現(xiàn)代激光器的分類 原理及應(yīng)用

1、 NANCHANG HANGKONG UNIVERSITY 題 目： 現(xiàn)代激光器的種類及原理、應(yīng)用 學(xué) 院： 測(cè)試與光電工程學(xué)院 系 光電系 專業(yè)班級(jí)： 光電信息科學(xué)與工程 學(xué) 號(hào)： 11085109 姓 名： 楊恒 前言 自從1960年，美國(guó)休斯飛機(jī)公司的科學(xué)家T.H.Mainman博士研制成功世界上第一臺(tái)紅寶石激光器以來，人類對(duì)激光器件的研究與應(yīng)用取得了迅猛的發(fā)展。激光器的誕生，為人類開發(fā)利用整個(gè)光頻電磁波段掀開了嶄新的一頁(yè)，也為傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域注入了生機(jī)，并由此產(chǎn)生了量子光學(xué)、非線性光學(xué)等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域分支。激光器由工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三個(gè)基本部分構(gòu)成。其中，工作物質(zhì)是激光器的核心，是

2、激光器產(chǎn)生光的受激輻射、放大的源泉之所在；泵浦源為在工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源，工作物質(zhì)類型不同，采用的泵浦方式亦不同；光學(xué)諧振腔為激光提供正反饋，同時(shí)具有選模的作用，光學(xué)諧振腔的參數(shù)影響輸出激光器的質(zhì)量。激光器種類繁多，習(xí)慣上主要以以下兩種方式劃分：一種是按照激光工作物質(zhì)，一種是按激光工作方式分，而本文主要是介紹按照激光工作物質(zhì)劃分來介紹典型的激光器。 現(xiàn)代激光器1、 氣體激光器（Laser) 氣體激光器利用氣體或蒸汽作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它由放電管內(nèi)的激活氣體、一對(duì)反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵(lì)源等三個(gè)主要部分組成。主要激勵(lì)方式有電激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)、光激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等。其中電激

3、勵(lì)方式最常用。在適當(dāng)放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級(jí)上，從而形成與某低能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。 根據(jù)氣體工作物質(zhì)為氣體原子、氣體分子或氣體離子，又可將氣體激光器分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。 原子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體原子，激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體和銅、鋅、錳、鉛等金屬原子蒸汽。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。He-Ne激光器是最早出現(xiàn)也是最為常見的氣體激光器之一。它于1961年由在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室從事研究工作的伊朗籍學(xué)者佳萬(Javan)博士

4、及其同事們發(fā)明，工作物質(zhì)為氦、氖兩種氣體按一定比例的混合物。根據(jù)工作條件的不同，可以輸出5種不同波長(zhǎng)的激光，而最常用的則是波長(zhǎng)為632.8納米的紅光。輸出功率在0.5100毫瓦之間，具有非常好的光束質(zhì)量。氦-氖激光器是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的激光器之一，可用于外科醫(yī)療、激光美容、建筑測(cè)量、準(zhǔn)直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室也在用它做演示實(shí)驗(yàn)分子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體分子，激光躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振轉(zhuǎn)能級(jí)之間。采用的氣體主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子氣體。分子激光器的典型代表是CO2激光器。離子激光器中產(chǎn)生激光作用的是已電離的氣體離子，激光躍

5、遷發(fā)生在氣體離子不同的激發(fā)態(tài)之間。采用的離子氣體主要有惰性氣體離子、分子氣體離子和金屬氣體離子三類。其典型代表為Ar+激光器。 氣體激光器示意圖氣體激光器一般采用氣體放電激勵(lì)，還可以采用電子束激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等方式。氣體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于真空紫外至遠(yuǎn)紅外波段，激光譜線上萬條，具有輸出光束質(zhì)量高（方向性及單色性好）、連續(xù)輸出功率大（如CO2激光器）等輸出特性，其器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。氣體激光器廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如計(jì)量、材料加工、激光醫(yī)療、激光通信、能源等方面。2 、固體激光器（Solidstate laser）固體激光器以固體激光介質(zhì)為工作物質(zhì)。1

6、960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺(tái)激光器。固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。固體激光器的工作物質(zhì)通常在基質(zhì)材料，如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子（稱為激活離子），激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級(jí)之間。用作激活離子的元素可分為四類：三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土金屬離子、過渡金屬離子和錒系金屬離子。固體激光器的典型代表是紅寶石激光器、摻銣釔鋁石榴石激光器和摻鈦藍(lán)寶石激光器。固體激光器多采用光泵浦，泵浦光源主要有閃光燈和半導(dǎo)體激光二極管兩類。固體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于可見光至遠(yuǎn)紅外波段，激光譜線數(shù)千條，具有輸出能量

7、大、運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣等特點(diǎn)。器件結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用、易于與光纖耦合進(jìn)行光纖傳輸。 固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛 的用途。它常用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調(diào)諧染料激光器的激勵(lì)源。 固體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長(zhǎng)工作壽命等。3、液體激光器（Liquid Laser）液體激光器的工作物質(zhì)分為兩類：一類為有機(jī)

8、化合物液體（染料），另一類為無機(jī)化合物液體。其中染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的有機(jī)染料有四類：吐噸類染料、香豆素類激光染料、花菁類染料。染料激光器多采用光泵浦，主要有激光泵浦和閃光燈泵浦兩種形式。液體激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到紅外波段（321nm1.168um），通過倍頻技術(shù)還可以將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至真空紫外波段。激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)是染料激光器最重要的輸出特性。器件特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。染料溶液的穩(wěn)定性比較差，是這類器件的不足。染料激光器主要應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如激光光譜光、光化學(xué)、同位素分離、光生物學(xué)等方面。4、半導(dǎo)體激光器（Semiconductor Laser）半導(dǎo)體激

9、光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡(jiǎn)稱激光二極管（Laser Diode，LD）。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，使半導(dǎo)體激光器的工作特性具有其特殊性。半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘

10、（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵(lì).高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵(lì)。在半導(dǎo)體激光器件中，目前性能較好，應(yīng)用較廣的是具有雙異性結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。半導(dǎo)體激光器采用注入電流方式泵浦。半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外至紅外波段（300nm十幾微米），其中1.3

11、um與1.55um為光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進(jìn)行高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命才長(zhǎng)等突出特點(diǎn)，使其成為最重要最具應(yīng)用價(jià)值的一類的激光器。半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它的波長(zhǎng)范圍寬，制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種，半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，850nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器適用于）1Gh/。局域網(wǎng)，1300nm -1550nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng).半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心

12、技術(shù).半導(dǎo)體激光器在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測(cè)儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場(chǎng)。1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光釬通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng).由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途.半導(dǎo)體激光器的問世極大地推動(dòng)了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、

13、最為重要的激光光纖通信的重要光源.半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對(duì)光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展.因此可以說，沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質(zhì)結(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長(zhǎng)距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFB一LD).半導(dǎo)體激光器也廣泛地應(yīng)用于光盤技術(shù)中，光盤技術(shù)是集計(jì)算技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)于一體的綜合性技術(shù).是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲(chǔ)手段，它需要半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光束將信息寫人和讀出。5、光纖激光器（Optical Fiber Laser） 光纖激光器是以摻入某些

14、激活離子的光纖為工作物質(zhì)，或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。光纖激光器可分為晶體激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。光纖激光器主要采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦。光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢(shì)： （1）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢(shì)； （2）玻璃光纖對(duì)入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴(yán)格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故； （3）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低； （4）輸出激光波長(zhǎng)多：這是因?yàn)橄⊥岭x子能級(jí)非常豐富及其稀土離子種類之多； （5）可調(diào)諧性：由于稀土離子能級(jí)寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。 （6）由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。 （7）光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。 （8）勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)灰塵、震蕩