激光原理与激光器件课程设计报告(共27页)

1、激光(jgung)原理与激光器件课程设计报告激光器种类(zhngli)及其用途介绍摘要(zhiyo)电子科学与技术专业主要以光学为主，特别是激光的学习尤为重要。激光技术作为先进制造业的一个重要组成部分，是我国“十一五”期间重点发展的一个主导产业。随着固体激光、气体激光、半导体激光、准分子激光、染料激光、光纤激光、飞秒激光、随机激光等器件的发展，促进了激光技术在科学研究、工业加工、医疗、生命科学、检测、通信、自动控制、信息存储、全息技术、光源等领域的广泛应用。做为一个专业知识以激光为主的学生，应该系统的学习激光有关的理论知识，充分的去了解激光用途，本文主要介绍激光的电源构造、激光的种类及其不同激

2、光器的参数，重点介绍了不同激光器的用途，另外还介绍了激光器的发展前景。文章最后总结了本次课程设计的心得体会。关键词：光学 激光 全息技术 用途认识激光什么是激光激光是光受激辐射的产物，产生激光首先要有激活介质，另外还要有外界激励源，在外界激励源（如外来光）的激励下，产生激光的高能级原子会跃迁到低能级上，根据能量守恒可知，这时从高能级跃迁的低能级的原子将会释放一个和外来光子完全相同的光子，只要选择的激活介质合适，光子在激活介质中将会形成光放大，形成了产生激光的必要条件。其实激光是在光学谐振腔中产生的，光学谐振腔可以增加激活介质的长度，谐振腔由前后两块反射率不同的反射镜构成，一前镜的反射镜的反射率

3、我90%，后反射镜的反射率我100%，般在两个反射镜间放置工作物质（激活介质），只要光学谐振腔里的光子积累到一定程度，前镜将发出光，我们把这种方向性好，相干性好和亮度高的光叫激光。产生激光的条件（1）、有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； （2）、有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；（3）、有光学谐振腔，增长(zngzhng)激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。特别要注意的是，光的传播方向要严格的垂直两放射镜的表面(biomin)，这样才能减少

4、光的损失，才会形成激光。二、激光的电源(dinyun)介绍每一种类型的激光器都需要研制专门的电源，以便用最小损耗来泵浦激光工作物质，保证获得所要求的辐射参量。为了设计电源电路，必须研究激光器的工作原理、电学特性(点火电压、正常工作电压和工作电流)，同时考虑把激光器作为负载接入电路时，对电路的制约。氦氖激光器电源的结构图各部分的功能说明：调整输入电压模块：由于室电不一定稳定在220V，该模块用于是输入电压稳定在某一个设定的特定值。变压器：由于激光器需要很高的电压驱动，这里的变压器用于升压，将输入的电压值升高。滤波电路：将电容和电阻并联就可以组成滤波电路，降低输出电压中的脉动成分，保留其中的直流成

5、分。多倍整流电路：倍压整流电路多用于电流小而电压较高场合，这里的多倍整流电路起到升高电压和整流的作用，一举两得。其原理3倍压整流原理说明：三倍压整流电路如图，在u2 的第一个半周时，u2 的极性是上正下负（即a端为正，b 端为负），D1 在正向电压作用下导通，此时电容C1 充电后的电压约等于u2 的最大值U2（u2 为变压器次级绕.组感应的交流电压，U2 为次级交流电压有效值）。在第二个半周，u2 的极性反过来（a 端为负、b 端为正），D1 截止、D2 导通，电压U2 加上C1 上的U2 向电容C2 充电，C2 充电后的电压约为2U2。在第三个半周时，U2 的极性又是a 端为正，b 端为负，

6、D1 又导通，已充电到2U2 的C2上的电压加到e、d 两点使D2 截止，但D3 导通，于是电容C3 就被充电到与C2 一样高的电压2U2。若负载接在a、b 两端，就可获得三倍压（3U2）的直流输出电压。每只二极管承受的最大反向电压为2U2，电容C1、C2 和C3 承受的电压分别为2U2、2U2 和2U2。根据相同的道理，可以组成(z chn)n（多）倍压整流电路。当n 为奇数时，输出电压从下端的相应两点（B、C）取出；当n 为偶数时，输出电压从上端相应两点（A、D）取出。输出直流电压的平均值，空载时为nU2，负载(fzi)时为n1.2U2。电容(dinrng)C1 上的电压为U2，其余电容上

7、的电压均为2 U2，每个整流元件承受的反向电压都是2U2。大电阻：大电阻起到限流保护电路的作用，用陶瓷制成，耐高温，可在较高功率下使用。激光器的种类介绍实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。下面主要介绍比较常见的激光器。（一）固体激光器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。1、固体激光器的结构介绍当今用

8、于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06m呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06m呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却 与滤光系统等五个部分组成（1）、工作物质 工作物质激光器的核心，是由激活粒子和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统与四能级系统。工作物质的形状目前常用的主要有四

9、种：圆柱形、平板形、圆盘形及管状（2）泵浦系统(xtng) 泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转(fn zhun)，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光 效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。其中(qzhng)惰性气体放电灯是当前最常用的 ，二极管 (LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向。（3）聚光系统 聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的 均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此

10、聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。（4）光学谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成 受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的 高单色性和高定向性。5) 冷却与滤光系统 冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。固体激光器工作时会产生比较严重的热效应，所以通常都要采取冷却措施。主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保证激光器的正常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。2、典型固体激光器介绍（1） 红宝石激光器（ Cr 3

11、+ : Al 2 O3 ） 红宝石是由蓝宝石（ Al2O3 ）中掺入少量的氧化铬（Cr3O2）而形成。红宝石激光器的工作物质是 Cr 3+ : Al2O3 ，其中，Al2O3 作为基质晶体，Cr 3+ 是发光的激活粒子，光谱特性与 Cr3+ 的能级结构有关，它是三能级系统。在室温情况下，红宝石激光器一般输出 694.3nm 的红光。工作物质：Cr 3+ : Al2O3，Al2O3作为基质晶体，Cr3+是发光的激活粒子泵浦方式：用氙灯照射能级(nngj)结构：红宝石晶体中原来处于(chy)基态E1的粒子，吸收了氙灯发射的光子而被激发(jf)到E3能级。输出波长：694.3nm （红光）主要用途：

12、波长694nm的激光能被黑色素选择性吸收，而血红蛋白对该波长几乎不吸收，调Q脉冲红宝石激光被黑色素选择性吸收的特性使其成为去除纹身最好的激光器。与对组织灼烧炭化的治疗机理不同，调Q脉冲高能量瞬间作用于皮损部位使色素团块被击碎成为细小的颗粒，细小的色素颗粒通过人体自身免疫系统被巨嗜细胞吞噬，从而达到治疗目的，因此红宝石治疗色素病变不会产生疤痕，是一种安全有效的治疗手段。我国天津大学研制的TD-98型调Q红宝石激光治疗仪，激光脉冲小于30ns，输出峰值功率可达100兆瓦。可以治疗各种色素病变，尤其是治疗纹身和胎记的效果非常好。非调Q红宝石激光去除毛发具有良好的疗效，尤其在欧美用激光去除毛发受到重视

13、。1997年美国FDA已批准几种以红宝石激光为基础的系统用于去毛发应用。Cr3+ 的能级结构：注意事项：红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好，高功率密度，大尺寸晶体，亚稳态寿命长，高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。（2）掺钕钇铝石榴石激光器 Nd 3+ : YAG 激光器是迄今为止使用最为广泛的固体激光器。在固体基质中掺入了激活粒子 Nd 3+ ，基质钇铝石榴石（英文缩写为 YAG） 具有优良的光学、力学和热学性能，是目前能在室温下连续工作的唯 一实用的固体工作物质。在室 温下， Nd 3+ : YAG 一般输出的激光

14、波长为 1.064m。工作(gngzu)物质：激活(j hu)粒子Nd 3+泵浦方式(fngsh)：光照输出光波：1.064m主要用途：1、激光元件加工: 片状， 方柱， 圆棒， 布儒斯特角端面等， 可按用户要求加工镀膜:2、不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用，可以获得良好的疗效。医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛，特别是治疗皮肤色素性疾病，有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点。Nd 3+ : YAG的能级结构：结构示意图：注意事项：YAG 能级(nngj)结构 Nd 3+ : YAG

15、激光器几乎没有什么缺点，突出优点是阈值低和优良 的热学性能。目前对 Nd 3+ : YAG 的应用(yngyng)远超过其他固体工作物质（3） 掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG） Er : YAG 激光器的出现是激光在医疗领域的一大突破。它的基本结构与 Nd 3+ : YAG 激光器基本结构相似，通常采用(ciyng)脉冲氙灯泵浦，聚光腔为镀银的单椭圆柱腔或双椭圆柱腔，但是其光学元件必须与水蒸气隔离（不隔离激光束将破坏），因此需要将激光器密闭 在干燥的容器之中。其输出的波长为 2.94m。现今， Er : YAG 激光器的最大平均功率已达到3W，最大脉冲输出 已达到 5J，是迄今为止输出功率

16、最大、效率最好的长波长固体激光器；工作物质：泵浦方式：脉冲氙灯泵浦输出光波：2.94m主要用途：Er:YAG激光输出294m的波长，正好与水吸收光谱的峰值吻合，吸收系数为 13000cm-1，在现有医疗激光器中为最高。此吸收系数对应的光学穿透深度为1m，相比于其他医疗用激光器而言，穿透深度非常浅，因此十分适合用在眼科、血管等精密医疗领域。此外，由于Er:YAG激光对含水组织的破坏属于水蒸发所引起的机械损伤，不会留下灼伤疤痕，也不会存在类似准分子激光器对细胞DNA的破坏从而导致基因变异的潜在危险，因此是非常安全实用的医疗用激光光源。Er : YAG 的能级(nngj)结构：（4）、可调谐(tio

17、xi)固体激光器 可调谐固体激光器的出现可以说是固体激光器的重大发展。它是指在一定范围(fnwi)内，可以连续改变输出波长的固体激光器。我们可以将它分为两：一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。色心激光器的阈值较低，容易实现单模运转，并且光束质量好，特别是调谐范围覆盖 0.83.9m。工作物质：正负离子或过渡族金属离子泵浦方式：光照输出光波：0.83.9m主要用途：国防应用：快速信息获取和传递目标指示/测距，激光雷达（成像），跟踪/信标，陆海空天通讯武器精确控制激光制导，激光引信，激光干扰/光电对抗，激光硬杀伤；天文应用：自

18、适应光学信标空间探测；能源应用：激光惯性约束聚变（IFE）电站；激光投影显、示大屏幕激光显示等。（二）气体激光器气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器。它们工作在很宽的波长范围，从真空紫外到远红外，既可以连续方式工作，也可以脉冲方式工作。 （1）原子(yunz)气体激光器 包括各种惰性气体激光器和各种金属蒸气激光器，如氦氖激光器和铜蒸气激光器。其中氦氖激光器是最早研究成功的，并且仍在普遍使用。它的工作物质(wzh)是混有氦的氖。在这种混合气体中放电，部分氦原子被激发到亚稳激发态21S或23S。这部分氦原子与基态氖原子碰撞时，能导致能量转移激发，使氖原子处于激

19、发能级(nngj)上，从而实现氖原子的粒子数反转分布。氖原子在谐振腔中通过受激发射过程主要发出三个波长（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。氦氖激光器输出的激光功率只有几毫瓦到100毫瓦，效率约为0.1。但是，氦氖激光器具有单色性好、方向性强、使用简便、结构紧凑坚固等优点，因而在精密测量、准直和测距中得到广泛的应用。激光器名称：氦氖激光器工作物质：氖原子泵浦方式：电刺激能级结构：四能级系统输出光波：它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15m及3.39m红外光。632.8nmHe-Ne激光器最大连续输出功率可达到1W，寿命也达到10

20、Kh以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005，十分钟内的误差为0.015的功率稳定度；发散角仅为0.5毫弧度。He-Ne激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。He-Ne激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。主要用途：在瓜果照射的应用机理，激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，农业的实际应用上取得了良好效果。可以应用于测量、激光照排、激光治疗He的能级结构：结构(jigu)示意图：工作(gngzu)原理介绍：He-Ne激光器结构大体可分为三部

21、分，既放电管、谐振腔和激发的电源。现在临床上最常应用的为内腔式He-Ne激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给(gngj)，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39m，632.8nm，1.53m三种激

22、光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约23mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内主要按5：110：1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.663.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极(yngj)，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。在He-Ne激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔

23、镜内侧镀有高反射率的介质(jizh)。在其中一端反射率为100，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约1520cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管 He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。 （2）离子(lz)气体激光器 在惰性气体和金属蒸气的离子的电子态

24、能级之间建立粒子数反转，其激光波长大多在紫外和可见光区域，输出激光功率较大。典型的离子激光器有氩离子激光器、氪离子激光器和氦镉激光器等。应用最多的是氩离子激光器。它可以产生多条波长的激光，其中最强的是4480埃和5145埃。连续输出激光功率为几百毫瓦至几百瓦，效率很低，约为0.1。激光器名称：氩离子激光器工作物质：氩气（Ar+），原子序数18，电子结构式 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 激光波长：具有多个波长，457.9 nm (8%)， 476.5 nm (12%)， 488.0 nm (20%)， 496.5 nm (12%)， 501.7 nm (5%)， 514.5 nm (4

25、3%) （由蓝光到绿光）。488.0nm，514.5nm（蓝绿光）输出功率：是目前(mqin)在可见光区连续输出功率最高的激光器（几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦）泵浦方式(fngsh)：高压电激能级(nngj)结构：四能级输出光波：氩离子激光器可以有35条以上谱线，其中25条是波长在408.9686.1纳米范围的可见光，10条以上是 275363.8纳米范围的紫外辐射，并以488.0纳米和514.5纳米的两条谱线为最强，连续输出功率可达100瓦。主要用途：氩离子激光器的主要应用领域包括眼疾治疗、血细胞计数、平版印刷及作为染料激光器的泵浦源。Ar+ 的能级结构：（3）分子气体激光器 工作物质是中

26、性分子气体，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波长范围很广，从真空紫外、可见光到远红外。其中以二氧化碳激光器最为重要，其特点是效率高，大约在1025范围内，可以获得很高激光功率，连续输出功率高达万瓦，脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.4微米和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。 激光器名称(mngchng)：CO2激光器工作(gngzu)物质：CO2泵浦方式(fngsh)：高压电激能级结构：4能级结构输出光波：CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6m波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化

27、学激励，热激励，光激励与核激励等。主要用途：二氧化碳激光器分为普通低气压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和高气压连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。这些激光器可用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可调谐的激光器，特别适用于激光通信和高分辨光谱学。 CO2激光治疗外伤性面部瘢痕1、色素沉着的问题：对于这个问题可以选择色素类的激光及强脉冲光来进行治疗，或者是现在较流行的点阵激光也可以（只是要注意它只是用于陈旧性的瘢痕色素的问题起作用，对新鲜瘢痕不建议使用）。 在治疗时应

28、该根据瘢痕表面的色素的深浅（指瘢痕表面色素细胞的多少以及色素所在瘢痕的层次的深浅）、形成色素的时间长短来选择治疗参数，特别是强脉冲光的参数设置上应该选择脉宽、波长较短有利于色素细胞吸收的治疗参数，以免造成新的色素沉着，甚至新的瘢痕。 2、瘢痕表面凹凸不平的问题：针对这个问题的解决首选应该是激光磨削。用于激光磨削的仪器目前有新型的超脉冲CO2激光和铒激光，当然点阵激光严格来说也应该属于这一类激光，只是说相对而言它的损伤较小、恢复较快。 作用机理上新型高能超脉冲CO2激光和铒激光它们采用高峰值短脉冲技术，能使激光在整个短脉冲期保持高峰值能量，可在瞬间准确地汽化瘢痕组织，且其作用于瘢痕组织的时间短于

29、向周围组织的热弛豫时间，因此可最大限度地减少组织热损伤这是从根本上不同于以往的普通CO2激光。超脉冲CO2激光和铒激光对真皮的热作用还能引起真皮胶原收缩、再生和重塑，从某种角度上说激光对瘢痕的磨削治疗可以使瘢痕在创伤后会向更好的方向上发展。 3、瘢痕外伤性的问题：这主要是见于皮肤搽伤及煤炭等异物经爆炸所形成的外伤性文身，针对这个问题主要是运用Q开关Nd:YAG激光来治疗，病变位置比较深，病变体积较大的皮损可以配合超脉冲CO2激光及手术进行治疗。激光治疗原理同于色素激光对太田痣等的治疗原理。 4、普通外科缝合后遗留的针眼瘢痕的问题：可以采用激光磨削的方式就可以完全解决了针眼的问题，至于(zhy)

30、中间瘢痕的问题要看情况有没有必要手术了。对于新鲜的伤口建议尽快进行激光治疗以及必要的NA物治疗，让针眼瘢痕消失在萌芽状态。CO2激光器的结构(jigu)：CO2激光器与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定(judng)了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡

31、位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体

32、、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。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。CO2激光器的放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。CO2激光器结构组成为：激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层

33、是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。CO2激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。结构(jigu)示意图：注意事项：分子气体激光器与原子气体激光器不一样，分子气体由碳和氧

34、组成（最常用），其原则上是能够实现(shxin)高效率与高功率输出。分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。只不过是工作物质为分子与原子的差别。（4）准分子激光器 第一台准分子激光器于1970年诞生，它利用强电子束激励液态氙，获得氙准分子的激射作用，激光波长为1720埃。随后，气相氙分子以及其它稀有气体准分子，稀有气体氧化物准分子（氧化氪、氧化氙、氧化氩等），金属蒸气-稀有气体准分子（氙化钠等）；稀有气体单卤化物准分子（氟化氙、氟化氩、氟化氪、氯化氙、溴化氙、碘化氙、氯化氪等），金属卤化物准分子（氯化汞、溴化汞等）和金属准分子（钠准分子

35、等）陆续诞生。准分子激光物质具有低能态的排斥性，可以把它有效地抽空，故无低态吸收与能量亏损，粒子数反转很容易，增益大，转换效率高，重复率高，辐射波长短，主要在紫外和真空紫外（少数延伸至可见光）区域振荡，调谐范围较宽。它在分离同位素，紫外光化学，激光光谱学，快速摄影，高分辨率全息术，激光武器，物质结构(jigu)研究，光通信，遥感，集成光学，非线性光学，农业，医学，生物学以及泵浦可调谐染料激光器等方面已获得比较广泛的应用，而且可望发展成为用于核聚变的激光器件。主要用途：在医学领域(ln y)中使用的激光器种类非常多，常用于眼科治疗的主要有红宝石(rudy)激光、氩离子(Ar+)激光、氪离子(Kr

36、+)、染料(dye)激光、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光和氟化氩(ArF)准分子激光等固体、气体(qt)和液体的激光器，用连续的、脉冲的和调Q的方式，治疗眼底部色素膜和屈光间质等部位的数十种有关眼部疾病。 眼科(yn k)使用的准分子激光， 是以氩气(Argon) 和氟气( Fluoride) 为工作气体产生的激光。所谓准分子激光，是指受激二聚体（惰性气体和卤素两种元素）所产生的激光，波长范围为157353nm，所属紫外激光波段。现在用于临床的氟化氩(ArF)混合物产生的波长为193nm的超紫外冷激光.。波长为193nm的ArF准分子激光，进行屈光手术的机理就是光化学效应。准分子激光单个光

37、子的能量大约是6.4eV，而角膜组织中肽键与碳分子键的结合能量仅为3.6eV。当其高能量的光子照射到角膜，直接将组织内的分子键打断，导致角膜组织碎裂而达到消融切割组织的目的，并且由于准分子激光脉宽短（1020nm），又是光化学效应切除。因此，对切除周围组织的机械损伤和热损伤极小（0.30m）。 用这种刀施行光切术，其切割精度可达到m级，其刀口损伤范围仅达nm级，而且由于无热效应而不会损伤邻近组织。所以现已运用于角膜手术，如角膜屈光手术、角膜疤痕去除等。（三）半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（Ga

38、As）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。激光二极体的优点是效率高、体积小、重量轻且价格低

39、。尤其是多重量子井型的效率有2040%，P-N型也达到数%25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现(shxin)非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入

40、式，光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器，一般是由GaAS(砷化镓)，InAS（砷化铟），Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励(jl)，在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般(ybn)也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器.半导体激光器的参数：

41、（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。（2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。（3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。（4）垂直发散角：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在1540左右。（5）水平发散角：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6 10左右。（6）

42、监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光半导体激光器的激励(jl)方式：半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给Pn 结加正向(zhn xin)电压它们所发出的波长在0.3 -3.4um之间。其波长范围决定于所用(su yn)材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm。工作原理及特点半导

43、体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为02-03nm/，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型半

44、导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。进入21世纪后，半导体激光器的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙半导体激光器光效已达到100Im/W，绿半导体激光器为501m/W，单只半导体激光器的光通量也达到数十Im。半导体激光器芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限

45、于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强半导体激光器内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向结构(jigu)示意图：半导体激光器用途(yngt)：1、激光制导：它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。半导体激光制导已用于地-空导弹、空-空导弹、地-地导弹等。激光制导跟踪在军事上具有十分广泛的应用。激光制导的方法(fngf)之一是驾束制导， 又称激光波束制导。从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束， 且光束中心线对准目标;在波束中飞行的导弹，

46、 当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部的激光接收器探测到激光信号， 经信息处理后， 弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向， 形成控制信号; 再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构， 使其沿着波束中心飞行， 直至摧毁目标为止。另一种激光制导方法是光纤制导。通过一根放出的光纤把传感器的信息传送到导弹控制器， 观察所显示的图像并通过同一光纤往回发送控制指令，以达到控制操纵导弹的目的。2、激光测距：主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性，略加改进， 还可测量车辆之间的距离并进行数字显示， 在低于所需安全系数时发出警报。半导体激光夜视仪和激光夜视监测仪也得到重

47、要应用。利用半导体激光器列阵主动式夜视仪的光源具隐蔽性， 列阵功率高的特点， 可提高监测距离至1 km， 如配上扫描和图像显示装置， 则可成为激光夜视监测仪。用其对目标进行监测时， 目标的活动情况可适时通过光缆传送到指挥所。选择较长的合适波长， 可成为全天候监测仪。3、激光雷达(j un li d)：与CO2 激光雷达相比， 半导体激光列阵的激光雷达体积小、结构简单、波长短、精度高、具有多种成像功能(gngnng)及实时图像处理功能， 包括各种成像的综合、图像跟踪(gnzng)和目标的自动识别等。可用于监测目标， 测量大气水气、云层、空气污染; 还可用作飞机防撞雷达， 机载切变风探测相干光雷达

48、， 对来袭目标精确定位以及对直升飞机和巡航导弹的地形跟踪等。半导体激光雷达主要是波长820850 nm 的LD 及列阵。4、激光模拟：激光模拟主要是以半导体激光为基础发展起来的新型军训和演习技术。通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。武器模拟主要使用904 nm 半导体激光器， 用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础， 最初称为激光交战系统( LES) 。该系统的研制始于1973 年， 其可行性已得到了证实。1974 年引进了微处理机技术，于是LES 发展成为多功能激光交战系统(MILES)。同年，赛罗克斯电光系统公司接受了全套MILES工程的研制合同，向陆军提供8 万

49、多套装备， 用于地面作战模拟。此外，该公司还研制了空对地作战系统以及MILES 空防样机，目前，全世界有美、英、瑞( 典) 三国出售MILESII/SAWE 系统; 北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发这种系统。5、深海光通信：半导体激光器是一种理想光源， 具有抗干扰、保密性好等优点。激光对潜通信光源蓝绿光是海水的通信窗口( 460540 nm) ， 穿透深度约300 ft， 潜艇可用蓝绿光和卫星或航空母舰进行通信联络。倍频半导体高功率激光器列阵( 波长在9201080 nm) 就是一种这样的光源。 6、半导体激光瞄准和告警：瞄准具有两类: 一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础，

50、 士兵需佩戴夜视镜才能看清目标上的激光光斑， 以解决夜间士兵的瞄准射击问题; 另一类激光瞄准以发射红色激光和可见光的半导体激光器为基础。美国激光装置公司在20 世纪80 年代推出的FA- 4 型激光瞄准具的重量仅99 g， 长11.4 cm。为满足不同波长激光和可调谐激光器的探测要求， 激光告警的工作波段不断得到拓展， 角分辨率也不断得到提高。7、半导体激光通信：半导体激光器在卫星通信技术中只需要较小的望远镜和较低的发射功率， 就能实现光的自由空间传输并获得极高的数据率传输。激光通信技术可用于轨道卫星间的相互通信及卫星与地面站的通信。8、军用光纤陀螺：军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广， 是

51、目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。由光纤绕成环形光路， 采用Sagnac 干涉原理， 检测出随转动产生的两路激光束的相位差， 由此得出转动的角速度。其主要优点是: 无运动部件， 仪器牢固， 耐冲击， 抗加速运动; 机构简单， 价格低廉; 启动时间极短( 原理上可瞬时启动) ; 灵敏度高， 可达10- 7 rad/s; 动态范围极宽( 约为2 000 度/秒) ; 寿命长等。在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼雷等方面广泛应用。9、短波长(bchng)半导体激光器用于光盘(un pn)读出，自从NaKamuxa实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到(d d

52、o)了广泛应用，如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见。光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛.蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。半导体激光器的缺点：半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。以

53、半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用。半导体激光器的分类：（1）异质结构激光器； （2）条形结构激光器；（3）GaAIAs/GaAs激光器 ；（4）InGaAsP/InP激光器； （5）可见光激光器；（6）远红外激光器 ；（7）动态单模激光器 ；（8）分布反馈激光器 ；（9）量子阱激光器； （10）表面发射激光器； （11）微腔激光器；（四）、液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一

54、般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。激光打标机激光打标机是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，从而刻出精美的图案、商标和文字，激光打标机主要分为，CO2激光打标机，半导体激光打标机、光纤激光打标机和YAG激光打标机，目前激光打标机主要应用于一些要求更精细、精度更高的场合。应用于电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材。激光打标机按照(nzho)激光器

55、不同可分为：CO2激光打标机，半导体激光打标机，YAG激光打标机，光纤激光打标机。按照激光可见度不同分为：紫外激光打标机（不可见）、绿激光打标机（可见激光）、红外激光打标机（不可见激光）。激光(jgung)打标机的区分1、激光(jgung)波长不同深紫外激光打标机： 266 nm 绿激光打标机： 532nm 灯泵YAG激光打标机：1064nm 半导体侧泵YAG激光打标机、半导体端泵YAG激光打标机：1064nm 光纤激光打标机：1064nm CO2激光打标机：10.64um2、工作原理不同灯泵浦YAG激光打标机： 采用氪灯作为能量源（激励源），ND：YAG作为产生激光的介质，发出特定波长可以促

56、使工作物质生产能级跃迁释放出激光，将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束。 CO2激光打标机： 采用CO2气体充入放电管作为产生激光的介质，当在电极上加高电压，放电管中产生辉光放电，就可使气体分子释放出激光，将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束。 半导体侧泵YAG激光打标机：使用波长为 808nm 半导体激光二极管泵浦 Nd: YAG 介质，使介质产生大量的反转粒子在Q开关的作用下形成波长1064nm 的巨脉冲激光输出，电光转换效率高。 半导体端泵YAG激光打标机：直接从激光晶体的端面将半导体泵浦光（808nm）泵入，经光学镜组输出产生激光。使行光转换效率大大提高。 光纤激光打标机：由光

57、纤直接输出激光。3、标记范围CO2激光打标机：主要用于非金属（木头、亚克力、纸张 、皮革等），价格便宜。 绿激光打标机、紫外激光打标机：主要用于高端极精细IC等产品。价格较高，产品定制为主。 灯泵YAG激光打标机：主要用于金属、塑胶等低要求(yoqi)产品，激光打标机价格适中。 半导体侧泵激光打标机：与灯泵YAG激光打标机使用面相同，但较稳定(wndng)，价格适中。 半导体端泵激光打标机：与灯泵YAG激光打标机使用面相同(xin tn)，稳定且省电，但用于高端产，价格较高。 光纤激光打标机：打标精细、省电、免维护，用于手机、按键等高端产品。价格高。激光防伪全息防伪技术包括：1、常规全息防伪技

58、术，2、多通道全息防伪技术，3、隐形加密技术，4.360计算机点阵全息技术，5、双层全息技术，6、荧光加密全息技术，7、动态编码防伪技术，8、电话电码防伪技术，核微孔防伪技术以及基因防伪技术，并具有图像清晰、色彩绚丽、立体感强、一次性使用的特点。多通道全息防伪在转动标识时，会看到在标识的同一位置上出现不同的图案。隐形加密技术将加密图案制作于标识的任一位置，在激光再现仪下方可看到加密图案。360计算机点阵全息技术在图像360的观察范围内会出现放射状、环状、螺旋状等光点的组合与变换，动感极强。双层全息技术能把全息标识揭开，还能看到印有图案和文字的第二防伪层，有双保险的防伪效果。荧光加密全息技术原理

59、与人民币荧光加密原理一样。动态编码防伪是将商标置于眼前，缓慢地转动商标会出现连续动作的图案。电话电码防伪标识是由激光防伪技术和电话电码防伪技术相结合制作而成，通过查询统一的中心数据库可以核对真伪。核微孔防伪标识由激光防伪技术和核微孔防伪技术组成，仅用一只水笔便可分辨真伪。基因防伪是在标识背胶中加入基因因子，通过专用仪器进行检测。 常用(chn yn)的是激光彩虹模压全息图文防伪技术，它是应用激光彩虹全息图制版技术(jsh)和模压复制技术，在产品上制作(zhzu)的一种可视的图文信息。彩虹全息图像是以普遍全息图像作为拍摄物体，经一系列程序处理后制成的彩虹全息照片。如用光致抗蚀刻剂的感光片代替普通

60、照片拍摄的全息图，经曝光处理后，即得到一张浮雕型位相全息图，即制作彩虹全息图的母版。母版表面充满了凹凸不平的干涉条纹，其精细度可达每毫米千余条。这些浮雕状的条纹载录了被拍物体的光波强度与位相信息，实现了全息记录。然后用真空镀膜或化学电镀方法，在母版表面镀上一层很薄的金属膜，再电镀上适当厚度的镍或其他金属，做成一块机械性能良好的模压金属板。将此板装在压印机上，热压聚酯类塑料薄膜，把浮雕型全息图压印在薄膜上，最后在薄膜上再真空蒸镀一层铝膜，以提高膜的反射率。在铝膜上盖镀或涂布保护层后，便制成全息图片，即不透明的激光模压全息防伪图。这种全息图可用日光观察，日光中的每一种波长的光都会被图片上的干涉条纹