典型激光器的原理与应用.doc

激光之源-典型激光器的原理、特点及应用一 前言自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家T.H.Mainman博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。 图1 第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。二 典型激光器1， 气体激光器（Gas Laser）气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。下面是典型激光器的示意图： 图2 气体激光器示意图根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。它于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物。根据工作条件的不同，可以输出5种不同波长的激光，而最常用的则是波长为632.8纳米的红光。输出功率在0.5100毫瓦之间，具有非常好的光束质量。氦-氖激光器是当前应用最为广泛的激光器之一，可用于外科医疗、激光美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中学的实验室也在用它做演示实验分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子，激光跃迁发生在气体分子不同的振转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2激光器。离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子，激光跃迁发生在气体离子不同的激发态之间。采用的离子气体主要有惰性气体离子、分子气体离子和金属气体离子三类。其典型代表为Ar+激光器。气体激光器一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等方式。气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外至远红外波段，激光谱线上万条，具有输出光束质量高（方向性及单色性好）、连续输出功率大（如CO2激光器）等输出特性，其器件结构简单、造价低廉。气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领域，如计量、材料加工、激光医疗、激光通信、能源等方面。2， 固体激光器（Solidstate laser）固体激光器以固体激光介质为工作物质。1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。固体激光器的工作物质通常在基质材料，如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子（称为激活离子），激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间。用作激活离子的元素可分为四类：三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过渡金属离子和锕系金属离子。固体激光器的典型代表是红宝石激光器、掺銣钇铝石榴石激光器和掺钛蓝宝石激光器。固体激光器多采用光泵浦，泵浦光源主要有闪光灯和半导体激光二极管两类。固体激光器波长覆盖范围主要位于可见光至远红外波段，激光谱线数千条，具有输出能量大、运转方式多样等特点。器件结构紧凑，牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输。 图 3 固体激光器示意图固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛 的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。 固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。3， 液体激光器（Liquid Laser）液体激光器的工作物质分为两类：一类为有机化合物液体（染料），另一类为无机化合物液体。其中染料激光器是液体激光器的典型代表。常用的有机染料有四类：吐吨类染料、香豆素类激光染料、花菁类染料。染料激光器多采用光泵浦，主要有激光泵浦和闪光灯泵浦两种形式。液体激光器的波长覆盖范围为紫外到红外波段（321nm1.168um），通过倍频技术还可以将波长范围扩展至真空紫外波段。激光波长连续可调是染料激光器最重要的输出特性。器件特点是结构简单、价格低廉。染料溶液的稳定性比较差，是这类器件的不足。染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域，如激光光谱光、光化学、同位素分离、光生物学等方面。4， 半导体激光器（Semiconductor Laser）半导体激光器也称为半导体激光二极管，或简称激光二极管（Laser Diode，LD）。由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体激光器的工作特性具有其特殊性。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。半导体激光器采用注入电流方式泵浦。半导体激光器波长覆盖范围为紫外至红外波段（300nm十几微米），其中1.3um与1.55um为光纤传输的两个窗口。半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命才长等突出特点，使其成为最重要最具应用价值的一类的激光器。半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于）1Gh/。局域网，1300nm -1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统.半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途.半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.GaAs/GaAlA。双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB一LD).半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出。5，光纤激光器（Optical Fiber Laser） 光纤激光器是以掺入某些激活离子的光纤为工作物质，或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器。光纤激光器可分为晶体激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非线性光学效应光纤激光器。光纤激光器主要采用半导体激光二极管泵浦。光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势： （1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势； （2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故； （3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低； （4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多； （5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。 （6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。 （7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。 （8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。 （9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 （10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。 （11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。三 展望从1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器领域的研究有了飞速的发展。随着激光在现代各个领域的广泛应用，各类激光器如雨后春笋般崛起，激光器的性能也愈发优越，但我们不能固步自封，应该再接再厉，研究出更好的效率更高的激光器，造福人类。 超脉冲激光器原理和调Q的区别 激光按其泵浦方式可分为连续激光器和脉冲激光器两大类。连续激光器是采用连续或长脉冲（脉冲持续时间能级寿命）泵浦激励工作物质，使工作物质能级反转粒子数大于阈值并维持在稳定状态，连续输出激光。脉冲激光器是采用短脉冲（脉冲持续时间能级寿命）泵浦激励工作物质,在整个激励持续过程期间，上能级粒子数处在不断增长的非稳定状态，由于脉冲持续时间很短，在尚未达到新的平衡之前，过程就结束，激光随着泵浦脉冲的到来而输出。 若泵浦激励时间很短，则在激励持续期间E2能级上的自发辐射的无辐射跃迁的影响可以忽略不计，在这种情况下，要使E2能级增加一个粒子，只须吸收 1/个泵浦光子，当单位体积吸收的泵浦光子数大于 时，便能产生激光。实验说明，脉冲持续时间越短，需要吸收泵浦能量的阈值会越小。在短脉冲激光器中，设工作物质吸收的泵浦能量为EP，产生激光阈值为EPt，则有输出能量 公式表明，输出能量E随泵浦能量Ep线性增加，输出的能量是由超过阈值那部分能量转换而来的。 相比于连续激光器，脉冲激光器具有更低的阈值条件，在输入泵浦能量一定的情况下，脉冲激光器能输出更高的脉冲能量。如果采用比原来更大泵浦能量的脉冲方式激励，那么激光器将输出更高的峰值功率，这样的激光器就是超脉冲激光器。 超脉冲技术可以在不怎么增加成本的基础上获得相对高的功率的相对窄的脉宽，但是想要获得非常高的峰值功率或非常窄的脉宽必须使用调Q技术。 调Q技术是指在采用某种方法使腔内的损耗因子按规定的程序变化，在泵浦刚开始时，先使光腔具有高损耗因子，使用产生激光的阈值提高，由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到的水平，然后在适当的时刻使腔内损耗突然降低，阈值也随之降低，些时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射迅速地增强。于是在极短的时间内，上能级储存的粒子的能量转变会激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。 超脉冲激光输出脉宽窄，峰值功率高等特点，优势应用在阈值要求高，热扩散要求少的材料上加工，比如玻璃，皮革，陶瓷等。激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把材料熔解蒸发的过程。加工过程中，作用在材料上的激光能量必须大于破坏材料所需要的能量，既是要大于材料的破坏阈值。如图1所示：左边的能量分布不能在材料上打出标记，右边的只有高于虚线部分才能在材料上打标，在加工过程中，图虚线以下的能量，将转化成热能被材料吸收。由于玻璃，皮革，陶瓷等材料破坏阈值较高，而且对于玻璃来说，转化为热吸收的能量在玻璃中传导的不均匀，将产生热应力，使玻璃炸裂，对于皮革来说，热传导的能量使得皮革加工边缘被烧灼，对陶瓷来说，陶瓷的最外层是一层釉质，性能相当于玻璃。因此这些材料必须采用超脉冲激光加工。图1.激光能量分布示意图。左边连续输出激光能量分