激光器原理及应用精

1、激光器原理及应用激光器原理及应用精精主要内容n激光器的原理n典型激光器n激光器的应用激光器的原理激光器的基本结构：激光器的基本结构：1、工作物质、工作物质2、泵浦源、泵浦源3、谐振腔、谐振腔增大光波在增益介质中的传播距离增大光波在增益介质中的传播距离激光器的原理 激光工作物质激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去

2、；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。 激光器的原理 激励激励(泵浦泵浦)系统系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和

3、相应的引发措施。核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 激光器的原理 光学共振腔光学共振腔 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。共振腔作用，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用，则是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。激光器分类n按激光工作介质：按激光工作

4、介质：n固体激光器固体激光器 (光纤激光器）光纤激光器）n气体激光器气体激光器n半导体激光器半导体激光器n染料激光器染料激光器n自由电子激光器自由电子激光器按化学组成：按化学组成：原子激光器原子激光器分子激光器分子激光器离子激光器离子激光器自由电子激光器自由电子激光器准分子激光器准分子激光器激光运转方式激光运转方式:连续连续脉冲脉冲单脉冲单脉冲重复频率重复频率准连续准连续激光调制方式激光调制方式自由运转自由运转调调Q锁模锁模典型激光器典型激光器1. 1. 固体激光器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。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

5、荡的不同基质目前已实现激光振荡的不同基质掺杂体系的工作物质有掺杂体系的工作物质有200多种，但是，性能好，使用多种，但是，性能好，使用广泛的主要有下面三种。广泛的主要有下面三种。（1）钕玻璃激光器）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质 = 1.053 m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，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，现已制成输出功率现已制成输出功率1014W激光器。激光器。（2）红宝石激光器）红宝石激光器0.1nm0.01 3nm694 .工作方式：连续、脉

6、冲工作方式：连续、脉冲发发 散散 角角 ： 10-3rad，一般为多模输出；，一般为多模输出； 泵浦功率泵浦功率阈值阈值1020%单模单模工作物质：红宝石晶体工作物质：红宝石晶体输出波长：输出波长：输出线宽：输出线宽：典型激光器（3）掺钕钇铝石榴石（）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）工作物质：工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕晶体内掺进稀土元素钕输出波长：输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm工作方式：连续、高重复率脉冲工作方式：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，因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能

7、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。若半导体激光器作泵浦源的器件体积更小。典型激光器Applications Spectroscopy 光谱学光谱学Fiber laser research 光纤激光器研究光纤激光器研究Telecommunications research 远程通信研究远程通信研究Semiconductor studies 半导体研究半导体研究（4）连续波可调谐钛蓝宝石激光器连续波可调谐钛蓝宝石激光器 3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser输出波长从输出波长从675到到1100nm 由由Ar laser或

8、或LD泵浦泵浦532nm激光器泵浦激光器泵浦TEM00输出功率可达输出功率可达3.5W cwThe high-performance, tunable, solid state IR laser典型激光器2. 2. 气体激光器气体激光器 工作物质工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。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。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。谱线已达数千种谱线已达数千种 (160nm4mm)工作方式：连续运转（大多数）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。多数气体激光

9、器有瞬时功率不高的弱点。 原因：通常气体气压低，单位体积内粒子原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。数少。典型激光器（1）氦）氦-氖激光器氖激光器工作物质：氦氖混合气体工作物质：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。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。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。（ =3.39m ； =1.15m）典型激光器（2）CO2 激光器激光器工作物质：工作物质：

10、CO2 、He、N2、Xe的混合气体的混合气体 激光由激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激光器的工作条件，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提高激光器输出功率水平和使用寿命。水平和使用寿命。输出波长：输出波长： =10.6mCO2 激光器是输出功率最高的气体激光器，激光器是输出功率最高的气体激光器，有连续输出有连续输出50kW；脉冲输出；脉冲输出1012W的激光的激光器。器。典型激光器（3）氩离子气体激光器）氩离子气体激光器 输出波长：输出波长： =488nm； =514.5 nm ； 在可见光区输出功率最高在可见光区输出功率最高输出功率从几瓦输出功率从几瓦几百

11、瓦。几百瓦。氩氩/氪离子激光器，氪离子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser典型激光器氦-镉激光器 以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝光，典型输出功率分别为125mW和1100mW。主要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电路芯片检验及激光诱导荧光实验等。俄罗斯俄罗斯PLASMAPLASMA公司的氦镉激光器公司的氦镉激光器典型激光器铜蒸气激光器 一般通过电子碰撞激励，两条主要的工作谱线是波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光，典型脉冲宽度1050nS，重复频率可达100KHz。当前

12、水平一个脉冲的能量为1mJ左右。这就是说，平均功率可达100W，而峰值功率则高达100KW。 典型激光器氮分子激光器氮分子激光器VSL-337ND-S Nitrogen Laser 脉冲放电激励输出紫脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于瓦，脉宽小于10nS，重复频，重复频率数十率数十Hz数千数千Hz，主要用，主要用作染料激光器的泵浦源，作染料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、也可用于光谱分析、检测、医学及光化学方面医学及光化学方面。常见。常见波长：波长：337.1nm、357.7nm（3）氮分子激光器）氮分子激光器 典型激光器3. 3. 半导体激

13、光器半导体激光器特点：体积最小、重量最轻，特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有效使用时间使用寿命长，有效使用时间超过超过10万小时。万小时。输出波长范围：紫外、可见、红外输出波长范围：紫外、可见、红外输出功率：输出功率：mW、W、kW。由不同组分的半导体材料做成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。激光有源区和约束区的激光器。典型激光器DFB半导体激光器示意图半导体激光器示意图 DBR半导体激光器示意图半导体激光器示意图 典型激光器垂直腔面发射半导体激光器（垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）量子级联激光器量子级联激光器(quantum cascade lasers, Q

14、CLs)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。典型激光器光纤耦合（尾纤型光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激光器件）半导体激光器件 ProLite型光纤耦合单发射激光器型光纤耦合单发射激光器典型激光器1. 工业应用精密测量(距离、位移)激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻)光谱分析2. 医学应用眼科普通外科牙科皮肤科激光原理 . 绪论激光器的应用激光器的应用3. 军事应用激光制导激光测距激光侦察大气激光通信4. 日常应用激光打印机电脑光驱条形码扫描器激光防伪激光霓虹灯激光武器5. 通信领域的应用空间激光通信光纤通信激光武器的杀伤机理

15、激光武器的杀伤机理 n一是烧蚀效应一是烧蚀效应-局部高温局部高温 n二是激波效应二是激波效应- n三是辐射效应三是辐射效应-强电磁场强电磁场激光武器的优点激光武器的优点 n1无需进行弹道计算无需进行弹道计算 n2无后座无后座 n3操作简便，机动灵活，使用范围广操作简便，机动灵活，使用范围广n4无放射性污染，性价比高无放射性污染，性价比高 光通信原理示意图光通信原理示意图 n光通信用的激光器差不多全部是半导体激光器，只有少量的光通信用的激光器差不多全部是半导体激光器，只有少量的CATV系统采用系统采用1310纳米纳米或或1550纳米纳米LD泵浦固体激光器。泵浦固体激光器。n通信用的激光器主要有两类：光纤放大器用的泵浦光源和发射机用的信号光源。通信用的激光器主要有两类：光纤放大器用的泵浦光源和发射机用的信号光源。n应用于自由空间光通信（应用于自由空间光通信（FSO）的激光器有）的激光器有850nm和和1550nm两种两种激光测距激光测距 利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精 度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。