激光原理与典型激光器II

第三课

激光原理与典型激光器林承友cylin@2013.3.20本章主要内容2.1激光原理简述2.2典型激光器2.3激光的应用2.4激光控制技术

2023/1/15

上节主要内容回顾

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激光及其特性受激辐射：单色性好，方向性好，亮度高，相干性好激光器的发展历史光辐射量子理论三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式激光产生的条件必要条件：粒子数反转，减少振荡模式数充分条件：起振条件，稳定振荡条件激光器的基本结构激光工作物质，泵浦源，谐振腔本章主要内容2.1激光原理简述2.2典型激光器2.3激光的应用2.4激光控制技术

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2.2典型激光器2.2.1激光器的种类2.2.2固体激光器2.2.3气体激光器2.2.4染料激光器2.2.5半导体激光器2.2.6新型激光器简介

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2.2.1激光器的种类工作物质：固体、气体、染料、半导体激励方式：光、电、热、化学、核工作方式：连续、脉冲激光波长：毫米波、红外、可见、紫外、x、γ一般按激光工作物质的类型来划分。

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2.2.2固体激光器固体激光器以绝缘晶体和玻璃为工作物质，掺杂少量活性离子（过渡金属或稀土离子），经光泵浦激励后产生受激辐射；固体激光器由于能量转化环节多，效率低，但是由于激活粒子掺杂浓度高，因此尽管效率很低，仍能实现高功率输出（相对于气体激光器等）；为避免固体基质过热，需冷却装置，或脉冲工作方式。脉冲峰值功率大，常用于焊接、打孔；由于晶体缺陷和温度引起光学不均匀性，不易获得单模，倾向于多模输出，相干性较差。

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激活离子1)过渡金属离子（如Cr3+）；2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；3)锕系金属离子（如U3+）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。

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基质材料基质晶体金属氧化物晶体：刚玉（蓝宝石）（Al2O3）、钇铝石榴石（YAG）（Y3Al5O12）等磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐、钨酸、钼酸盐、钒酸盐、铍酸盐晶体氟化物晶体，如氟化钙（CaF2）基质玻璃钡冕玻璃和钙冕玻璃基质陶瓷

2023/1/15

对于晶体和玻璃基质的主要要求易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。

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固体激光器基本结构激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔冷却与滤光装置

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固体激光器

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红宝石激光器：世界上第一台激光器,1960年7月7日，美国青年科学家梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，这台激光器就是红宝石激光器。Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)：最常用的固体激光器，工作波长一般为1064nm，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以输出其他波长的激光。Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)：低功率应用最广泛的固体激光器，工作波长一般为1064nm,可以通过KTP,LBO非线性晶体倍频后产生532nm的激光器。Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石)：适用于高功率输出，这种材料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。钛蓝宝石激光器：具有较宽的波长调节范围（670nm～1200nm）红宝石激光器红宝石激光器属于三能级系统激光器，是最早的一种激光器。激活粒子为Cr3+，基质为红宝石Al2O3，泵浦源采用高压脉冲氙灯。输出波长为694.3nm的红光，且能获得相干性好的单模输出，是全息照相的良好光源。

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红宝石激光器

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红宝石吸收谱的峰值在光谱的紫光区0.3600um与绿光区0.5100um.对应图中基态到上方两个带的吸收,各吸收带宽约0.10um,由于这两个带的能级寿命很短10-9s,大部分粒子通过非辐射跃迁快速（小于0.1us）落入附近的激光上能级E2,E2是个亚稳态,寿命约为10-3s,可以储存大量的粒子,实现E2与E1间的粒子数反转.实际上,E2由挨得很近的两个能级2A和E组成,热运动使处于两个能级的粒子频繁交换,可认为粒子数目始终相等,从E到基态的R1跃迁发射694.3nm的光,从2A到基态的R2跃迁发射693.4nm的光。正常情况下，由于R1线的阈值比R2线小，因此R1首先产生激光，此时E能级粒子数大量消耗，由热运动把2A上的粒子不断补充到E能级，使R2始终达不到阈值，所以红宝石激光器只能发射694.3nm的红光。红宝石激光器主要参数参数单位红宝石激光器激光波长um0.6943光子能量J2.86E-19受激发射横截面积cm22.5E-20自发射寿命us3000掺杂浓度（原子数密度）cm-31.58E19荧光线宽nm0.55荧光谱宽GHz330反转粒子数cm-34E17增益系数cm-10.87热导率W/(cm·K)0.42

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钕玻璃激光器钕玻璃激光器采用四能级系统，发射激光波长为1.06um（中心波长）激活粒子：Nd3＋，基质：玻璃玻璃的热导率较差，难以做成连续或者高重复率激光器光谱线宽，激光为多纵模输出脉冲输出功率高

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钕玻璃激光器

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钕玻璃激光器主要参数参数单位钕玻璃激光器激光波长um1.0623光子能量J1.86E-19受激发射横截面积cm23.03E-20自发射寿命us300掺杂浓度（原子数密度）cm-32.83E20荧光线宽nm26.0荧光谱宽GHz7500反转粒子数cm-33.3E17增益系数cm-10.160热导率W/(cm·K)0.012

2023/1/15

掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器是典型的四能级系统，输出波长1.0641um，可倍频得到0.53um的绿光（比氩粒子激光器的稳定）激活粒子是Nd3＋，基质材料是钇铝石榴石（YAG）优点是阈值功率低，可做成连续激光器，输出功率达千瓦量级，多纵模输出

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掺钕钇铝石榴石激光器谱线竞争4F3/2->4I9/2:0.254F3/2->4I11/2:0.604F3/2->4I15/2:0.10

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掺钕钇铝石榴石激光器

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参数单位掺钕钇铝石榴石激光器激光波长um1.0641光子能量J1.86E-19受激发射横截面积cm288E-20自发射寿命us240掺杂浓度（原子数密度）cm-31.38E20荧光线宽nm0.40荧光谱宽GHz120反转粒子数cm-31.1E16增益系数cm-14.73热导率W/(cm·K)0.13气体激光器

2023/1/15

氦氖激光器：最重要的红光放射源（632.8nm）。二氧化碳激光器：波长约10.6μm（红外线），重要的工业激光。一氧化碳激光器：波长约6-8μm（红外线），只在冷却的条件下工作。氮气激光器：337.1nm(紫外线)。氩离子激光器：具有多个波长，457.9nm(8%),476.5nm(12%),488.0nm(20%),496.5nm(12%),501.7nm(5%),514.5nm(43%)（由蓝光到绿光）。氦镉激光器：最重要的蓝光(442nm)和近紫外激光源(325nm)。氪离子激光器:具有多个波长，350.7nm;356.4nm;476.2nm;482.5nm;520.6nm;530.9nm;586.2nm;647.1nm(最强);676.4nm;752.5nm;799.3nm(从蓝光到深红光)。氧离子激光器氙离子激光器气体激光器

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混合气体激光器：不含纯气体，而是几种气体的混合物（一般为氩，氪等）。准分子激光器：比如，KrF(248nm),XeF(351-353nm),ArF(193nm),XeCl(308nm),F2(157nm)(均为紫外线)。金属蒸汽激光器：比如铜蒸汽激光器，波长介于510.6-578.2nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。金属卤化物激光器：比如溴化铜激光器，波长介于510.6-578.2nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。化学激发激光器是一种特殊的形式。激发通过媒介中的化学反应来进行。媒介是一次性的，使用后就被消耗掉了。对于高功率的条件及军事领域是非常理想的。盐酸激光器碘激光器氦氖激光器氦氖激光器是目前应用最广泛，也是结构最简单的激光器激活原子为Ne原子，发射波长为632.8nm，相干长度约为30cm能够实现稳频运转，是各种精密测量的光源，是时间和长度的基准目前已经实现多波长输出

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氦氖激光器激光高能级为2p55s

，寿命为96ns低能级为2p53p，寿命为19ns泵浦带是2p55s，通过自由电子碰撞而激发。

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氦氖激光器结构内腔式外腔式半外腔式

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氩离子激光器氩离子激光器是典型的气体激光器，可以输出488.0nm、514.5nm等近十个波长谱线；单一谱线功率可达1w，全谱功率近10w。发热大，一般需要水冷系统

2023/1/15

二氧化碳激光器二氧化碳激光器的激活介质是CO2分子，受激发射由分子的振动跃迁产生，波长为中红外区的1.06um激光转换效率非常高（>10%），输出功率上百瓦

2023/1/15

半导体激光器半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化锢(InAs)、氮化镓（GaN)、锑化锢(InSb)、硫化锅(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe)、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.

2023/1/15

半导体激光器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结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.

2023/1/15

半导体激光器半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、成本低等优点，在集成光学中具有不可替代的地位，在光通信、光计算、光存储和光信息处理等领域占有绝对优势。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.

2023/1/15

自由电子激光器一种颠覆式的新型激光器参考CaohuiRandomLaserOPNVol.16（1），2006，pp24-29

2023/1/15

2023/1/15

2.3 激光的应用激光科研（非线性效应、激光捕获原子）激光测距、激光雷达、激光准直激光加工（焊接、切割、成型、雕刻等）激光医疗（激光刀、激光纤维内窥镜）激光武器激光全息、激光存储激光通信激光艺术不同功率激光器的用途

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lessthan1mW–laserpointers

5mW–CD-ROMdrive5–10mW–DVDplayerorDVD-ROMdrive

100mW–High-speedCD-RWburner250mW–ConsumerDVD-Rburner1W–greenlaserincurrentHolographicVersatileDiscprototypedevelopment1–20W–outputofthemajorityofcommerciallyavailablesolid-statelasersusedformicromachining30–100W–typicalsealedCO2surgicallasers[26]

100–3000W(peakoutput1.5kW)–typicalsealedCO2lasersusedinindustriallasercutting

1kW–Outputpowerexpectedtobeachievedbyaprototype1

cmdiodelaserbar[27]

Examplesofpulsedsystemswithhighpeakpower:700TW(700×1012W)–NationalIgnitionFacility,a192-beam,1.8-megajoulelasersystemadjoininga10-meter-diametertargetchamber.[28]

1.3PW(1.3×1015W)–world'smostpowerfullaserasof1998,locatedattheLawrenceLivermoreLaboratory[29]

2.2典型激光器工作物质：固体、气体、半导体、自由电子激励方式：光、电、热、化学、核工作方式：连续、脉冲激光波长：红外、可见、紫外、毫米波、x、γ

2023/1/15

固体激光器固体激光器以绝缘晶体和玻璃为工作物质，掺杂少量活性离子（过渡金属或稀土离子），经光泵浦激励后产生受激辐射；固体激光器由于能量转化环节多，效率低，但是由于激活粒子掺杂浓度高，因此尽管效率很低，仍能实现高功率输出（相对于气体激光器等）；为避免固体基质过热，需冷却装置，或脉冲工作方式。脉冲峰值功率大，常用于焊接、打孔；由于晶体缺陷和温度引起光学不均匀性，不易获得单模，倾向于多模输出，相干性较差。

2023/1/15

激活离子1)过渡金属离子（如Cr3+）；2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；3)锕系金属离子（如U3+）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。

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基质材料基质晶体金属氧化物晶体：刚玉（蓝宝石）（Al2O3）、钇铝石榴石（YAG）（Y3Al5O12）等磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐、钨酸、钼酸盐、钒酸盐、铍酸盐晶体氟化物晶体，如氟化钙（CaF2）基质玻璃钡冕玻璃和钙冕玻璃基质陶瓷

2023/1/15

对于晶体和玻璃基质的主要要求易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。

2023/1/15

固体激光器基本结构激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔冷却与滤光装置

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固体激光器

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红宝石激光器：世界上第一台激光器,1960年7月7日，美国青年科学家梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，这台激光器就是红宝石激光器。Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)：最常用的固体激光器，工作波长一般为1064nm，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以输出其他波长的激光。Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)：低功率应用最广泛的固体激光器，工作波长一般为1064nm,可以通过KTP,LBO非线性晶体倍频后产生532nm的激光器。Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石)：适用于高功率输出，这种材料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。钛蓝宝石激光器：具有较宽的波长调节范围（670nm～1200nm）红宝石激光器红宝石激光器属于三能级系统激光器，是最早的一种激光器。激活粒子为Cr3+，基质为红宝石Al2O3，泵浦源采用高压脉冲氙灯输出波长为694.3nm的红光，且能获得相干性好的单模输出，是全息照相的良好光源

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红宝石激光器

2023/1/15

2023/1/15

红宝石吸收谱的峰值在光谱的紫光区0.3600um与绿光区0.5100um.对应图中基态到上方两个带的吸收,各吸收带宽约0.10um,由于这两个带的能级寿命很短10-9s,大部分粒子通过非辐射跃迁快速（小于0.1us）落入附近的激光上能级E2,E2是个亚稳态,寿命约为10-3s,可以储存大量的粒子,实现E2与E1间的粒子数反转.实际上,E2由挨得很近的两个能级2A和E组成,热运动使处于两个能级的粒子频繁交换,可认为粒子数目始终相等,从E到基态的R1跃迁发射694.3nm的光,从2A到基态的R2跃迁发射693.4nm的光。正常情况下，由于R1线的阈值比R2线小，因此R1首先产生激光，此时E能级粒子数大量消耗，由热运动把2A上的粒子不断补充到E能级，使R2始终达不到阈值，所以红宝石激光器只能发射694.3nm的红光。红宝石激光器主要参数参数单位红宝石激光器激光波长um0.6943光子能量J2.86E-19受激发射横截面积cm22.5E-20自发射寿命us3000掺杂浓度（原子数密度）cm-31.58E19荧光线宽nm0.55荧光谱宽GHz330反转粒子数cm-34E17增益系数cm-10.87热导率W/(cm·K)0.42

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钕玻璃激光器钕玻璃激光器采用四能级系统，发射激光波长为1.06um（中心波长）激活粒子：Nd3＋，基质：玻璃玻璃的热导率较差，难以做成连续或者高重复率激光器光谱线宽，激光为多纵模输出脉冲输出功率高

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钕玻璃激光器

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钕玻璃激光器主要参数参数单位钕玻璃激光器激光波长um1.0623光子能量J1.86E-19受激发射横截面积cm23.03E-20自发射寿命us300掺杂浓度（原子数密度）cm-32.83E20荧光线宽nm26.0荧光谱宽GHz7500反转粒子数cm-33.3E17增益系数cm-10.160热导率W/(cm·K)0.012

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掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器是典型的四能级系统，输出波长1.0641um，可倍频得到0.53um的绿光（比氩粒子激光器的稳定）激活粒子是Nd3＋，基质材料是钇铝石榴石（YAG）优点是阈值功率低，可做成连续激光器，输出功率达千瓦量级，多纵模输出

2023/1/15

掺钕钇铝石榴石激光器谱线竞争4F3/2->4I9/2:0.254F3/2->4I11/2:0.604F3/2->4I15/2:0.10

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掺钕钇铝石榴石激光器

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参数单位掺钕钇铝石榴石激光器激光波长um1.0641光子能量J1.86E-19受激发射横截面积cm288E-20自发射寿命us240掺杂浓度（原子数密度）cm-31.38E20荧光线宽nm0.40荧光谱宽GHz120反转粒子数cm-31.1E16增益系数cm-14.73热导率W/(cm·K)0.13气体激光器

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氦氖激光器：最重要的红光放射源（632.8nm）。二氧化碳激光器：波长约10.6μm（红外线），重要的工业激光。一氧化碳激光器：波长约6-8μm（红外线），只在冷却的条件下工作。氮气激光器：337.1nm(紫外线)。氩离子激光器：具有多个波长，457.9nm(8%),476.5nm(12%),488.0nm(20%),496.5nm(12%),501.7nm(5%),514.5nm(43%)（由蓝光到绿光）。氦镉激光器：最重要的蓝光(442nm)和近紫外激光源(325nm)。氪离子激光器:具有多个波长，350.7nm;356.4nm;476.2nm;482.5nm;520.6nm;530.9nm;586.2nm;647.1nm(最强);676.4nm;752.5nm;799.3nm(从蓝光到深红光)。氧离子激光器氙离子激光器气体激光器

2023/1/15

混合气体激光器：不含纯气体，而是几种气体的混合物（一般为氩，氪等）。准分子激光器：比如，KrF(248nm),XeF(351-353nm),ArF(193nm),XeCl(308nm),F2(157nm)(均为紫外线)。金属蒸汽激光器：比如铜蒸汽激光器，波长介于510.6-578.2nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。金属卤化物激光器：比如溴化铜激光器，波长介于510.6-578.2nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。化学激发激光器是一种特殊的形式。激发通过媒介中的化学反应来进行。媒介是一次性的，使用后就被消耗掉了。对于高功率的条件及军事领域是非常理想的。盐酸激光器碘激光器氦氖激光器氦氖激光器是目前应用最广泛，也是结构最简单的激光器激活原子为Ne原子，发射波长为632.8nm，相干长度约为30cm能够实现稳频运转，是各种精密测量的光源，是时间和长度的基准目前已经实现多波长输出

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氦氖激光器激光高能级为2p55s

，寿命为96ns低能级为2p53p，寿命为19ns泵浦带是2p55s，通过自由电子碰撞而激发。

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氦氖激光器结构内腔式外腔式半外腔式

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氩离子激光器氩离子激光器是典型的气体激光器，可以输出488.0nm、514.5nm等近十个波长谱线；单一谱线功率可达1w，全谱功率近10w。发热大，一般需要水冷系统

2023/1/15

二氧化碳激光器二氧化碳激光器的激活介质是CO2分子，受激发射由分子的振动跃迁产生，波长为中红外区的1.06um激光转换效率非常高（>10%），输出功率上百瓦

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半导体激光器半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化锢(InAs)、氮化镓（GaN)、锑化锢(InSb)、硫化锅(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe)、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.

2023/1/15

半导体激光器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结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.

2023/1/15

半导体激光器半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、成本低等优点，在集成光学中具有不可替代的地位，在光通信、光计算、光存储和光信息处理等领域占有绝对优势。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.

2023/1/15

自由电子激光器一种颠覆式的新型激光器参考CaohuiRandomLaserOPNVol.16（1），2006，pp24-29

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2023/1/15

2.3 激光的应用激光科研（非线性效应、激光捕获原子）激光测距、激光雷达、激光准直激光加工（焊接、切割、成型、雕刻等）激光医疗（激光刀、激光纤维内窥镜）激光武器激光全息、激光存储激光通信激光艺术不同功率激光器的用途

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lessthan1mW–laserpointers

5mW–CD-ROMdrive5–10mW–DVDplayerorDVD-ROMdrive

100mW–High-speedCD-RWburner250mW–ConsumerDVD-Rburner1W–greenlaserincurrentHolographicVersatileDiscprototypedevelopment1–20W–outputofthemajorityofcommerciallyavailablesolid-statelasersusedformicromachining30–100W–typicalsealedCO2surgicallasers[26]

100–3000W(peakoutput1.5kW)–typicalsealedCO2lasersusedinindustriallasercutting

1kW–Outputpowerexpectedtobeachievedbyaprototype1

cmdiodelaserbar[27]

Examplesofpulsedsystemswithhighpeakpower:700TW(700×1012W)–NationalIgnitionFacility,a192-beam,1.8-megajoulelasersystemadjoininga10-meter-diametertargetchamber.[28]

1.3PW(1.3×1015W)–world'smostpowerfullaserasof1998,locatedattheLawrenceLivermoreLaboratory[29]

第一台激光器1960-5-17，TedMaiman发明了第一台激光器——红宝石激光器

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红宝石晶体

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钕玻璃

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氦氖激光器

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氩离子激光器

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OutputPower(TEMoo)Specifications

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OutputPower(TEMoo)SpecificationsArgonWavelength(nm)I-304I-305I-306I-307I-308I-310MultilineVisible

(457.9nm-514.5nm)4.0W5.0W6.0

W7.0W8.0W10.0WMultilineUV

(333.4nm-363.8nmArgon)0.200.400.500.600.75

1090.00.040.050.070.070.10

550.420.420.55

514.51.702.002.402.403.20

501.70.300.400.480.480.48

496.50.500.600.720.720.95

488.01.301.501.801.802.40

476.50.500.600.720.720.95

404

48

450.420.420.56

454.50.040.14

UV363.80.090.25

UV351.10.090.25

数据来自：coherent

inc.半导体激光器

2023/1/15