常用激光器簡(jiǎn)介

1、幾種常用激光器的概述一、CO2激光器1、背景氣體激光技術(shù)自61年問世以來，發(fā)展極為迅速，受到許多國(guó)家的極大重視。特別是近兩年，以二氧化碳為主體工作物質(zhì)的分子氣體激光器的進(jìn)展更為神速，已成為氣體激光器中最有發(fā)展前途的器件。二氧化碳分子氣體激光器不僅工作波長(zhǎng)(10.6微米)在大氣“窗口”，而且它正向連續(xù)波大功率和高效率器件邁進(jìn)。1961年，Pola-nyi指出了分子的受激振動(dòng)能級(jí)之間獲得粒子反轉(zhuǎn)的可能性。在1964年1月美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的C.K.N.Pate研制出第一支二氧化碳分子氣體激光器，輸出功率僅為1毫瓦，其效率為0.01%。不到兩年，現(xiàn)在該類器件的連續(xù)波輸出功率高達(dá)1200瓦，其效率為1

2、7 %，電源激勵(lì)脈沖輸出功率為825瓦，采用Q開關(guān)技術(shù)已獲得50千瓦的脈沖功率輸出。最近，有人認(rèn)為，進(jìn)一步提高現(xiàn)有的工藝水平，近期可以達(dá)到幾千瓦的連續(xù)波功率輸出和3040% 的效率。2、工作原理CO2激光器中，主要的工作物質(zhì)由CO，氮?dú)?，氦氣三種氣體組成。其中CO是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級(jí)熱弛預(yù)過程，因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空。氮?dú)饧尤胫饕贑O激光器中起能量傳遞作用，為CO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。CO分子激光躍遷能級(jí)圖 CO激光器的激發(fā)條件：放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。

3、放電時(shí)，放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時(shí)受到激發(fā)的氮分子便和CO分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO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。3、特點(diǎn)二氧化碳分子氣體激光器不但具有一般氣體激光器的高度相干性和頻率穩(wěn)定性的特點(diǎn),而且還具有另外三個(gè)獨(dú)有的特點(diǎn)：（1）工作波長(zhǎng)處于大氣“窗口”，可用于多路遠(yuǎn)距離通訊和紅外雷達(dá)。（2）大功率和高效率( 目前，氬離子激光器最高連續(xù)波輸出功率為100瓦，其效率為0.17 %，原子激光器的連續(xù)波輸出功率一般為毫瓦極,其效率約為0.1%，而二氧化碳分子激光器連續(xù)波輸出功率高達(dá)1200瓦,其效率為17%）

4、。（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用一般工業(yè)氣體，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。由此可見,隨著研究工作的進(jìn)展、新技術(shù)的使用，輸出功率和效率會(huì)不斷提高,壽命也會(huì)不斷增長(zhǎng),將會(huì)出現(xiàn)一系列新穎的應(yīng)用。例如大氣和宇宙通訊、相干探測(cè)和導(dǎo)航、超外差技術(shù)和紅外技術(shù)等。4、應(yīng)用二氧化碳分子激光器以其獨(dú)有的特點(diǎn)獲得廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)就某些方面的應(yīng)用介紹如下：1、熱效應(yīng)的應(yīng)用可以毫不困難地把激光器的射束直徑聚成100微米。在此情況下。300瓦的功率就相當(dāng)于107瓦/厘米2數(shù)量級(jí)的能量密度，此值已超過太陽光的能量密度，能達(dá)到極高的溫度。例如Garver公司研制的800 瓦二氧化碳激光器在2秒鐘之內(nèi)就能燒穿4寸厚的耐火磚。因而，可以想象這些分子

5、激光器可以用于解決高溫材料的焊接、融熔和鉆孔。例如6200型二氧化碳激光器連續(xù)波輸出10瓦，可用于硬質(zhì)合金的焊接、高速蒸發(fā)、切割有機(jī)和無機(jī)玻璃材料。現(xiàn)在有人把二氧化碳激光器用作鉆孔和爆破的一種輔助工具，這項(xiàng)研究正作為波士頓到華盛頓的高速地下運(yùn)輸技術(shù)的一個(gè)組成部分。美帝的軍事部門，正在探討將這些器件用作武器的可能性。一種是利用輕便式二氧化碳激光器作殺人武器，由于10.6微米是不可見光，故其威脅較大。另一種作為反導(dǎo)彈武器，雖然現(xiàn)階段能量不足以燒毀導(dǎo)彈，但能破壞導(dǎo)彈的熱平衡。另外，由于它幾乎能蒸發(fā)任何材料，所以能夠用來改進(jìn)等離子體的獲得和用于質(zhì)譜學(xué)。2、光通訊和光雷達(dá)應(yīng)用二氧化碳分子激光器的上作波長(zhǎng)

6、正好處在大氣的“窗口”，加上該器件的功率高，效率也高，因此，該器件在光通訊和光雷達(dá)方面的應(yīng)用前途是很美好的。美帝電子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室NASA等單位正準(zhǔn)備使用二氧化碳激光器作為高訊息率9x107二進(jìn)位/秒的激光通訊系統(tǒng)。NASA歌德空簡(jiǎn)飛行中心空對(duì)地激光通訊系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工作正在進(jìn)行，使用的是連續(xù)波輸出功率為20瓦的二氧化碳激光器，將傳送106二進(jìn)位/秒訊息。若實(shí)驗(yàn)成功，行星之間就可以傳輸電視圖像。NASA歌德空間飛行中心還使用二氧化碳激光器進(jìn)行深空探測(cè)，認(rèn)為只要幾百瓦連續(xù)波輸出功率就可以實(shí)現(xiàn)。美帝空軍航空電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用二氧化碳激光器制成光學(xué)多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。前面報(bào)導(dǎo)的雷聲公司研制的1200瓦小體積、大功率

7、、高效率的二氧化碳激光器可作為激光跟蹤導(dǎo)彈光雷達(dá)發(fā)射器。3、在非線性光學(xué)方面的應(yīng)用使用10.6微米的二氧化碳激光器，借助銻和碲晶體一定的方向性，能夠很容易產(chǎn)生二次諧波，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)通用電氣公司研究中心在這方面已獲得成功。銻和碲晶體是一種很有用的晶體，因?yàn)樗鼈兊姆蔷€性系數(shù)比K.D.P高1000多倍，并且它們對(duì)525微米是可透射的。例如，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的Patel利用它制成第一個(gè)遠(yuǎn)紅外參量放大器。使用10.6微米、10千瓦、160脈沖/秒的二氧化碳激光器來作為泵浦源，訊號(hào)頻率由氦氖激光器提供，可在碲晶體中獲得17.9微米波長(zhǎng)的激光，可用于通訊和光學(xué)材料性能的研究。二、準(zhǔn)分子激光器1、背景準(zhǔn)

8、分子是一種在激發(fā)態(tài)復(fù)合成分子，而在基態(tài)離解成原子得不穩(wěn)定締合物，激光躍遷發(fā)生在束縛的激發(fā)態(tài)到排斥的基態(tài)，屬于束縛自由躍遷。1970年，巴索夫等利用強(qiáng)流電子束泵浦液態(tài)氙，獲得Xe激光振蕩，其波長(zhǎng)在176nm，這是第一臺(tái)準(zhǔn)分子激光器，稍后美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了氣相氙的激光輸出，并在Kr（145.7nm）、Ar（126.1nm）獲得激光輸出。1974年美國(guó)Kansan州立大學(xué)報(bào)道了稀有氣體鹵化物在紫外波段的強(qiáng)熒光輻射，這結(jié)果引起了激光界的極大興趣，短短六個(gè)月，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室便獲得了溴化氙（282nm）激光輸出，阿符科公司獲得了氟化氙（351nm）、氟化氪（248nm）、氯化氙（308nm）的激

9、光輸出，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室則獲得了氟化氫（193nm）的真空紫外輸出，每個(gè)脈沖能量達(dá)百焦耳以上。2、工作原理準(zhǔn)分子激光是一種氣體激光，它的工作氣體是由常態(tài)下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的惰性氣體原子如He、Ne、Ar、Kr、Xe和化學(xué)性質(zhì)較活潑的鹵素原子如F、Cl、Br等組成。一般情況下，惰性氣體原子是不會(huì)和別的原子形成分子的，但是如果把它們和鹵素元素混合，再以放電的形式加以激勵(lì)，就能成為激發(fā)態(tài)的分子，當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子躍遷回基態(tài)時(shí)，立刻分解、還原成本來的特性，同時(shí)釋放出光子，經(jīng)諧振腔共振放大后，發(fā)射出高能量的紫外光激光。這種處于激發(fā)態(tài)的分子壽命極短，只有10ns，故稱為“準(zhǔn)分子”( Excimer)。準(zhǔn)分子激光器的諧

10、振腔用于存儲(chǔ)氣體、氣體放電激勵(lì)產(chǎn)生激光和激光選模。它由前腔鏡、后腔鏡、放電電極和預(yù)電離電極構(gòu)成，并通過兩排小孔與儲(chǔ)氣罐相通，以便工作氣體的交換、補(bǔ)充。為了獲得均勻大面積的穩(wěn)定放電, 一般的準(zhǔn)分子激光器均采用了預(yù)電離技術(shù)， 在主放電開始之前，預(yù)電離電極和主放電的陰極之間先加上高壓，使它們之間先發(fā)生電暈放電，在陰極附近形成均勻的電離層。一般高壓為20kV 30kV。氣體放電時(shí)，脈沖高壓電源加在電極上對(duì)諧振腔內(nèi)的工作氣體放電，發(fā)生能級(jí)躍遷產(chǎn)生光子，通過反射鏡的反饋振蕩，最后產(chǎn)生激光從前腔鏡輸出。3、特點(diǎn)準(zhǔn)分子激光具有以下特性：(1)由于“準(zhǔn)分子”壽命極短，在共振腔內(nèi)往復(fù)次數(shù)少，缺乏共振，因此光束指向

11、性差,發(fā)散角一般為(210)毫弧度。(2)不同的工作氣體組合可產(chǎn)生191nm 354nm不同波長(zhǎng)的紫外激光。(3)單一脈沖的功率極高,約為(1091010)W/cm，單一脈沖能量可達(dá)數(shù)個(gè)焦耳以上。4、應(yīng)用眼科使用的準(zhǔn)分子激光，是以氬氣(Argon)和氟氣(Fluoride)為工作氣體產(chǎn)生的激光。其波長(zhǎng)為193nm，屬超紫外激光。由于波長(zhǎng)極短，光子能量極高，達(dá)6. 4eV，因此可輕易地切斷角膜組織的分子鍵，其切割精度可達(dá)二百萬分之一厘米以下，同時(shí)由于每個(gè)脈沖波的時(shí)間極短，所釋放的熱能極少，因此對(duì)周邊組織的傷害非常輕微，所以準(zhǔn)分子激光非常適合做角膜切割手術(shù)。目前準(zhǔn)分子激光在眼科臨床的應(yīng)用主要包括兩

12、類：一類是用于治療近視、遠(yuǎn)視和散光的矯治屈光不正手術(shù)。主要技術(shù)有準(zhǔn)分子激光光學(xué)角膜切削術(shù)( Photorefractive Keratectomy，簡(jiǎn)稱PRK)和準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)(Laser insituker-atomileusis，簡(jiǎn)稱LASIK)，其中LASIK手術(shù)是目前發(fā)展最快，普及最廣，技術(shù)應(yīng)用最強(qiáng)的治療屈光不正手術(shù)之一。另一類是準(zhǔn)分子激光光學(xué)治療性角膜切削術(shù)( Excimer laser pho-totherapeutic keratectomy, 簡(jiǎn)稱PTK)，主要用于治療角膜不規(guī)則散光、切除角膜淺層瘢痕等。激光治療屈光不正手術(shù)在十多年的發(fā)展過程中，隨著高新技術(shù)的不斷應(yīng)用

13、，技術(shù)日趨完美。從早期的大光斑掃描技術(shù)到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的小光斑飛點(diǎn)掃描技術(shù)，解決了術(shù)后中心島效應(yīng)和角膜渾濁問題，能夠獲得完美的光學(xué)拋面，使術(shù)面光滑、平整；角膜地形圖的應(yīng)用和波前像差引導(dǎo)下的個(gè)體化切削技術(shù)，使切削精度大大提高, 真正做到“量眼定做”；主動(dòng)眼球跟蹤技術(shù)解決了術(shù)眼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的角膜偏中心切削，使準(zhǔn)分子激光始終處于角膜中心約6mm大小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行漸進(jìn)式切削，提高了手術(shù)的精確度。另外，隨著準(zhǔn)分子激光治療屈光不正手術(shù)發(fā)展起來的其他技術(shù)如角膜板層刀技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助軟件技術(shù)等等也有了長(zhǎng)足發(fā)展，大大增強(qiáng)了手術(shù)的安全性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及臨床工作的不斷深入和研究，準(zhǔn)分子激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域必將取得更快

14、的發(fā)展, 為人類帶來更好地服務(wù)。其次，準(zhǔn)分子激光的切割，與金剛石刀相比，切口位置及深度可精確控制，XeCl準(zhǔn)分子激光器用于使動(dòng)脈粥樣硬化斑塊氣化，具有邊緣齊整且周圍組織碳化極小的優(yōu)點(diǎn)，可望取代心臟旁通術(shù)和氣球血管成形術(shù)。準(zhǔn)分子激光在半導(dǎo)體參雜、激光誘導(dǎo)化學(xué)超導(dǎo)薄膜形成等方面的研究在廣泛展開。由于紫外激光束與物質(zhì)相互作用的微細(xì)加工與冷加工的特點(diǎn)，成為繼CO2激光器與YAG激光器之后的新一代激光加工及激光醫(yī)療用激光器件。三、半導(dǎo)體激光器1、背景自1962年第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器誕生以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，波長(zhǎng)從紅外、紅光到藍(lán)綠光，覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)也有了

15、很大的提高。和其他類型的激光器相比，半導(dǎo)體激光器由于波長(zhǎng)范圍寬，制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在光通訊、光譜分析和光信息處理等產(chǎn)業(yè)以及技術(shù)、醫(yī)療、生命科學(xué)、軍事等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面有著廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器雖然有上述諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于其諧振腔的輸出頻率容易受到環(huán)境溫 度和注入電流的影響，自然運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體激光器的輸出線寬通常在100MHz左右，可調(diào)性也比較差。這在激光光譜學(xué)研究中是不夠的。為了克服上述缺點(diǎn)，人們采用延伸腔的辦法：利用衍射光柵和激光二極管的后端面組成一個(gè)延伸腔，構(gòu)成了Littrow結(jié)構(gòu)的激光器。衍射光柵產(chǎn)生的l級(jí)光反饋回激光二極

16、管實(shí)現(xiàn)光反饋。由于輸出激光的線寬和腔長(zhǎng)成反比，因而利用延伸腔和光反饋可以大大壓窄激光的線寬，通?？梢缘?0MHz以下。而衍射光柵和入射光的夾角又直接決定了激光的輸出頻率，因此衍射光柵又起到了選模的作用。通過調(diào)節(jié)衍射光柵的角度可以實(shí)現(xiàn)激光器在不跳模情況下頻率的大范圍(通?？梢赃_(dá)GHz)掃描，若注入電流配合光柵的角度一起變化，則不跳模的可調(diào)范圍可以增加到5GHz左右。即便如此，10MHz的線寬還是不能滿足很多實(shí)驗(yàn)的要求。鑒于此，許多研究小組采用了利用外部參考進(jìn)行穩(wěn)頻的方案：或者采用原子飽和吸收譜線做參考，或者采用外部參考腔做參考。兩種方案中，由于前者依賴于具體的原子譜線，而很多情況下，找不到一條合

17、適的譜線做參考，因此，外部參考腔穩(wěn)頻是目前激光穩(wěn)頻中采用得最多的一種穩(wěn)頻方法，通過該方法，可以將激光器的頻率壓窄到1MHz甚至更低，現(xiàn)在所知的半導(dǎo)體激光器的線寬最窄可以被壓窄到1Hz以下。但是，參考腔的腔長(zhǎng)容易受到環(huán)境溫度和氣流的影響，從而影響激光的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。因此，必須對(duì)參考腔進(jìn)行溫控和氣流的隔離。同時(shí)，外部參考腔穩(wěn)頻需要加入很多的光路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于系統(tǒng)的小型化和集成化，若激光器輸出光路發(fā)生改變時(shí)，穩(wěn)頻光路也會(huì)發(fā)生變化。這在實(shí)際應(yīng)用中是很不利的。2、半導(dǎo)體激光器工作原理：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)

18、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GaAS(砷化鎵),InAS(砷化銦)，Insb(銻化銦)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

19、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質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。3、特點(diǎn)及應(yīng)用半導(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）1GHz。局域網(wǎng)，1300nm-1550nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器適用于10Gb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

20、子科學(xué)的核心技術(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)用于光纖通信系統(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、最為重要的激光

21、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。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)，是大容量、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。四、全光纖激光器光纖激光器與傳統(tǒng)的固體激光器相比具有光束質(zhì)量好、效率高、閾值低、可調(diào)諧、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、散熱性好

22、等優(yōu)點(diǎn)，在光通訊、光傳感、激光醫(yī)療、工業(yè)加工、航空航天、材料科學(xué)、光譜學(xué)以及非線性光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是激光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術(shù)連接，整個(gè)光路完全封閉在光纖波導(dǎo)中。高度集成、體積小，全封閉性光路與外界環(huán)境隔離，使得運(yùn)轉(zhuǎn)更加可靠，具有更長(zhǎng)的穩(wěn)定性，可以在比較惡劣的環(huán)境下工作。全光纖激光器熔接光纖放大器可以實(shí)現(xiàn)主振蕩放大高功率的激光輸出，目前全光纖結(jié)構(gòu)的連續(xù)光激光器可以實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)的功率輸出，超短脈沖由于其超高的峰值功率和內(nèi)部的非線性效應(yīng)限制，目前全光結(jié)構(gòu)的鎖模超快脈沖激光可達(dá)幾百瓦量級(jí)的功率輸出。全光纖激光器的腔型

23、可以分為直線腔、環(huán)形腔、八字腔三種。直線腔全光纖激光器是在光纖內(nèi)部刻寫光纖光柵作為諧振腔；環(huán)形腔全光纖激光器是由非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模來實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出；八字腔全光纖激光器是利用非線性光纖環(huán)形鏡來實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出。以摻雜光纖為基質(zhì)的全光光纖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)皮秒、甚至飛秒的超短光脈沖輸出。超快脈沖全光纖激光器的功率由于非線性效應(yīng)和損傷閾值的限制目前輸出功率很低，對(duì)低功率的全光纖激光器種子源使用雙包層增益光纖作為放大器可以實(shí)現(xiàn)百瓦級(jí)功率的超快脈沖輸出。下圖是一種典型的單端泵浦連續(xù)單模大功率全光纖激光器的光路示意圖。單端泵浦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有源區(qū)增益呈指數(shù)衰減，分布極不均勻，適合功率不是非常高的情況。也可以采

24、用雙向泵浦，如下圖，雙向泵浦結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但有源區(qū)增益分布均勻性得到改善，可實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。由于全光纖激光器的結(jié)構(gòu)全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，所以它還具有與眾不同的優(yōu)點(diǎn)：增益介質(zhì)的表面積/體積比大，優(yōu)異的雙波導(dǎo)限制機(jī)制，固有的全封閉柔性光路，光路具有免維護(hù)特性，單條寬發(fā)光區(qū)長(zhǎng)壽命多模泵浦激光器，壽命長(zhǎng)，體積小重量輕，輸出功率大，節(jié)水節(jié)電節(jié)成本，造價(jià)不斷降低等等。 由于全光纖激光器的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其有廣泛的應(yīng)用。利用光纖激光器可以進(jìn)行標(biāo)刻、材料處理、材料彎曲、激光切割等等：1、 標(biāo)刻應(yīng)用 脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質(zhì)量，可靠性，最長(zhǎng)的免維護(hù)時(shí)間，最高的整體電光轉(zhuǎn)換效率，脈沖重復(fù)頻率，最小的體積，

25、無須水冷的最簡(jiǎn)單、最靈活的使用方式，最低的運(yùn)行費(fèi)用使其成為在高速、高精度激光標(biāo)刻方面的唯一選擇。一套光纖激光打標(biāo)系統(tǒng)可以由一個(gè)或兩個(gè)功率為25W的光纖激光器，一個(gè)或兩個(gè)用來導(dǎo)光到工件上的掃描頭以及一臺(tái)控制掃描頭的工業(yè)電腦組成。這種設(shè)計(jì)比用一個(gè)50W激光器分束到兩個(gè)掃描頭上的方式高出達(dá)4倍以上的效率。該系統(tǒng)最大打標(biāo)范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標(biāo)刻范圍內(nèi)絕對(duì)定位精度是+/-100um。100um工作距離時(shí)的聚焦光斑可小到15um。2、 材料處理的應(yīng)用光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長(zhǎng)的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收

26、。3、 材料彎曲的應(yīng)用光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術(shù)。集中加熱和快速自冷切導(dǎo)致在激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標(biāo)工件的曲率。研究發(fā)現(xiàn)用激光處理的微彎曲遠(yuǎn)比其他方式具有更高的精密度，同時(shí)，這在微電子制造是一個(gè)很理想的方法。4、 激光切割的應(yīng)用隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規(guī)?；瘧?yīng)用。比如：用快速斬波的連續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動(dòng)脈管。由于它的高光束質(zhì)量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫(yī)療器件工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。 由于其波段涵蓋了1.3m和1.5m兩個(gè)主要通信窗口，因此光纖激光器在光通信領(lǐng)域擁有不可替代的地位

27、，大功率雙包層光纖激光器的研制成功使其在激光加工領(lǐng)域的市場(chǎng)需求也呈迅速擴(kuò)展的趨勢(shì)。光纖激光器在激光加工領(lǐng)域的范圍和所需性能具體如下：軟焊和燒結(jié)：50500W；聚合物和復(fù)合材料切割：200W1kW；去激活：300W1kW；快速印刷和打印：20W1kW；金屬淬火和涂敷：220kW；玻璃和硅切割：500 W2kW。此外，隨著紫外光纖光柵寫入和包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，輸出波段在紫光、藍(lán)光、綠光、紅光及近紅外光的波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換光纖激光器已可以作為實(shí)用的全固化光源而廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，彩色顯示，醫(yī)學(xué)熒光診斷。遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)輸出的光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)靈巧緊湊，能量和波長(zhǎng)可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，也在激光醫(yī)療和生物工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用

28、。五、NdYAG激光器YAG激光器是以釔鋁石榴石晶體為基質(zhì)的一種固體激光器 。釔鋁石榴石的化學(xué)式是Y3 Al5 O15 ,簡(jiǎn)稱為YAG。在YAG基質(zhì)中摻入激活離子Nd3+ (約1%)就成為Nd:YAG。實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的Al2 O3 、Y2 O3 和NdO3 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。 由于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釹玻璃低得多。又由于Nd:YAG晶體具有優(yōu)良的熱學(xué)性能, 因此非常適合制成連續(xù)和重頻器件。它是目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, 目前應(yīng)用Nd:YAG的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他工作物質(zhì)。Nd:YAG激光器為四能級(jí)系統(tǒng)，室溫下有多條熒光譜線，正常工作條件下（室溫）1064納米波長(zhǎng)激光震蕩最強(qiáng)，簡(jiǎn)化能級(jí)如下圖所示：如果在諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具或色散棱鏡，或以特殊設(shè)計(jì)的諧振腔反射鏡作為輸出鏡、使用鍍有高度選擇性介質(zhì)膜的反射鏡，抑制不需要的波長(zhǎng)的激光震蕩，可獲得所需要波長(zhǎng)的激光躍遷，如1319納米、1338納米、946納米等。輸出波長(zhǎng)為1064納米的Nd：YAG激光器，經(jīng)過倍頻（KPT）晶體后可產(chǎn)生波長(zhǎng)為532納米的激光。輸出光有連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)等形式。Nd：YAG中摻入Nd3+濃度應(yīng)合理，摻雜濃度高，則吸收效率高、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)高、激光器的效率高，但