激光原理与应用课件

激光原理与应用激光（Laser）一词是受激辐射光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的缩写。1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石激光器。从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。激光原理与应用激光（Laser）一词是受激辐射光放大（Lig1§1激光的基本原理1．1原子吸收、自发辐射和受激辐射一、原子吸收

一个原子开始时处于基态E1，有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用，且满足hv=E2-E1，E2为原子的激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。

§1激光的基本原理1．1原子吸收、自发辐射和受激辐射2二、自发辐射

处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。二、自发辐射处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发3自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等皆可不同。不同原子所发出的光波列彼此是不相干的。

自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。4三、受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2，跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射。三、受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射5受激辐射的特点

这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的。受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。

受激辐射光放大示意图hv输入hvhvhvhvhvhv输出E1E2受激辐射示意图E2E1hvhvhv受激辐射的特点这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的。受激61．2粒子数反转处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分子数，服从玻尔兹曼分布，高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的分子数之比为：1．2粒子数反转处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分7例对于大多数原子来说，两能级之差约为：En'-En~0.1eV，

在常温300K下，

kT=1.3810-23

300~0.025eV

例对于大多数原子来说，两能级之差约为：8粒子数反转为了实现光放大，必须选用适当的工作物质，采用特殊的手段，破坏原子的平衡态，及平衡态下所遵从的玻尔兹曼分布。从而使较高的能态上分布的分子数大于低能态上分布的分子数。这一过程称之为粒子数反转。粒子数反转为了实现光放大，必须选用适当的工作物质，采用特殊的91．3激光工作物质的能级结构一、三能级系统激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。

在He、Ne、CO2、N2等物质中都有这种能级结构1．3激光工作物质的能级结构一、三能级系统10物质三能级系统的示意图

应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统仅有这三条能级。

抽运快慢E1E2E3（亚稳态）（基态）物质三能级系统的示意图抽运快慢E1E2E3（亚稳态）（基态11二、四能级系统

四能级系统的优点：易于激发抽运快慢E2E3E4（亚稳态）（基态）E1快二、四能级系统抽运快慢E2E3E4（亚稳态）（基态）E1快121．4光学谐振腔

谐振腔的选频作用

选取一定的传播方向和一定频率的光信号加以放大，同时又能对其他方向和频率的光信号加以抑制。选择腔长：杂乱的初始信号谐振腔结构和选频作用M1100%M298%L1．4光学谐振腔谐振腔的选频作用杂乱的初始信号谐振腔结构13Fabry－Perot平行谐振腔

对光的传播方向进行选择，使激光具有良好的单向性。对激光器所发激光的频率加以选择，使激光具有良好的单色性。Fabry－Perot平行谐振腔对光的传播方向进行选择，使14激光产生的必要条件选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。

激光产生的必要条件选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质151．5激光的特性

一、单向性极好：普通光源向四面八方发射能量，其能量分布在全空间4立体角内。而激光则是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8球面度。若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米。激光的单向性是由受激辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光这种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。1．5激光的特性一、单向性极好：普通光源向四面八方发射16二、良好的单色性从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2nm，而氦氖激光器发射的632.8nm激光的谱线宽度只有10-9nm。若从多模激光束中提取单模激光，再采取稳频技术措施，还可以进一步提高激光的单色性。利用激光良好的单色特性，可以作为计量工作的基准光源。例如用单色、稳频激光器作为光频计时基准，它在一年内的计时误差不超过1微秒，大大超过原子钟的计时精度。二、良好的单色性从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色17三、高亮度

光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太阳表面的亮度只有103（w/cm2.sr）。而目前大功率激光器的输出激光亮度可以高达1010～1017（w/cm2.sr）。激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。例如：一只功率为20mw的He-Ne激光管，所发激光的亮度是太阳亮度的几百倍。

三、高亮度光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内18四、高单色性普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。因此也可以说激光具有非常好的相干性。用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，可以得到非常好的效果。

四、高单色性普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米19§2激光器简介

2．1红宝石激光器

红宝石激光器是第一只问世的固体脉冲激光器。它的工作物质是红宝石。红宝石的主要成分是Al2O3，其中含有很少的铬离子。红宝石棒长约10cm，直径约1cm。两端面精磨抛光后，根据需要镀银，使其成为高反射面。两镀银面保持严格平行，构成法布里-伯罗谐振腔。所产生的激光波长为694.3nm的红光，谱线宽度约为0.01nm。

§2激光器简介2．1红宝石激光器20红宝石激光的结构红宝石激光管的结构红宝的能级结构基态抽运亚稳态694.3nm红宝石激光的结构红宝石激光管的结构基态抽运亚稳态694.3n21红宝石激光器的特点

输入能量很大，其中只有一小部分被红宝石所吸收，转化为激光输出。而大部分能量则耗散为热能，故其效率较低。但由于激光脉冲很窄，其输出功率仍属于大功率型。由于散热需要，激光脉冲间隔受到制约，光的单色性较差。

红宝石激光器的特点输入能量很大，其中只有一小部分被红宝石所222.2氦氖激光器

氦氖激光器是第一只问世的连续型激光器。1961年由美国科学家贝纳特（Benette）和雅文（Javan）在实验室制成。

He-Ne激光器的工作物质为氖气，氦气为辅助物质。氦与氖的混合比约为7∶1，被封入放电管中，总气压约为2mm汞。实验室中所用的He-Ne激光管约为250(mm)～1(m)不等。氦氖激光器所发激光波长为632.8nm。2.2氦氖激光器氦氖激光器是第一只问世的连续型激光器。23氦氖激光器结构He1S21S2S激励亚稳态Ne1s22s22p62p55s2p53p2p53sHe-Ne能级结构激光632.8nm快碰撞谐振腔结构示意图激光阳极阴极M1M2氦氖激光器结构He1S21S2S激励亚稳态Ne1s22s2224氦氖激光器的特点He-Ne激光器是连续发光。它的相干性很好，因此在近代光学技术中有广泛的应用。

输出功率较小，一般为几毫瓦～几十毫瓦。氦氖激光器的特点He-Ne激光器是连续发光。252．3二氧化碳激光器

二氧化碳激光器属于大功率气体分子激光器。其中又分为连续型和脉冲型。连续型的输出功率可以达到数千瓦，而脉冲型的输出功率则可以达到兆瓦量级。CO2激光器的主要工作物质为CO2，辅助物质有N2、He等。各类气体气压的比例大约为CO2∶N2∶He=1.0∶0.5∶2.52．3二氧化碳激光器二氧化碳激光器属于大功率气体分子26

二氧化碳激光器能级结构

CO2和N2的振动能级v3E(cm-1)0100020003000000100200v1010020030v2001CO2v01N210.6μm二氧化碳激光器能级结构CO2和N2的振动27跃迁原理在放电管接通激励电压后，一方面CO2分子直接与电子碰撞获得激发后，跃迁到001能级。另一方面由于N2分子的v=1振动能级与CO2的001能级十分接近，通过碰撞，N2分子的能量可以传递给CO2分子，使其获得激发。这两种激发的概率都非常高，而且CO2分子的001能级的寿命很长，为毫秒量级，这样就很容易地在001与100能级间形成粒子数反转，发生受激辐射，放出波长为10.6m的红外激光。而后与He原子发生碰撞，损失能量后，通过010能级回到基态。这也是一个典型的四能级系统。

跃迁原理在放电管接通激励电压后，一方面CO2分子直接与电子碰28CO2激光的特点

它的工作能级的寿命很长，约为10-1~10-3(s)，而这些能级又接近基态，所需要的激励能量较其他种类的气体激光器要低得多。把分子激发到工作能级的概率大，因而它的输出功率很高。它的能量转换效率相应地也很高。各种不同类型的CO2激光器，其效率可达15%~35%不等。使用寿命却很长，可达1000~2000小时。

CO2激光为人眼不能察觉的红外光，波长为10.6m。

CO2激光的特点它的工作能级的寿命很长，约为10-1~292．4半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光器的工作物质，亦可以简称为激光二级管，英文缩写LD。激光二级管所涉及的半导体材料有很多种，但目前应用较多的有两类。一种材料体系是以砷化镓（GaAs）或砷化镓铝（GaAlAs）为基础，所发激光波长为650nm。与上述其他类型的激光器不同，半导体激光是依靠半导体材料中的电子和空穴的复合过程而产生光辐射。

2．4半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光器30§3激光应用技术简介由于激光具有非常良好的方向性、单色性、高亮度等特点，目前在工业上激光已经被广泛地应用到加工技术、工业自动化、检测与计量技术、生物、医学等各个领域之中，并极大地促进了这些领域的进步与发展。§3激光应用技术简介由于激光具有非常良好的方向性、单色性313.1激光加工技术一、材料的表面热处理工艺激光功率密度在104~105W/cm2；用于材料表面热处理。二、材料焊接技术光功率密度在105~107W/cm2；用于材料表面合金化、焊接等。三、激光钻孔技术3.1激光加工技术一、材料的表面热处理工艺323．2激光加工的特点激光加工属无接触加工，加工过程短，加工速度快，并且是局部加工。对非激光照射区域的影响极小，因此，其热影响区域很小，工件的受热变形量小，后续加工量小；

激光束的能量密度范围及其移动速度容易调节，便于实现多种材料加工的目的。它可以对多种金属、非金属材料进行加工，特别适用于那些高硬度、高脆性、高熔点的材料。例如：高硬度合金、玻璃、陶瓷等；激光加工属无接触加工，无切削力作用于工件，因此在激光加工过程中无刀具、模具等损耗问题，加工质量性能稳定可靠，生产效率高，经济效益好；

3．2激光加工的特点激光加工属无接触加工，加工过程短，333．3激光技术在生物、医学方面的应用

激光可以打开一条进入细胞的通道在不影响细胞活性的情况下，使DNA进入细胞组织。用一台红外激光器所发射的激光在细胞壁上打一个微孔，在不破坏细胞组织活性的条件下，将环状DNA植入细胞组织，以改变细胞的生物学特性。这种激光导入DNA的方法与其他方法相比，在有效性和选择性方面都有大大的提高。激光可以代替手术刀做一些微型手术

3．3激光技术在生物、医学方面的应用激光可以打开一条进343．4激光在几何参数测量方面的应用一、激光测距技术1、激光脉冲计数方法

2、相位测距法二、利用激光技术和几何学原理可以对板材的厚度进行测量激光测厚原理示意图参考平面He-Ne激光d45°ABXMN3．4激光在几何参数测量方面的应用一、激光测距技术353.5激光条码检测技术条码技术是通过一定形状和间隔的条纹组合来表达计算机“0”、“1”语言的一种方法。UPC条码：厂商代码+产品识别代码+校验代码条码阅读器=半导体激光器+反射光检测器3.5激光条码检测技术条码技术是通过一定形状和间隔的条纹363．6激光在化学分析方面的应用拉曼技术的原理

当光通过不均匀介质时会发生散射，在散射光中，除了含有与入射光相同频率v0成分的瑞利散射外，在瑞利散射线v0的两侧还存在有频率成分为：

v0

v的散射线，这就是拉曼散射。在拉曼散射中，频率低于瑞利散射线v0的散射线被称之为红伴线或斯托克斯线，频率高于瑞利散射线v0的散射线被称之为紫伴线或反斯托克斯线。

3．6激光在化学分析方面的应用拉曼技术的原理37拉曼散射特点：频差v与入射光的频率无关。

在拉曼散射中，频率较低的红伴线的强度明显地高于紫伴线的强度，且拉曼散射总体上的强度，远远地低于瑞利散射线的强度。它只占总散射光强的千分之一左右。由于拉曼散射太弱，因此它在激光问世以前，没有得到很好的应用。

拉曼散射特点：频差v与入射光的频率无关。38受激拉曼散射

当以激光照射散射物质时，激光强度达到一定程度后，拉曼散射突然增强。其强度超过原来的几千倍，谱线同时变窄，并且显示出与激光具有同样的性质。我们称这一现象为受激拉曼散射。受激拉曼散射当以激光照射散射物质时，激光强度达到一定程度后39Raman跃迁示意图

Rayleigh跃迁E1E2E3E4

Raman跃迁示意图Raman跃迁Raman跃迁示意图Rayleigh跃迁E1E2E3E440激光拉曼谱的特点

它与红外吸收光谱具有一定的互补性。受激拉曼散射的谱带清晰、重叠少、特征明显，有利于分析。

激光拉曼谱的特点它与红外吸收光谱具有一定的互补性。41在大气污染方面的研究应用发射激光散射体散射光光电转换分光器数据处理结果显示激光拉曼分析流程图在大气污染方面的研究应用发射激光散射体散射光光电转换分光器数42激光拉曼散射谱vv0Δν激光拉曼散射谱vv0Δν43激光原理与应用激光（Laser）一词是受激辐射光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的缩写。1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石激光器。从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。激光原理与应用激光（Laser）一词是受激辐射光放大（Lig44§1激光的基本原理1．1原子吸收、自发辐射和受激辐射一、原子吸收

一个原子开始时处于基态E1，有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用，且满足hv=E2-E1，E2为原子的激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。

§1激光的基本原理1．1原子吸收、自发辐射和受激辐射45二、自发辐射

处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。二、自发辐射处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发46自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等皆可不同。不同原子所发出的光波列彼此是不相干的。

自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。47三、受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2，跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射。三、受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射48受激辐射的特点

这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的。受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。

受激辐射光放大示意图hv输入hvhvhvhvhvhv输出E1E2受激辐射示意图E2E1hvhvhv受激辐射的特点这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的。受激491．2粒子数反转处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分子数，服从玻尔兹曼分布，高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的分子数之比为：1．2粒子数反转处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分50例对于大多数原子来说，两能级之差约为：En'-En~0.1eV，

在常温300K下，

kT=1.3810-23

300~0.025eV

例对于大多数原子来说，两能级之差约为：51粒子数反转为了实现光放大，必须选用适当的工作物质，采用特殊的手段，破坏原子的平衡态，及平衡态下所遵从的玻尔兹曼分布。从而使较高的能态上分布的分子数大于低能态上分布的分子数。这一过程称之为粒子数反转。粒子数反转为了实现光放大，必须选用适当的工作物质，采用特殊的521．3激光工作物质的能级结构一、三能级系统激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。

在He、Ne、CO2、N2等物质中都有这种能级结构1．3激光工作物质的能级结构一、三能级系统53物质三能级系统的示意图

应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统仅有这三条能级。

抽运快慢E1E2E3（亚稳态）（基态）物质三能级系统的示意图抽运快慢E1E2E3（亚稳态）（基态54二、四能级系统

四能级系统的优点：易于激发抽运快慢E2E3E4（亚稳态）（基态）E1快二、四能级系统抽运快慢E2E3E4（亚稳态）（基态）E1快551．4光学谐振腔

谐振腔的选频作用

选取一定的传播方向和一定频率的光信号加以放大，同时又能对其他方向和频率的光信号加以抑制。选择腔长：杂乱的初始信号谐振腔结构和选频作用M1100%M298%L1．4光学谐振腔谐振腔的选频作用杂乱的初始信号谐振腔结构56Fabry－Perot平行谐振腔

对光的传播方向进行选择，使激光具有良好的单向性。对激光器所发激光的频率加以选择，使激光具有良好的单色性。Fabry－Perot平行谐振腔对光的传播方向进行选择，使57激光产生的必要条件选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。

激光产生的必要条件选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质581．5激光的特性

一、单向性极好：普通光源向四面八方发射能量，其能量分布在全空间4立体角内。而激光则是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8球面度。若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米。激光的单向性是由受激辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光这种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。1．5激光的特性一、单向性极好：普通光源向四面八方发射59二、良好的单色性从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2nm，而氦氖激光器发射的632.8nm激光的谱线宽度只有10-9nm。若从多模激光束中提取单模激光，再采取稳频技术措施，还可以进一步提高激光的单色性。利用激光良好的单色特性，可以作为计量工作的基准光源。例如用单色、稳频激光器作为光频计时基准，它在一年内的计时误差不超过1微秒，大大超过原子钟的计时精度。二、良好的单色性从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色60三、高亮度

光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太阳表面的亮度只有103（w/cm2.sr）。而目前大功率激光器的输出激光亮度可以高达1010～1017（w/cm2.sr）。激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。例如：一只功率为20mw的He-Ne激光管，所发激光的亮度是太阳亮度的几百倍。

三、高亮度光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内61四、高单色性普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。因此也可以说激光具有非常好的相干性。用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，可以得到非常好的效果。

四、高单色性普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米62§2激光器简介

2．1红宝石激光器

红宝石激光器是第一只问世的固体脉冲激光器。它的工作物质是红宝石。红宝石的主要成分是Al2O3，其中含有很少的铬离子。红宝石棒长约10cm，直径约1cm。两端面精磨抛光后，根据需要镀银，使其成为高反射面。两镀银面保持严格平行，构成法布里-伯罗谐振腔。所产生的激光波长为694.3nm的红光，谱线宽度约为0.01nm。

§2激光器简介2．1红宝石激光器63红宝石激光的结构红宝石激光管的结构红宝的能级结构基态抽运亚稳态694.3nm红宝石激光的结构红宝石激光管的结构基态抽运亚稳态694.3n64红宝石激光器的特点

输入能量很大，其中只有一小部分被红宝石所吸收，转化为激光输出。而大部分能量则耗散为热能，故其效率较低。但由于激光脉冲很窄，其输出功率仍属于大功率型。由于散热需要，激光脉冲间隔受到制约，光的单色性较差。

红宝石激光器的特点输入能量很大，其中只有一小部分被红宝石所652.2氦氖激光器

氦氖激光器是第一只问世的连续型激光器。1961年由美国科学家贝纳特（Benette）和雅文（Javan）在实验室制成。

He-Ne激光器的工作物质为氖气，氦气为辅助物质。氦与氖的混合比约为7∶1，被封入放电管中，总气压约为2mm汞。实验室中所用的He-Ne激光管约为250(mm)～1(m)不等。氦氖激光器所发激光波长为632.8nm。2.2氦氖激光器氦氖激光器是第一只问世的连续型激光器。66氦氖激光器结构He1S21S2S激励亚稳态Ne1s22s22p62p55s2p53p2p53sHe-Ne能级结构激光632.8nm快碰撞谐振腔结构示意图激光阳极阴极M1M2氦氖激光器结构He1S21S2S激励亚稳态Ne1s22s2267氦氖激光器的特点He-Ne激光器是连续发光。它的相干性很好，因此在近代光学技术中有广泛的应用。

输出功率较小，一般为几毫瓦～几十毫瓦。氦氖激光器的特点He-Ne激光器是连续发光。682．3二氧化碳激光器

二氧化碳激光器属于大功率气体分子激光器。其中又分为连续型和脉冲型。连续型的输出功率可以达到数千瓦，而脉冲型的输出功率则可以达到兆瓦量级。CO2激光器的主要工作物质为CO2，辅助物质有N2、He等。各类气体气压的比例大约为CO2∶N2∶He=1.0∶0.5∶2.52．3二氧化碳激光器二氧化碳激光器属于大功率气体分子69

二氧化碳激光器能级结构

CO2和N2的振动能级v3E(cm-1)0100020003000000100200v1010020030v2001CO2v01N210.6μm二氧化碳激光器能级结构CO2和N2的振动70跃迁原理在放电管接通激励电压后，一方面CO2分子直接与电子碰撞获得激发后，跃迁到001能级。另一方面由于N2分子的v=1振动能级与CO2的001能级十分接近，通过碰撞，N2分子的能量可以传递给CO2分子，使其获得激发。这两种激发的概率都非常高，而且CO2分子的001能级的寿命很长，为毫秒量级，这样就很容易地在001与100能级间形成粒子数反转，发生受激辐射，放出波长为10.6m的红外激光。而后与He原子发生碰撞，损失能量后，通过010能级回到基态。这也是一个典型的四能级系统。

跃迁原理在放电管接通激励电压后，一方面CO2分子直接与电子碰71CO2激光的特点

它的工作能级的寿命很长，约为10-1~10-3(s)，而这些能级又接近基态，所需要的激励能量较其他种类的气体激光器要低得多。把分子激发到工作能级的概率大，因而它的输出功率很高。它的能量转换效率相应地也很高。各种不同类型的CO2激光器，其效率可达15%~35%不等。使用寿命却很长，可达1000~2000小时。

CO2激光为人眼不能察觉的红外光，波长为10.6m。

CO2激光的特点它的工作能级的寿命很长，约为10-1~722．4半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光器的工作物质，亦可以简称为激光二级管，英文缩写LD。激光二级管所涉及的半导体材料有很多种，但目前应用较多的有两类。一种材料体系是以砷化镓（GaAs）或砷化镓铝（GaAlAs）为基础，所发激光波长为650nm。与上述其他类型的激光器不同，半导体激光是依靠半导体材料中的电子和空穴的复合过程而产生光辐射。

2．4半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光器73§3激光应用技术简介由于激光具有非常良好的方向性、单色性、高亮度等特点，目前在工业上激光已经被广泛地应用到加工技术、工业自动化、检测与计量技术、生物、医学等各个领域之中，并极大地促进了这些领域的进步与发展。§3激光应用技术简介由于激光具有非常良好的方向性、单色性743.1激光加工技术一、材料的表面热处理工艺激光功率密度在104~105W/cm2；用于材料表面热处理。二、材料焊接技术光功率密度在105~107W/cm2；用于材料表面合金化、焊接等。三、激光钻孔技术3.1激光加工技术一、材料的表面热处理工艺753．2激光加工的特点激光加工属无接触加工，加工过程短，加工速度快，并且是局部加工。对非激光照射区域的影响极小，因此，其热影响区域很小，工件的受热变形量小，后续加工量小；

激光束的能量密度范围及其移动速度容易调节，便于实现多种材料加工的目的。它可以对多种金属、非金属材料进行加工，特别适用于那些高硬度、高脆性、高熔点的材料。例如：高硬度合金、玻璃、陶瓷等；激光加工属无接触加工，无切削力作用