典型的激光器

典型的激光器第一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日5.1激光器的分類和特點(diǎn)

激光器的基本結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)是激光器的核心,是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。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,采用的泵浦方式不同。光學(xué)諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋,同時(shí),諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。第二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日二、按照激光工作物質(zhì)1.氣體激光器最常見(jiàn)的有氦-氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦-鎘激光器和銅蒸氣激光器等。多數(shù)采用高壓放電泵浦。

1961年，世界上第一臺(tái)氣體激光器——氦氖激光器1964年，二氧化碳激光器1964年，氬離子激光器等幾種惰性氣體離子激光器1966年，銅蒸氣激光器1968年，氦-鎘激光器，以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質(zhì)

第三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2．固體激光器固體工作物質(zhì)通常是在基質(zhì)材料,如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子(激活離子),躍遷發(fā)生在激活離子不同工作能級(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(guò)渡金屬離子和錒系金屬離子。用作基質(zhì)材料的有：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃等；金屬氧化物、氟化物晶體等。典型代表是紅寶石(Cr3+:Al2O3)激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光器、釹玻璃激光器。第四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日激勵(lì)方式：多采用光泵浦,泵浦光源主要有閃光燈和LD兩類波長(zhǎng)：覆蓋范圍主要位于可見(jiàn)光—近紅外波段。特點(diǎn)：激光譜線數(shù)千條,具有輸出能量大(多級(jí)釹玻璃脈沖激光器,單脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦)、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。應(yīng)用：工業(yè)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光測(cè)距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學(xué)、激光核聚變等方面。1960年,世界上第一臺(tái)固體激光器———紅寶石激光器第五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日3．半導(dǎo)體激光器：半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。半導(dǎo)體激光二極管,或簡(jiǎn)稱激光二極管(LD)常用的半導(dǎo)體材料主要有:砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、硫化鎘(CdS)、碲錫鉛(PbSnTe)等。根據(jù)生成p-n結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙)、量子阱等多種類型。半導(dǎo)體激光器采用注入電流泵浦。第六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日波長(zhǎng)：覆蓋范圍一般在近紅外波段(920nm～1.65μm),其中1.3μm與1.55μm為光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。特點(diǎn)：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、使用壽命長(zhǎng)(一般可達(dá)數(shù)十萬(wàn)乃至百萬(wàn)小時(shí)以上)等突出特點(diǎn)。應(yīng)用：光纖通信、光存儲(chǔ)、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域,如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動(dòng)化、激光準(zhǔn)直及激光醫(yī)療等方面。1962年,世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器———GaAs激光器。第七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日4．液體激光器分為二類:染料激光器和無(wú)機(jī)液體激光器。典型代表是染料激光器，已獲得廣泛的應(yīng)用。激勵(lì)方式：多采用光泵浦,主要有激光泵浦和閃光燈泵浦波長(zhǎng):覆蓋范圍為紫外到近紅外波段(300nm～1.3μm),通過(guò)混頻等技術(shù)還可將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至真空紫外到中紅外波段。激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的不足。應(yīng)用:科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、光生物學(xué)等方面。1966年,世界上第一臺(tái)染料激光器———由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器。第八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日5．化學(xué)激光器通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光輻射的。工作物質(zhì)可以是氣體或液體,但目前主要是氣體,如氟化氫(HF)、氟化氚(DF)等。采用化學(xué)能激勵(lì)。為促成工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng),一般需采用一些引發(fā)措施,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。波長(zhǎng)：覆蓋范圍為紫外到紅外波段,直至微米波段。特點(diǎn)：功率高、能量輸出高,無(wú)需外界提供泵浦源,可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點(diǎn),特別適合于野外等無(wú)電源處工作。應(yīng)用：國(guó)防、科學(xué)研究等領(lǐng)域,如激光武器、同位素分離等。1964年,第一臺(tái)光解離碘原子化學(xué)激光器問(wèn)世。第九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日6．自由電子激光器是一種新型激光器。工作物質(zhì)是相對(duì)論電子束。所謂相對(duì)論電子束是指通過(guò)電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠?。泵浦源為空間周期磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)。具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧是自由電子激光器兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)。自由電子激光器在未來(lái)的生物、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景

第十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日二、按照激光器工作方式劃分激光器可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式,連續(xù)激光器脈沖激光器按照激光技術(shù)的應(yīng)用分為調(diào)Q激光器鎖模激光器穩(wěn)頻激光器可調(diào)諧激光器按照諧振腔腔型的不同分為非穩(wěn)腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型。第十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日工作物質(zhì)：由固體基質(zhì)材料和少量摻雜離子兩部分構(gòu)成。其中物理性能由基質(zhì)材料體現(xiàn),而其光譜特性則由摻雜離子決定?；|(zhì)材料有晶體和玻璃兩大類：晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧化物晶體如Al2O3,石榴石型晶體YAG、YAP。氟化物晶體如CaF、LiYF4。玻璃則有硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽等。摻雜離子有四類:(1)三價(jià)稀土金屬離子:如釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、釤(Sm3+)、銪(Eu3+)、(2)二價(jià)稀土金屬離子,如釤(Sm2+)、鉺(Er2+)、銩(Tm2+)、鏑(Dy2+)等(3)過(guò)渡金屬離子,如鈦(Ti3+)、鉻(Cr)、鎳(Ni3+)、鈷(Co3+)等。(4)錒系金屬離子,多具有放射性,不易制備,其中,只有鈾(U3+)曾有所應(yīng)用。5.2固體激光器第十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日一、一般激光器1.紅寶石激光器工作物質(zhì)：紅寶石棒（Al２O3晶體），其中摻0.05%的Gr3+。這些Gr3+濃度大約為1.62×1019cm-3，替代了一部分Al3+，紅寶石激光器有關(guān)有能級(jí)和光譜性質(zhì)都來(lái)源于Gr3+。

泵浦源:在Xe（氙）燈照射下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。聚光腔：使光泵的光更好的集中照射在激光棒上，采用圓柱面、單橢圓柱面、雙橢圓柱面、球面聚光腔。為提高對(duì)光線的反射率常采用黃銅或不銹鋼材料，內(nèi)壁經(jīng)拋光處理后鍍銀。光學(xué)諧振腔：多采用平行平面腔，為減小光斑尺寸也采用平凹腔。第十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日三能級(jí)系統(tǒng)：因而其器件閾值比較高,只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)。模式競(jìng)爭(zhēng)：通常只產(chǎn)生694.3nm的激光。a

躍遷到E和2A上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布，E:53%,2A:47%.bR1線的強(qiáng)度>R2線，使R1線的受激輻射幾率更高。因此R1線先達(dá)到閾值形成激光振蕩。由于兩者能級(jí)差很小，粒子交換頻繁，E上的粒子躍遷后，2A能級(jí)上的粒子迅速轉(zhuǎn)移到該能級(jí)，從而進(jìn)一步抑制了R2線的振蕩。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性高，能承受很高的激光功率密度，易生成較大尺寸；亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，儲(chǔ)能大，可獲得大能量輸出；熒光譜線較寬，易獲得大能量單模輸出；低溫性能優(yōu)良，輸出可見(jiàn)光。缺點(diǎn)：三能級(jí)系統(tǒng)，閾值高；隨溫度變化明顯，室溫下不適于做連續(xù)高頻器件；激發(fā)效率較低，不適合連續(xù)工作；輸出發(fā)散角較大，方向性不好。第十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日紅寶石激光器的應(yīng)用眼科：用于視網(wǎng)膜的焊接、治療青光眼、虹膜的切除等；皮膚科：694.3nm的可見(jiàn)紅光最不易被氧化血紅蛋白吸收，而黑色素對(duì)其吸收率較高。利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)出的特定波前以干涉條紋的形式記錄下來(lái)，并在一定條件下使其再現(xiàn)，形成元物體逼真的立體像。在玉石上打孔第十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2.摻釹釔鋁石榴石激光器(Nd3+:YAG)工作物質(zhì)：在基質(zhì)晶體YAG(Y3Al5O12)中摻入1%的Nd3+作激活離子形成。有關(guān)有能級(jí)和光譜性質(zhì)都來(lái)源于Nd3+。四能級(jí)系統(tǒng)：閾值低，能在室溫下連續(xù)工作，是實(shí)用最廣泛的固體激光器。譜線競(jìng)爭(zhēng)：通常輸出兩種熒光，1.064μm和1.35μm，其中1.064μm比1.35μm的熒光約強(qiáng)四倍，1.064μm的譜線先起振，進(jìn)而抑制1.35μm譜線起振，所以通常只輸出1.064μm的激光。1.06μm的受激躍遷截面σ=8.8×10-19cm2，是紅寶石694.3nm躍遷截面的35倍，所以它的振蕩閾值低，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。第十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日紅寶石激光器YAG激光器工作物質(zhì)Al2O3+Cr2O3:Cr3+決定光譜性能Al2O3+Y2O3+Nd2O3:Nd3+決定光譜性能物理過(guò)程三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)激光譜線694.3nm+629.9nm：694.3nm占優(yōu)勢(shì)1350nm+1064nm：1064nm占優(yōu)勢(shì)泵浦源脈沖氙燈氪燈由于固體激光器的工作物質(zhì)是絕緣晶體，所以一般用光泵浦源激勵(lì)優(yōu)缺點(diǎn)閾值高、溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重、室溫下不適于連續(xù)和高頻工作閾值低，有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)、適于連續(xù)和高頻工作；是目前能在室溫下連續(xù)工作的位移使用的固體工作物質(zhì)特點(diǎn)輸出能量大，峰值功率高第十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日3.釹玻璃激光器工作物質(zhì)：在硅酸鹽玻璃中摻入Nd2O3形成的，在不同種類的硅酸鹽玻璃中，Nd3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)大同小異。四能級(jí)系統(tǒng)：激光中心波長(zhǎng)為1.059μm，激光譜寬5-10nm，單色性極差。因此需要的泵浦功率閾值很大，一般用脈沖的形式工作。應(yīng)用：輸出功率很大，可用于材料加工、激光武器，激光放大等。優(yōu)點(diǎn)：工藝成熟，易獲得良好的光學(xué)均勻性，玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱率太低，熱彭系數(shù)太大，因此不適于制作連續(xù)器件和高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的器件，且在應(yīng)用時(shí)要特別注意防止自身破壞。第二十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日二、板條激光器(SlabGeometryLaser,SGL)圓棒狀工作物質(zhì)：溫度梯度方向與光傳播方向垂直，將產(chǎn)生嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)和熱光畸變效應(yīng)，光束質(zhì)量低，限制了激光功率的進(jìn)一步提高。板條狀工作物質(zhì)：溫度梯度發(fā)生在板條厚度方向上，而光在厚度方向的兩側(cè)面(即泵浦面)上發(fā)生內(nèi)全反射，呈鋸齒形光路在兩泵浦面之間傳播，光傳播方向近似與溫度梯度方向平行，可基本避免熱透鏡效應(yīng)和熱光畸變效應(yīng)，大幅度提高了激光輸出功率。第二十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日單根板條激光器連續(xù)輸出功率已超過(guò)千瓦，脈沖輸出能量超過(guò)百焦耳，例如長(zhǎng)X寬X厚=210x25x6mm3

的Nd:YAG板條，輸出功率達(dá)1.2kw，斜效率8.5%。缺點(diǎn)是發(fā)散角較大，技術(shù)復(fù)雜。其發(fā)展方向是用大功率半導(dǎo)體列陣激光器側(cè)向面泵浦，以獲得更高的效率和更好的光束質(zhì)量。2012年羅芬公司漢諾威國(guó)際金屬板材加工技術(shù)展覽會(huì)展出了其暢銷的板條激光器，型號(hào)為DC040的產(chǎn)品其平均輸出功率高達(dá)4000瓦特，其優(yōu)點(diǎn)在于維護(hù)費(fèi)用較低、光速質(zhì)良好、穩(wěn)定可靠。目前，羅芬公司生產(chǎn)的輸出功率達(dá)8000瓦的CO2板條激光器已經(jīng)在世界各地投入使用了。第二十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日三、摻雜光纖激光器光纖：光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。光在光導(dǎo)纖維中的傳導(dǎo)損耗比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，光纖被用作長(zhǎng)距離的信息傳遞。1.光纖第二十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，摻雜光纖固定在兩個(gè)反射鏡間構(gòu)成諧振腔，泵浦光從M1入射到光纖中，從M2輸出激光。當(dāng)泵浦光通過(guò)光纖時(shí)，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵(lì)到較高的激發(fā)能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的粒子以輻射形成從高能級(jí)轉(zhuǎn)移到基態(tài)，輸出激光。特點(diǎn)：光纖的纖心很小，纖內(nèi)易形成高功率密度，轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低、激光質(zhì)量好；輸出的激光譜線多；光纖的柔繞性很好，易散熱。2.光纖激光器第二十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日3.優(yōu)點(diǎn)（1）成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來(lái)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)分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；（3）具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，轉(zhuǎn)換效率較高，閾值低；（4）輸出激光波長(zhǎng)多：稀土離子能級(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）諧振腔內(nèi)無(wú)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(wú)法比擬的。（7）光纖導(dǎo)出，能輕易勝任各種多維空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。（8）對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。（9）不需熱電制冷和水冷，只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷。（10）高的電光效率：綜合電光效率高達(dá)20%以上，大幅度節(jié)約工作時(shí)的耗電，節(jié)約運(yùn)行成本。（11）高功率,商用化的光纖激光器是六千瓦。第二十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日4.應(yīng)用光纖通信、激光空間遠(yuǎn)距詢信、造船、汽車制造、激光雕刻機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、激光切割機(jī)、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水.包層以及深度焊接）、軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等。光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。不過(guò)，在短期內(nèi)，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上，隨光纖激光器的普及，成本的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會(huì)替代掉全球大部分高功率CO2激光器和絕大部分YAG激光器。第二十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日四、摻鈦藍(lán)寶石激光器鈦寶石晶體不僅具有良好的熱傳導(dǎo)和機(jī)械性能,較高的飽和通量,更重要的是它寬于500nm的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為現(xiàn)存的任何激光介質(zhì)所無(wú)法比擬。利用不同的泵浦源和泵浦方式,人們成功地研制了各種鈦寶石激光器。鈦寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)還在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工作穩(wěn)定,所以它已經(jīng)在許多方面替代了長(zhǎng)期占據(jù)激光領(lǐng)域的染料激光器的地位。第二十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日五、LD泵浦的固體激光器半導(dǎo)體泵浦固體激光器，是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展最快，應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長(zhǎng)的LD代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來(lái)對(duì)激光晶體進(jìn)行泵浦，被稱為第二代的激光器。是一種高效率、長(zhǎng)壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊小型化的第二代新型固體激光器，在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學(xué)，醫(yī)療器械，光學(xué)圖象處理，激光打印機(jī)等高科技領(lǐng)域有著獨(dú)具特色的應(yīng)用前景。第二十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)低功耗：傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效率大約只有3%左右，能量大部分轉(zhuǎn)換成了熱能，造成了極大的能源浪費(fèi)。而半導(dǎo)體泵浦固體激光器被激光晶體吸收的808nm波長(zhǎng)的激光，光光轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)40%以上。性能可靠、壽命長(zhǎng)：激光二極管的壽命大大長(zhǎng)于閃光燈，達(dá)15000小時(shí)以上，閃光燈的壽命只有300—1000小時(shí)。泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)能量級(jí)，性能可靠，可制成全固化器件。運(yùn)行壽命長(zhǎng)，成為至今為止唯一無(wú)需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。輸出光束質(zhì)量好：由于半導(dǎo)體泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限。第二十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日分類可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào)Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀。泵浦的耦合方式可為端面泵浦和側(cè)面泵浦。其中端面泵浦方式適用于中小功率固體激光器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間模式匹配好等優(yōu)點(diǎn)。側(cè)面泵浦方式主要應(yīng)用于大功率激光器。第三十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日5.3氣體激光器原子氣體激光器：典型代表是He-Ne激光器。分子激光器：典型代表CO2激光器、N2激光器和準(zhǔn)分子激光器。離子激光器：典型代表是Ar+和He—Cd離子激光器。特點(diǎn)：光學(xué)均勻性一般都比較好，在單色性和光束穩(wěn)定性方面都比固體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體(染料)激光器優(yōu)越。激光譜線極為豐富，達(dá)數(shù)千種，分布在從真空紫外到遠(yuǎn)紅外波段范圍內(nèi)。濃度不高，多數(shù)氣體激光器都有瞬時(shí)功率不高的特點(diǎn)。多采用氣體放電或電子束激勵(lì)的方法以實(shí)現(xiàn)泵浦工作氣體中，除能產(chǎn)生激光發(fā)射的氣體之外，一般還含有一些輔助氣體，如各種惰性氣體及氮、氧等。第三十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日一、氦氖激光器1961年研制成功的第一種氣體激光器，也是最常用的一種。通常在可見(jiàn)光頻段（632.8nm）工作，其他還有1.15μm及3.39μm。目前已獲得612nm、594nm、543nm的激光輸出。功率一般約數(shù)毫瓦，連續(xù)發(fā)光。放電管長(zhǎng)1-2米的激光器輸出功率科大數(shù)十毫瓦，最大可達(dá)1W。制造方便、較便宜、可靠、光束質(zhì)量好（發(fā)散角小于1mrad，帶寬小于20Hz）四能級(jí)系統(tǒng)。第三十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日1.He—Ne激光器的結(jié)構(gòu)He—Ne激光器的結(jié)構(gòu)形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學(xué)諧振腔組成。

圖1內(nèi)腔式He—Ne激光器的結(jié)構(gòu)第三十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日放電管通常由毛細(xì)管和貯氣室構(gòu)成，是產(chǎn)生激光的地方。放電管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)氣體(氣壓比5:1-7:1），當(dāng)電極加上高電壓后，毛細(xì)管中的氣體開(kāi)始放電使氖原子受激發(fā)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室與毛細(xì)管相連，并不發(fā)生氣體放電，其作用是補(bǔ)償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成He、Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長(zhǎng)器件的壽命。

He-Ne激光管的陽(yáng)極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。

為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。電極第三十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日諧振腔He-Ne激光器由于增益低，諧振腔一般采用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，透過(guò)率約1%～2％，凹面鏡為全反射鏡。He-Ne激光管的結(jié)構(gòu)按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。按陰極及貯氣室位置的不同又可分為同軸式、旁軸式和單細(xì)管式。圖2He—Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式第三十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2.He—Ne激光器工作原理He-Ne激光器是利用原子中的電子—電子能級(jí)之間的躍遷。它可以在0.6328m,3.39m和1.15m三個(gè)中的任何一個(gè)波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)激光振蕩。He-Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)，能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖3所示。泵浦激發(fā)機(jī)制：在He-Ne混合氣體中進(jìn)行直流放電時(shí)，高能電子把He原子由基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，21s0和23s2作為吸收帶。通過(guò)近共振能量轉(zhuǎn)移，使Ne原子激發(fā)到2s2和2S3能級(jí)上作為激光上能級(jí)第三十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日譜線競(jìng)爭(zhēng)0.6328m和3.39m兩種振蕩具有同一個(gè)上能級(jí),因此它們之間存在著較強(qiáng)的譜線競(jìng)爭(zhēng)。3P4的壽命比2P4的短，允許建立起相應(yīng)于3.39m振蕩的大的反轉(zhuǎn)分布,使得3.39m振蕩的增益大于0.6328m振蕩的增益，所以3.39m首先達(dá)到閾值，正常的振蕩發(fā)生在3.39m而不是0.6328m。一旦3.39m振蕩發(fā)生，3S上的反轉(zhuǎn)數(shù)被消耗，0.6328m的增益受到抑制，阻礙了3S上原子數(shù)的進(jìn)一步增加，因此限制了0.6328m振蕩的發(fā)生。為了保證0.6328m的振蕩，必須抑制3.39m振蕩。0.6328m與1.15m振蕩共同使用一個(gè)下能級(jí)，因而也將發(fā)生譜線競(jìng)爭(zhēng)。這兩條譜線間的競(jìng)爭(zhēng)較0.6328m和3.39m兩條譜線間的競(jìng)爭(zhēng)弱一些。第三十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日3.輸出功率的影響因素毛細(xì)管的長(zhǎng)度和直徑、諧振腔的損耗、輸出耦合、放電電流、He和Ne的比例以及氣體的壓強(qiáng)等都會(huì)影響工作物質(zhì)的增益吸收系數(shù)，從而影響He-Ne激光器的輸出功率。第三十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日二、Ar+離子激光器離子激光器是目前可見(jiàn)光區(qū)最強(qiáng)的相干光源。離子氣體激光器輸出的波長(zhǎng)范圍很寬，從紫外2358?一直到近紅外1.355m，已觀察到400多條譜線，大多數(shù)落在可見(jiàn)光范圍。一般分為氣體離子激光器（它包括惰性氣體離子激光器和分子氣體離子激光器）和金屬蒸氣離子激光器。氬離子激光器是一種惰性氣體離子激光器。它輸出的激光波長(zhǎng)主要是0.4880m和0.5145m的藍(lán)綠光。連續(xù)輸出功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦，是目前在可見(jiàn)區(qū)連續(xù)輸出功率最高的激光器。第三十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日1.氬離子激光器的結(jié)構(gòu)

氬離子激光器的結(jié)構(gòu)包括放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)等部分，如圖6所示。第四十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2.氬離子激光器的工作特性（1）光譜特性：主要輸出488nm和514.5nm的光。（2）輸出功率與工作電流的關(guān)系。（3）輸出功率與氣壓的關(guān)系。第四十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日3.氬離子激光器的應(yīng)用第四十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第四十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日三、CO2激光器二氧化碳激光器，可稱“隱身人”，因?yàn)樗l(fā)出的激光波長(zhǎng)為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺(jué)察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連續(xù)方式產(chǎn)生的激光功率可達(dá)20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生波長(zhǎng)10.6微米的激光也是最強(qiáng)大的一種激光。人們已用它來(lái)“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進(jìn)展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長(zhǎng)1米左右的放電管。它產(chǎn)生的激光是看不見(jiàn)的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。第四十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)CO2激光器的種類多，應(yīng)用廣泛。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，CO2激光器可分為：(1)縱向封離型激光器；(2)縱向流動(dòng)激光器；(3)橫向流動(dòng)激光器；(4)橫向激勵(lì)高氣壓激光器(TEA)；(5)射頻激勵(lì)激光器；（6）波導(dǎo)CO2激光器；（7）氣動(dòng)激光器?？v向封離型激光器橫向流動(dòng)激光器第四十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2.二氧化碳激光器的工作原理第四十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日3.二氧化碳激光器的應(yīng)用第四十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日四、準(zhǔn)分子光器準(zhǔn)分子是束縛在電子激發(fā)態(tài)的分子，是一種處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合分子，無(wú)穩(wěn)定的基態(tài)。很快自動(dòng)地離解成原子或其它分子團(tuán)，從它產(chǎn)生到消失的時(shí)間只有幾十毫微秒。準(zhǔn)分子分兩類；一類是同核二聚物，另一類是異核型準(zhǔn)分子，如惰性氣體的氧化物和鹵化物等，以及金屬鹵化物等。特點(diǎn)：準(zhǔn)分子壽命很短，只有10-8秒，激光躍遷的下能級(jí)是排斥態(tài)或壽命非常短(只有10-13秒)的弱束縛態(tài)，這就是說(shuō)激光下能級(jí)總是空的。與其它分子激光器屬于束縛—束縛輻射躍遷的情形不同，準(zhǔn)分子激光器屬于束縛-自由輻射躍遷。由于不存在明確的振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，所以躍遷是寬帶的。這就導(dǎo)致準(zhǔn)分子激光器具有很高的閾值泵浦功率。當(dāng)然，寬帶輻射容易實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光發(fā)射。

第四十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日5.4半導(dǎo)體激光器一、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)二、半導(dǎo)體激光器的工作原理三、半導(dǎo)體激光器的工作特性及參數(shù)四、半導(dǎo)體激光器的典型應(yīng)用和發(fā)展前景第四十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日非導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體}非導(dǎo)體：電子恰好填滿能量最低的一系列能帶，再高的各能帶全部都是空帶，由于滿帶不產(chǎn)生電流，所以不導(dǎo)電。價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶空帶空帶導(dǎo)帶導(dǎo)體：電子除填滿一系列能帶外，還有只是部分地被電子填充的能帶，后者起到導(dǎo)電作用，稱為導(dǎo)帶。一、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)第五十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日滿帶：能帶中所有的能態(tài)均已被電子所填滿。最高的滿帶又稱價(jià)帶。導(dǎo)帶：一個(gè)能帶中只有部分能態(tài)填有電子，而其余的能態(tài)為沒(méi)有電子填充的空態(tài)。最低的空帶也稱為導(dǎo)帶。帶隙：價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底之間的能量范圍。近滿帶：一個(gè)能帶的絕大部分能態(tài)已填有電子，只有少數(shù)能態(tài)是空的?？昭ǎ航鼭M帶中大量電子在外電場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的電流,可等效為具有正電荷q和正有效質(zhì)量m*,速度為v(k)的準(zhǔn)經(jīng)典粒子所產(chǎn)生的電流.這樣的準(zhǔn)經(jīng)典離子稱為空穴。第五十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日本征半導(dǎo)體：完全不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。如Si、Ge的單晶體結(jié)構(gòu)，電子濃度=空穴濃度本征激發(fā)導(dǎo)電，載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。

N型半導(dǎo)體——導(dǎo)電主要靠電子的運(yùn)動(dòng)

P型半導(dǎo)體——導(dǎo)電主要靠空穴的運(yùn)動(dòng)雜質(zhì)的能級(jí)均位于帶隙中，根據(jù)雜質(zhì)是接收電子還是提供電子又分為施主能級(jí)和受主能級(jí)。第五十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第五十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日PN結(jié)半導(dǎo)體二極管第五十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體激光器的工作原理在pn結(jié)加上正向偏置電壓后，電子從N區(qū)向P區(qū)流動(dòng)，空穴從P區(qū)向N區(qū)流動(dòng)，在作用區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。當(dāng)注入電流較小時(shí)，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴數(shù)目較少，此時(shí)只能自發(fā)輻射（熒光）；當(dāng)注入電流達(dá)到一定程度時(shí)，便向外輸出激光。常用工作物質(zhì)：GaAs、CdS、InP、ZnS等。激勵(lì)方式：電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦。分類：同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種.同質(zhì)結(jié)：同一種半導(dǎo)體利用不同摻雜形成的pn結(jié)；異質(zhì)結(jié)：不同半導(dǎo)體形成的pn結(jié)；雙異質(zhì)結(jié)：三層結(jié)構(gòu)，外側(cè)為寬帶隙半導(dǎo)體，中間為窄帶隙半導(dǎo)體。第五十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日幾種典型的半導(dǎo)體激光器1.同質(zhì)結(jié)注入式電流激勵(lì)GaAsLD（1962年第一臺(tái)，厚度幾μm

）缺點(diǎn)：需要的電流密度很高，容易導(dǎo)致材料損傷；為能提供足夠激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生多余而有害的熱，因此同質(zhì)結(jié)激光器只能在非常低的溫度下工作。2.異質(zhì)結(jié)GaAs/AlGaAs

LD（1970年，室溫下連續(xù)工作，厚度μm）單異質(zhì)結(jié)：有源區(qū)p-GaAs的上表面為不同材料形成的截面，因而具有較大的折射率差和光波約束作用；而下表面由同種基質(zhì)形成，折射率差僅由摻雜引起二數(shù)值較小，光約束效果較?。浑p異質(zhì)結(jié)：有源區(qū)p-GaAs的上下表面分別為p型和n型的AlGaAs