激光器的分類介紹

1、激光器的分類介紹實(shí)際應(yīng)用的激光器種類很多如以組成激光器的工作物質(zhì)來(lái)說(shuō)可分為氣體激光 器、液體激光器、固定激光器、半導(dǎo)體激光器、化學(xué)激光器等。在同一類型的激光 器中乂包括有許多不同材料的激光器。如固體激光器中有紅寶石激光器、鎧鋁石榴 石dYAG激光器。氣體型的激光器主要有He-e氮氛、C02及氨離子激光器等。由 于工作物質(zhì)不同產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光波不同因而應(yīng)用范圍也不相同。最常用而范圍廣 的有C021aser及NdYAG激光。有的激光器可連續(xù)工作如He-Ne laser有的以脈沖 形式發(fā)光丄作。如紅寶石激光。而另一些激光器既可連續(xù)工作乂可以脈沖匸作的有 C021aser 及 NdYAG laser。

2、一、固體激光器實(shí)現(xiàn)激光的核心主要是激光器中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光 丄作物質(zhì)即含有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作物質(zhì)。如工作物質(zhì)為晶體狀的或者玻璃的激光器 分別稱為晶體激光器和玻璃激光器通常把這兩類激光器統(tǒng)稱為固體激光器。在激 光器中以固體激光器發(fā)展最早這種激光器體積小輸出功率大應(yīng)用方便。山于工作物 質(zhì)很復(fù)雜造價(jià)高。當(dāng)今用于固體激光器的物質(zhì)主要有三種摻欽鋁石榴石dYAG工作 物質(zhì)輸出的波長(zhǎng)為1. 06 u m呈口藍(lán)色光枚玻璃丄作物質(zhì)輸出波長(zhǎng)1. 06 u m呈紫藍(lán)色 光紅寶石工作物質(zhì)輸出波長(zhǎng)為694. 3nm為紅色光。主要用光泵的作用產(chǎn)生光放大發(fā) 出激光即光激勵(lì)工作物質(zhì)。固定激光器的結(jié)構(gòu)III三個(gè)主要部分組

3、成工作物質(zhì)光學(xué) 諧振腔、激勵(lì)源。聚光腔是使光源發(fā)出的光都會(huì)聚于工作物質(zhì)上。丄作物質(zhì)吸收足 夠大的光能激發(fā)大量的粒子促成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。F增益大于諧振腔內(nèi)的損耗時(shí)產(chǎn)生腔 內(nèi)振蕩并山部分反射鏡一端輸出一束激光。工作物質(zhì)有2條主要作用一是產(chǎn)生光二 是作為介質(zhì)傳播光束。因此不管哪一種激光器對(duì)其發(fā)光性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)都有一定要 求。二、氣體激光器工作物質(zhì)主要以氣體狀態(tài)進(jìn)行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是 氣體有的物質(zhì)在通常條件下是液體如非金屬粒子的有水、汞及固體如金屬離子結(jié)構(gòu) 的銅鎘等粒子經(jīng)過(guò)加熱使其變?yōu)檎魵饫眠@類蒸氣作為丄作物質(zhì)的激光器統(tǒng)歸氣體 激光器之中。氣體激光器中除了發(fā)出激光的工作氣體外為了延長(zhǎng)器件的工作壽

4、命及 提高輸出功率還加入一定量的輔助氣體與發(fā)光的工作氣體相混合。氣體激光器大多應(yīng)用電激勵(lì)發(fā)光即用直流交流及高頻電源進(jìn)行氣體放電兩端放 電管的電壓增壓時(shí)可加速電子帶有一定能量在工作物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的電子與粒子氣體的原子或分子碰撞時(shí)將自身的能量轉(zhuǎn)移給對(duì)方使分子或原子被激發(fā)到某 一高能級(jí)上而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光。氣體激光器與固體激光器相比較兩者中以 氣體激光器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單得多造價(jià)較低操作簡(jiǎn)便但是輸出功率常較小。因氣體激 光器中的工作物質(zhì)不同。因此分中性惰性原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。 中性原子氣體激光器這類激光器中主要充有以惰性氣體氮、氛、氮、氮等的物質(zhì)。 具有典型應(yīng)用的就是He-Ne氨氛激光

5、器。首臺(tái)He-Ne激光器誕生于1960年它可以 在可見光區(qū)及紅外區(qū)中產(chǎn)生多種波長(zhǎng)和激光譜線主要產(chǎn)生的有632. 8nm紅光、和 1. 15 u m及3. 39 um紅外光。632. 8nmHe-Ne激光器最大連續(xù)輸出功率可達(dá)到1W壽 命也達(dá)到10Kh以上。借助調(diào)節(jié)放大電流大小使功率穩(wěn)定性達(dá)到30秒內(nèi)的誤差為 0. 005十分鐘內(nèi)的誤差為0. 015的功率穩(wěn)定度發(fā)散角僅為0. 5毫弧度。He-Ne激光 器除了具有一般的氣體激光器所固有的方向性好單色性好相干性強(qiáng)諸優(yōu)點(diǎn)外還具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)廉、頻率穩(wěn)定等特點(diǎn)。He-Ne激光在精確指示激光測(cè)量醫(yī)療 衛(wèi)生方面有很廣泛的用途。He-Ne激光器結(jié)構(gòu)

6、大體可分為三部分既放電管、諧振腔和激發(fā)的電源?，F(xiàn)在臨 床上最常應(yīng)用的為內(nèi)腔式HeYe激光器的激光放電管內(nèi)的氣體在涌有一定高的電壓 及電流在電場(chǎng)作用下氣體放電放電管中的電子就會(huì)山負(fù)極以高速向正極運(yùn)動(dòng)。在運(yùn) 動(dòng)中與工作物質(zhì)內(nèi)的氨原子進(jìn)行碰撞電子的能量傳給原子促使原子的能量提高基態(tài) 原子躍遷到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)。這時(shí)如有基態(tài)氛原子與兩能級(jí)上的氨原子相碰氨原子 的能量傳遞給氛原子并從基態(tài)躍遷到激發(fā)的能級(jí)狀態(tài)而氨原子回到了基態(tài)上。因?yàn)?放電管上所加的電圧電流連續(xù)不斷供給原子不斷地發(fā)生碰撞。這就產(chǎn)生了激光必須 具備的基本條件。在發(fā)生受激輻射時(shí)分別發(fā)出波長(zhǎng)3. 39 u m632. 8nml. 53 Pm三種激

7、 光而這三種激光中除632. 8nm為可見光中的紅外光外另二種是紅外區(qū)的輻射光。因 反射鏡的反射率不同只輸出一種較長(zhǎng)的光波632. 8nm的激光。He-Ne激光的放電管最外層是用硬質(zhì)玻璃制成。放電的內(nèi)管直徑約23mm管長(zhǎng)兒 厘米到十兒厘米放電管越長(zhǎng)功率越大相應(yīng)的放電電壓就高。管內(nèi)主要按51101的比 例充入氨氛混合氣體達(dá)到總氣壓約2. 663. 99Pao管的一端裝有鋁圓筒作陰極其圓 管狀結(jié)構(gòu)主要是為了減少放電測(cè)射另一端裝有鉤針作陽(yáng)極放電管兩端裝有反射鏡即 一頭為全反射鏡出光一端為半反射鏡。這就構(gòu)成了激光放電管。在He-Ne激光器中采用的諧振腔有球面腔或平凹腔。一般腔鏡內(nèi)側(cè)鍍有高反射 率的介質(zhì)

8、。在其中一端反射率為100 5-端反射率山激光器的增益而定。放電毛細(xì) 管長(zhǎng)度約1520cmHeYe激光器的半反射鏡的半反射鏡的反射率98. 599. 5。諧振腔 的軸線和放電毛細(xì)管He-Ne激光器的外界激勵(lì)能源與固體激光器不相同不能使用 光泵激勵(lì)而采用電激勵(lì)的方法。把工作物質(zhì)封入放電管中供以直流、交流及射頻等 方式激勵(lì)氣體放電。通過(guò)放電過(guò)程把能量傳給工作物質(zhì)促使氣體中的離子、原子被 激發(fā)。醫(yī)療中使用的激勵(lì)方法主要是以直流電激發(fā)出光。大體結(jié)構(gòu)主要有高壓變壓 器、整流與濾波回路、限流與穩(wěn)流回路組成。三、分子氣體激光器分子氣體激光器與原子氣體激光器不一樣分子氣體由碳 和氧組成最常用其原則上是能夠?qū)崿F(xiàn)

9、高效率與高功率輸出。分子氣體激光器通過(guò)分 子能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生激發(fā)振蕩的一和種激光器分子能級(jí)躍遷形式與原子能級(jí)躍遷相 同。只不過(guò)是工作物質(zhì)為分子與原子的差別。分子氣體激光器中主要使用的為CO2 激光器。C02激光器效率高不造成工作介質(zhì)損害發(fā)射出10.6um波長(zhǎng)的不可見激光是一 種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環(huán)式按激勵(lì)方式分電激勵(lì) 化學(xué)激勵(lì)熱激勵(lì)光激勵(lì)與核激勵(lì)等。在醫(yī)療中使用的C02激光器兒乎白分之白是電 激勵(lì)。C02激光器與其它分子激光器一樣C02激光器工作原理其受激發(fā)射過(guò)程也 較復(fù)雜。分子有三種不同的運(yùn)動(dòng)即分子里電子的運(yùn)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)決定了分子的電子能態(tài) 二是分子里的原子振動(dòng)即分

10、子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動(dòng)一一并決 定于分子的振動(dòng)能態(tài)三是分子轉(zhuǎn)動(dòng)即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)分子的這種運(yùn) 動(dòng)決定了分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。分子運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜因而能級(jí)也很復(fù)雜。C02分子為線性 對(duì)稱分子兩個(gè)氧原子分別在碳原子的兩側(cè)所表示的是原子的平衡位置。分子里的各 原子始終運(yùn)動(dòng)著要繞其平衡位置不停地振動(dòng)。根據(jù)分子振動(dòng)理論C02有三種不同的 振動(dòng)方式？二個(gè)氧原子沿分子軸向相反方向振動(dòng)即兩個(gè)氧在振動(dòng)中同時(shí)達(dá)到振動(dòng)的 最大值和平衡值而此時(shí)分子中的碳原子靜止不動(dòng)因而其振動(dòng)被叫做對(duì)稱振動(dòng)。？?jī)?個(gè)氧原子在垂直于分子軸的方向振動(dòng)且振動(dòng)方向相同而碳原子則向相反的方向垂直 于分子軸振動(dòng)。由于三個(gè)原子的

11、振動(dòng)是同步的乂稱為變形振動(dòng)。？三個(gè)原子沿對(duì)稱 軸振動(dòng)其中碳原子的振動(dòng)方向與兩個(gè)氧原子相反乂叫反對(duì)稱振動(dòng)能。在這三種不同 的振動(dòng)方式中確定了有不同組別的能級(jí)。C02激光器中主要的工作物質(zhì)山C02氮?dú)獍睔馊N氣體組成。其中C02是 產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧暗獨(dú)鉃檩o助性氣體。加入其中的氨可以加速010能級(jí) 熱弛預(yù)過(guò)程因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空。氮?dú)饧尤胫饕贑02激光器中 起能量傳遞作用為C02激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng) 有力的作用。C02激光器的放電管中通常輸入兒十mA或兒百mA的直流電流。放 電時(shí)放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子山于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來(lái)。

12、這時(shí)受到 激發(fā)的氮分子便和C02分子發(fā)生碰撞X2分子把自己的能量傳遞給C02分子C02分 子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。C02激光器結(jié)構(gòu)組成為?激 光管是激光機(jī)中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面 一層是放電管笫2層為水冷套管最外一層為儲(chǔ)氣管。C02激光器放電管直徑比He- Ne激光管粗。放電管的粗細(xì)一般來(lái)說(shuō)對(duì)輸出功率沒(méi)有影響主要考慮到光斑大小所 引起的衍射效應(yīng)應(yīng)根據(jù)管長(zhǎng)而定。管長(zhǎng)的粗一點(diǎn)管短的細(xì)一點(diǎn)。放電管長(zhǎng)度與輸出 功率成正比。在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)每米放電管長(zhǎng)度輸出的功率隨總長(zhǎng)度而增加。加 水冷套的U的是冷卻工作氣體使輸出功率穩(wěn)定。放電管在兩端都與儲(chǔ)

13、氣管連接即儲(chǔ) 氣管的一端有一小孔與放電管相通另一端經(jīng)過(guò)螺旋形回氣管與放電管相通這樣就可 使氣體在放電管中與儲(chǔ)氣管中循環(huán)流動(dòng)放電管中的氣體隨時(shí)交換。四、YAG激光器是以鎧鋁石榴石晶體為基質(zhì)的一種固體激光器。鎧鋁石榴石 的化學(xué)式是Y3 A15 015簡(jiǎn)稱為YAG。在YAG基質(zhì)中摻入激活離子d3約1就成為 Nd:YAGo實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的A12 03、Y2 03和Nd03在單晶爐中熔化結(jié)晶 而成。Nd:YAG屬于立方晶系是各向同性晶體。III于Nd: YAG屬四能級(jí)系統(tǒng) 量子效率高受激輻射面積大 所以它的閾值比紅寶 石和欽玻璃低得多。乂山于Nd:YAG晶體具有優(yōu)良的熱學(xué)性能因此非常適合制成連

14、續(xù)和重頻器件。它是訂前在室溫下能夠連續(xù)工作的唯一固體工作物質(zhì)在中小功率脈 沖器件中。LI前應(yīng)用Nd:YAG的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他工作物質(zhì)。和其他固體激光器一 樣YAG激光器基本組成部分是激光丄作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔。不過(guò)山于晶體中 所摻雜的激活離子種類不同泵浦源及泵浦方式不同所采用的諧振腔的結(jié)構(gòu)不同以 及采用的其他功能性結(jié)構(gòu)器件不同YAG激光器乂可分為多種例如按輸出波形可分 為連續(xù)波YAG激光器、重頻YAG激光器和脈沖 激光器等按工作波長(zhǎng)分為1.06PmYAG激光器、倍頻YAG激光器、拉曼頻移YAG激光器 X 1. 54 u m和可調(diào)諧YAG激光器 如色心激光器等 按摻雜不同可分為Nd:YAG激光

15、器、摻H。、Tm、Er等的YAG激光器以晶體的形狀不同分為棒形和板條形YAG激光器根據(jù)輸出功率能量不同可分為高功率和中小功率YAG激光器等。形形色色的 YAG激光器成為固體激光器中最重要的一個(gè)分支。五、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。LI前較成 熟的是神化鐐激光器發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的神化鐐、硫化輅硫化鋅等激光 器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單而堅(jiān)固特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期III于光纖通訊和 光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P結(jié)或PIN結(jié)為工

16、作物質(zhì)的一 種小型化激光器.半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有兒十種訂前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有 神化稼GdAs、li申化錮InAs、氮化鐐GaN、錘化錮InSb、硫化鍋cds、蹄化福 CdTe、硒化鉛PbSe、啼化鉛PhTe、鋁稼碑AlxGa-As、錮磷W In-PxAS等.。半 導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種即電注人式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式.。絕 大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式是電注人即給Pn結(jié)加正向電壓以使在結(jié)平面區(qū)域 產(chǎn)生受激發(fā)射也就是說(shuō)是個(gè)正向偏置的二極管因此半導(dǎo)體激光器乂稱為半導(dǎo)體激光 二極管對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)由于電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷而不是在分立的能級(jí)之間 躍遷所以躍遷能量不是個(gè)確定值這使得

17、半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)展布在一個(gè)很寬的 范圉上.它們所發(fā)出的波長(zhǎng)在0. 3 -34um之間.其波長(zhǎng)范圍決定于所用材料的能帶間 隙最常見的是A1GM:雙異質(zhì)結(jié)激光器其輸出波長(zhǎng)為750 - 890nm.。世界上第一只 半導(dǎo)體激光器是1962年問(wèn)世的經(jīng)過(guò)兒十年來(lái)的研究半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā) 展它的波長(zhǎng)從紅外、紅光到藍(lán)綠光被蓋范圉逐漸擴(kuò)大各項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提 高其制作技術(shù)經(jīng)歷了山擴(kuò)散法到液相外延法LPE氣相外延法VPE分子束外延法 MBEM0CVD方法金屬有機(jī)化合物汽相淀積化學(xué)束外延CBE以及它們的各種結(jié)合型等 多種工藝其激射閉值電流由兒口 mA降到兒十mA直到亞mA其壽命由兒百到兒萬(wàn) 小時(shí)

18、乃至白萬(wàn)小時(shí)從最初的低溫77K下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到在常溫下連續(xù)工作輸出功率山兒 毫瓦提高到千瓦級(jí) 陣列器件它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能將電 能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高已達(dá)10以上、最大可達(dá)50.便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點(diǎn)因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò) 大。U前固定波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域 過(guò)去常用的其他激光器已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代.。半導(dǎo)體激光器最大的缺點(diǎn) 是激光性能受溫度影響大光束的發(fā)散角較大一般在兒度到20度之間所以在方向 性、單色性和相干性等方面較差.但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展半導(dǎo)體激光器的研究 正向縱深方向推進(jìn)半導(dǎo)體激光器的性能在不斷地提高.U前半

19、導(dǎo)體激光器的功率可 以達(dá)到很高的水平而且光束質(zhì)量也有了很大的提高.以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo) 體光電子技術(shù)在21世紀(jì)的信息社會(huì)中將取得更大的進(jìn)展發(fā)揮更大的作用.。主要 半導(dǎo)體激光器的工作原理、發(fā)展歷史和應(yīng)用前景作一簡(jiǎn)略的介紹.六液體激光器 常用的是染料激光器采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶 劑中乙醇、丙酮、水等中使用也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波 長(zhǎng)激光在可見光范圍。染料激光器一般使用激光作泵浦源例如常用的有氮離子激光 器等。液體激光器I：作原理比較復(fù)雜。輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)使 它也得到廣泛應(yīng)用。2. 1.4激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù)自愛因斯坦1917年提出 受激輻射概念后足足經(jīng)過(guò)了 40年直到1958年美國(guó)兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)家湯斯 C. H. Townes和肖洛A. I. Schawl aw才打破了沉寂的局面發(fā)表了著名論文紅外與光 學(xué)激射器指出了受激輻射為主的發(fā)光的可能性以及必要條