328 m m,3.39 ,3.39 m m和和1.15 1.15 m m三个中的任何一个三个中的任何一个波长上实现激光振荡。波长上实现激光振荡。nHe-NeHe-Ne激光器是典型的四能级激光器是典型的四能级系统，能级结构如图系统，能级结构如图3 3所示。所示。 泵浦激发机制：在泵浦激发机制：在He-NeHe-Ne混合气体中进行直流放电时，高能电子把混合气体中进行直流放电时，高能电子把HeHe原子由基原子由基态激发到激发态，态激发到激发态，2 21 1s s0 0和和2 23 3s s2 2作为吸收带。通过近共

46、振能量转移，使作为吸收带。通过近共振能量转移，使NeNe原子激原子激发到发到2s2s2 2和和2S2S3 3能级上作为激光上能级能级上作为激光上能级n0.63280.6328 m m和和3.393.39 m m两种振荡具有同一个上能级两种振荡具有同一个上能级, ,因此它们之间存在着较因此它们之间存在着较强的谱线竞争。强的谱线竞争。3P3P4 4的寿命比的寿命比2P2P4 4的短，允许建立起相应于的短，允许建立起相应于3.393.39 m m振荡的振荡的大的反转分布大的反转分布, ,使得使得3.393.39 m m振荡的增益大于振荡的增益大于0.63280.6328 m m振荡的增益，所以振荡的

47、增益，所以3.393.39 m m首先达到阈值，正常的振荡发生在首先达到阈值，正常的振荡发生在3.393.39 m m而不是而不是0.6328 0.6328 m m 。一。一旦旦3.393.39 m m振荡发生，振荡发生，3S3S上的反转数被消耗，上的反转数被消耗，0.63280.6328 m m的增益受到抑制，的增益受到抑制，阻碍了阻碍了3S3S上原子数的进一步增加，因此限制了上原子数的进一步增加，因此限制了0.63280.6328 m m振荡的发生。振荡的发生。为为了了保证保证0.63280.6328 m m的的振荡振荡，必须抑制，必须抑制3.393.39 m m振荡。振荡。n0.6328

48、0.6328 m m与与1.151.15 m m振荡共同使用一个下能级，因而也将发生谱线竞争。振荡共同使用一个下能级，因而也将发生谱线竞争。这两条谱线间的竞争较这两条谱线间的竞争较0.63280.6328 m m和和3.393.39 m m两条谱线间的竞争弱一些。两条谱线间的竞争弱一些。3.3.输出功率的影响因素输出功率的影响因素 毛细管的长度和直径、谐振腔的损耗、输出耦合、放电电流、毛细管的长度和直径、谐振腔的损耗、输出耦合、放电电流、HeHe和和NeNe的比例以及气体的压强等都会影响工作物质的增益吸收系数，从而影响的比例以及气体的压强等都会影响工作物质的增益吸收系数，从而影响He-He-N

49、eNe激光器的输出功率。激光器的输出功率。二、二、 A A r r+ +离子激光器离子激光器n离子激光器是目前可见光区最强的相干光源。离子激光器是目前可见光区最强的相干光源。n离子气体激光器输出的波长范围很宽，从紫外离子气体激光器输出的波长范围很宽，从紫外23582358一直到近红外一直到近红外1.3551.355 m m，已观察到，已观察到400400多条谱线，大多数落在可见光范围。多条谱线，大多数落在可见光范围。n一般分为气体离子激光器（它包括惰性气体离子激光器和分子气体一般分为气体离子激光器（它包括惰性气体离子激光器和分子气体离子激光器）和金属蒸气离子激光器。离子激光器）和金属蒸气离子激

50、光器。n氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器。它输出的激光波长主要氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器。它输出的激光波长主要是是0.48800.4880 m m和和0.51450.5145 m m的蓝绿光。连续输出功率一般为几瓦到几十的蓝绿光。连续输出功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见区连续输出功率最高的激光瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见区连续输出功率最高的激光器。器。1.1.氩离子激光器的结构氩离子激光器的结构n 氩离子激光器的结构包括放电管、电极、回气管、谐振氩离子激光器的结构包括放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等部分，如图腔、轴向磁场等部分，如图6 6所示。

51、所示。2.2.氩离子激光器的工作特性氩离子激光器的工作特性（1 1）光谱特性：主要输出）光谱特性：主要输出488nm488nm和和514.5nm514.5nm的光。的光。（2 2）输出功率与工作电流的关系。）输出功率与工作电流的关系。（3 3）输出功率与气压的关系。）输出功率与气压的关系。3.3.氩离子激光器的应用氩离子激光器的应用三、三、COCO2 2激光器激光器n二氧化碳激光器，可称二氧化碳激光器，可称“隐身人隐身人”，因为它发出的激光波长为，因为它发出的激光波长为10.6 10.6 微米，微米，“身身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连

52、续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达冲两种。连续方式产生的激光功率可达20 20 千瓦以上。脉冲方式产生千瓦以上。脉冲方式产生波长波长10.6 10.6 微米的激光也是最强大的一种激光。微米的激光也是最强大的一种激光。n人们已用它来人们已用它来“打打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支长最普通的二氧化碳激光器是一支长1 1 米左右的放电管。它产生的激米左右的放电管。它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖

53、头烧到发出耀眼的白光。光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。1.CO1.CO2 2激光器的结构激光器的结构lCOCO2 2激光器的种类多，应用广泛。从结构来看，激光器的种类多，应用广泛。从结构来看，COCO2 2激光器可分为激光器可分为 ： (1) (1)纵向封离型激光器；纵向封离型激光器；(2)(2)纵向流动激光器；纵向流动激光器；(3)(3)横向流动激光器；横向流动激光器；(4)(4)横向激励高气压激光器横向激励高气压激光器(TEA)(TEA)；(5)(5)射频激励激光器；（射频激励激光器；（6 6）波导）波导COCO2 2激光激光器；（器；（7 7）气动激光器。）气动激光器。

54、纵向封离型激光器横向流动激光器2.2.二氧化碳激光器的工作原理二氧化碳激光器的工作原理3.3.二氧化碳激光器的应用二氧化碳激光器的应用四、准分子光器四、准分子光器n准分子是束缚在电子激发态的分子，是一种处于激发态的复合分子，无稳定的准分子是束缚在电子激发态的分子，是一种处于激发态的复合分子，无稳定的基态。很快自动地离解成原子或其它分子团，从它产生到消失的时间只有几十基态。很快自动地离解成原子或其它分子团，从它产生到消失的时间只有几十毫微秒。毫微秒。 n准分子分两类；一类是同核二聚物，另一类是异核型准分子准分子分两类；一类是同核二聚物，另一类是异核型准分子 ，如惰性气体的氧，如惰性气体的氧化物和

55、卤化物等，以及金属卤化物等。化物和卤化物等，以及金属卤化物等。特点：特点：n准分子寿命很短，只有准分子寿命很短，只有1010-8-8秒，激光跃迁的下能级是排斥态或寿命非常短秒，激光跃迁的下能级是排斥态或寿命非常短( (只有只有1010-13-13秒秒) )的弱束缚态，这就是说激光下能级总是空的。的弱束缚态，这就是说激光下能级总是空的。 n与其它分子激光器属于束缚与其它分子激光器属于束缚束缚辐射跃迁的情形不同，准分子激光器属于束束缚辐射跃迁的情形不同，准分子激光器属于束缚缚- -自由辐射跃迁。由于不存在明确的振动自由辐射跃迁。由于不存在明确的振动转动跃迁，所以跃迁是宽带的。转动跃迁，所以跃迁是宽

56、带的。n这就导致准分子激光器具有很高的阈值泵浦功率。当然，宽带辐射容易实现可这就导致准分子激光器具有很高的阈值泵浦功率。当然，宽带辐射容易实现可调谐激光发射。调谐激光发射。 5.4 5.4 半导体激光器半导体激光器一、半导体物理基础知识一、半导体物理基础知识二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理三、半导体激光器的工作特性及参数三、半导体激光器的工作特性及参数四、半导体激光器的典型应用和发展前景四、半导体激光器的典型应用和发展前景非导体非导体导体导体绝缘体绝缘体半导体半导体非导体：非导体：电子恰好填满能量最低的一系列能带，再高的各能电子恰好填满能量最低的一系列能带，再高的各能带全部

57、都是空带，由于满带不产生电流，所以不导电。带全部都是空带，由于满带不产生电流，所以不导电。价带价带价带价带价带价带空带空带空带空带导带导带导导 体：体：电子除填满一系列能带外，还有只是部分地被电电子除填满一系列能带外，还有只是部分地被电子填充的能带，后者起到导电作用，称为导带。子填充的能带，后者起到导电作用，称为导带。FEFEFEVEge10约VEge1约一、半导体物理基础知识一、半导体物理基础知识v 满满 带：带：能带中所有的能态均已被电子所填满。最高的满带又称价带。能带中所有的能态均已被电子所填满。最高的满带又称价带。v 导导 带：带：一个能带中只有部分能态填有电子，而其余一个能带中只有部

58、分能态填有电子，而其余 的能态为没有电的能态为没有电子填充的空态。最低的空带也称为导带。子填充的空态。最低的空带也称为导带。v 带带 隙：隙：价带顶与导带底之间的能量范围。价带顶与导带底之间的能量范围。v 近满带：近满带：一个能带的绝大部分能态已填有电子，只有少数能态是空的。一个能带的绝大部分能态已填有电子，只有少数能态是空的。v 空空 穴：穴：近满带中大量电子在外电场作用下所产生的电流近满带中大量电子在外电场作用下所产生的电流, ,可等效为可等效为具有正电荷具有正电荷q q和正有效质量和正有效质量m m* *, ,速度为速度为v(k)v(k)的准经典粒子所产生的电流的准经典粒子所产生的电流.

59、 .这这样的准经典离子称为空穴。样的准经典离子称为空穴。本征半导体：本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。 如如SiSi、GeGe的单晶体结构，电子浓度的单晶体结构，电子浓度= =空穴浓度空穴浓度 本征激发导电，载流子少，导电性差，温度稳定性差！本征激发导电，载流子少，导电性差，温度稳定性差！杂质半导体：杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。导电性发生显著变化。 N N型半导体型半导体导电主要靠电子的运动导电主要靠电子的运动 P P型半导体型半导体

60、导电主要靠空穴的运动导电主要靠空穴的运动 杂质的能级均位于带隙中，根据杂质是接收电子还是提供电子又分为杂质的能级均位于带隙中，根据杂质是接收电子还是提供电子又分为施主能级和受主能级。施主能级和受主能级。PN结结半导体二极管半导体二极管二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理 在在pnpn结加上正向偏置电压后，电结加上正向偏置电压后，电子从子从N N区向区向P P区流动，空穴从区流动，空穴从P P区向区向N N区区流动，在作用区内，电子和空穴复合流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只结区的电子和