激光器介绍分解
各种激光器的介绍
各种激光器的介绍激光（Laser）是光学与物理学领域中的重要研究方向之一，也是现代科学中应用最广泛的光源之一、激光器是产生、放大和产生激光的装置，它能够使光以高度有序的方式输出，并具有高度相干和高度定向的特性。
激光器可以根据不同的工作原理和激光频率，分为多种类型，下面将为大家介绍几种常见的激光器。
1. 固体激光器（Solid State laser）：固体激光器是利用固体材料作为介质的激光器。
固体激光器的工作物质通常为具有特殊能级结构的晶体或玻璃材料。
最早的固体激光器是由人工合成的红宝石晶体制成的。
它具有高度的可靠性、较高的功率输出和较宽的谱段覆盖等特点，广泛应用于医疗、测量、通信、材料加工等领域。
2. 气体激光器（Gas laser）：气体激光器是利用气体作为活性介质的激光器。
常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最早被发现和研究的激光器之一，具有连续激光输出、较高的功率密度和中远红外波段特点，广泛应用于材料加工、切割、医疗等领域。
3. 半导体激光器（Semiconductor laser）：半导体激光器是利用半导体材料作为活性介质的激光器。
它是目前应用最广泛的激光器之一，常见的有激光二极管（LD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
半导体激光器具有小巧轻便、功耗低、寿命长等特点，广泛应用于激光显示、光通信、生物医学等领域。
4. 光纤激光器（Fiber laser）：光纤激光器是利用光纤作为反射镜和放大介质的激光器。
它采用光纤的内部介质作为激光器的活性介质，激光通过光纤进行传输和放大。
光纤激光器具有高度稳定性、方便携带、适用于长距离传输等特点，广泛应用于材料加工、制造业、激光雷达等领域。
5. 半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器（如激光二极管）泵浦固体材料产生激光的激光器。
它继承了固体激光器的高功率、高效率和稳定性等特点，同时又具有半导体激光器小尺寸、低功耗等优势。
常见激光器结构及器件功能介绍
常见激光器结构及器件功能介绍激光器是一种产生、放大和聚焦激光光束的器件。
它在现代科学、医疗、工业和战争等领域都有广泛的应用。
常见的激光器结构主要包括激光介质、泵浦源、光学谐振腔和输出窗口等部分。
下面将对这些部分的功能进行详细介绍。
1.激光介质：激光介质是激光器的核心部件，它能够使电能或光能转化为激光能量。
常见的激光介质包括气体（如二氧化碳、氩等）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体（如染料溶液）等。
不同激光介质具有不同的特性，决定了激光器的输出特点。
2.泵浦源：泵浦源是激光器产生激光能量的能源，它对激光介质进行能量输入，使之达到激发态。
常见的泵浦源包括电子激发（如气体放电、闪光灯等）、光学激发（如半导体激光二极管、固体激光晶体等）和化学激发（如染料激光器）等。
泵浦源的选择决定了激光器的效率和波长等参数。
3.光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中光的来回传播的空间，在谐振腔内激光能量发生倍增和光模式形成。
常见的光学谐振腔包括平面腔、球面腔和折射腔等。
谐振腔的结构和参数决定了激光器的输出特征，如脉冲宽度、线宽和波前质量等。
4.输出窗口：输出窗口是激光器中激光能量传出的接口，它具有透过激光的特性，并使激光尽量少损耗。
常见的输出窗口材料包括光学玻璃、光纤和光学晶体等。
输出窗口的选择和设计是影响激光器输出功率和光束质量的重要因素。
除了上述部分，激光器还包括一些辅助器件和系统，如冷却系统、调谐器和稳频器等，它们的功能主要有以下几个方面：1.冷却系统：激光器在工作过程中会产生大量的热量，需要通过冷却系统来散热，以保持激光介质和泵浦源的稳定性。
常见的冷却方式包括空气冷却、水冷却和制冷剂冷却等。
2.调谐器：激光器的波长可能需要进行调整，以适应不同应用的需求。
调谐器通过改变光学谐振腔的长度或谐振性能，实现激光器波长的可调。
3.稳频器：激光器的频率稳定度对一些应用非常重要。
稳频器通过使用反馈调节和控制系统，使激光器的频率保持在目标值附近的范围内。
激光器的工作原理讲解
激光器的工作原理讲解激光器是一种能够产生激光的装置，其工作原理基于能级跃迁和受激辐射的过程。
下面将详细介绍激光器的工作原理。
激光器的主要组成部分包括：光源、增益介质和光腔。
首先，激光器的光源即外界提供的能量，它能够激发光子从基态跃迁到激发态，产生激光的能级跃迁所需的能量。
其次，激光器的增益介质是激光放大器的核心部件，它负责产生和放大激光。
在激光器中常用的增益介质有：气体（如氦氖激光器、二氧化碳激光器）、晶体（如钕:钋酸钆激光器）、半导体材料（如半导体激光器）等。
这些增益介质在受到外界能量刺激后，产生能级跃迁和受激辐射的过程，从而产生激光。
具体来说，激光器中的增益介质处于一个激发态能级，它有一个高能级和一个低能级。
当外界能量激发增益介质时，光子能够从低能级跃迁到高能级的激发态，形成一个激发态聚集。
而由于激光器中的增益介质受到激发态聚集的初始扰动，这些激发态聚集会随着时间的推移发生非平衡运动，从而形成光子之间的能量传输。
在这个过程中，当一个处于激发态的光子与一个低能级的光子相互作用时，受激辐射的过程会发生。
也就是说，处于激发态的光子可以激发一个低能级的光子跃迁到同样的激发态，并且两者的能量和相位几乎完全相同。
这个过程会引起光子的指数增长，从而形成激光光束。
最后，激光器的光腔是光子在增益介质中来回传播的空间。
光腔一般有两个反射镜组成，一个是部分穿透镜（输出镜），它允许一部分激光通过；另一个是全反射镜（反射镜），它将大部分激光反射回来。
由于全反射镜的存在，光子在光腔中来回多次反射，增强了激光的功率。
当激光增益与光腔损耗达到平衡时，激光器就能稳定地输出激光。
总结起来，激光器的工作原理是通过外界能量的激发、增益介质的能级跃迁和受激辐射的过程，形成光子之间的能量传输，并利用光腔的多次反射来增强激光功率。
这种高聚集、高能量的光子群就是我们所说的激光。
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敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
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1、红宝石的基本特性
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氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
几种激光器的结构示意
几种激光器的结构示意
1.连续激光器：连续激光器包括长激光棒激光器，它包括了发射腔（蓝色），它设有折射器（紫色）和反射镜（绿色），发射腔内填入了激光活性源，它可以产生多模微弱的，有着同一波长的光束。
通过折射器和反射器产生的多模弱光束聚焦到了微粒活性源上。
微粒活性源内产生的激光辐射通过折射器和反射镜回到了发射腔中，从而得到不断增强的激光辐射。
2.瞬态激光器：瞬态激光器主要将诸如质子、氘离子等离子通过电场的影响，在真空腔中的聚焦调制，使离子中的电子迅速由原有的能级跃迁到下一能级，并同时释放出许多的光子，从而达到激发激光的效果，瞬态激光器的激光输出持续极短的时间，极高的能量，瞬态激光器的结构一般由一个真空腔和一组高压发生器组成，真空腔内装有可发射激光的离子源和能控制激光路径的反射镜，发射器外设置与腔体的电连接，高压发生器用于给该真空腔体提供必要的电压。
3.钝/硬激光器：钝/硬激光器为可调节激光源，原理是以热熔合或焊接的方式将激光材料（基体材料）和激光剂装入金属管中，经高温、高压作用，释放出紫外光，再经过一系列有折射镜和反射镜的发射腔。
《激光器介绍》课件
激光器与人工智能、3D打印等技术结合，创造更多智能化和多样化的应用。
结论和总结
激光器是一项伟大的科技创新，它在多个领域的应用不断拓展。我们必须充 分了解其原理和注意事项，推动激光技术的发展和应用。
《激光器介绍》PPT课件
欢迎来到《激光器介绍》的PPT课件! 本课程将带您深入了解激光器的定义和 原理，以及其在不同领域的应用。让我们一起探索激光技术的无限潜力！
激光器的定义和原理
激光器是通过受激辐射产生的一种具有高度相干性、高照射强度和直行性的 光源。它的工作原理基于光子的双能态能级跃迁。
不同类型的激光器
戴眼镜
在使用激光器时，务必佩戴适当的激光安全眼镜以保护视力。
避免直射
避免将激光束直接照射到人体和易燃物上，以免引发安全事故。
操作规范
按照使用说明进行操作，确保激光器使用安全可靠。
激光器的发展趋势
1
更小更强
激光器体积将进一步缩小，但功率将持续增强，提供更多应用领域。
2
更高效更环保
激光器的效率将提高，能源消耗将减少，以促进可持续发展。
1 气体激光器
使用气体作为激发介质， 例如二氧化碳激光器和氩 离子激光器。
2 固体激光器
使用固态材料作为激发介 质，例如Nd:YAG激光器和 钛宝石激光器。
3 半导体激光器
使用半导体材料作为激发 介质，例如激光二极管和 垂直腔面发射激光器。
激光器的应用领域
医疗行业
激光器在手术、皮肤治疗和眼 科手术等领域有广泛应用。
通信领域
激光信号传输在光纤通信和激 光雷达等领域发挥重要作用。
制造业
激光切割、激光焊接和激光打 印等技术在制造业中得到广泛 应用。
激光器的优点与限制
激光器简介介绍
05 激光器的未来发展趋势和 挑战
高功率激光器的研发和应用
高功率激光器在国防、工业和 医疗等领域具有广泛的应用前 景。
研发高功率激光器的关键在于 提高输出功率、光束质量和稳 定性，以及降低制造成本。
高功率激光器在材料加工、激 光雷达、照明和通信等领域已 取得重要进展。
超快激光器的研发和应用
应用
二氧化碳激光器在医疗美容中应用广 泛，如激光手术刀、皮肤美白等。
固体激光器
特点
体积小、重量轻、效率高、操作简单。
应用
用于材料加工、打标、雕刻等领域。
液体激光器
特点
输出波长可调、效率较高。
应用
用于生物医学、光谱学等领域。
半导体激光器
要点一
特点
体积小、寿命长、价格便宜。
要点二
应用
用于光纤通信、数据存储等领域。
激光打标
利用激光的高能量密度在 物体表面刻印图案、文字 或编码等标识，实现高效 、环保的打标方式。
激光焊接
通过激光束将两个或多个 材料连接在一起，具有高 精度、高强度和高密封性 等优点。
医学领域
激光治疗
利用激光的能量照射人体组织， 通过热能、光化学效应等作用达 到治疗目的，如激光手术、激光
美白等。
感谢您的观看
光纤激光器
特点
输出波长稳定、效率高、光束质量好。
VS
应用
用于高速光纤通信、激光雷达等领域。
03 激光器的组成和工作02
03
04
增益介质
用于提供能量放大作用，通常 由气体、液体、固体或半导体
等材料组成。
泵浦源
用于向增益介质提供能量，通 常采用光、电、化学等方法。
激光器的种类讲解
激光器的种类讲解激光器是一种能够产生高纯度、高亮度和一致的光束的装置。
他们在科研、医学、工业和通信等领域中具有广泛的应用。
根据激光器的工作原理和参数，可以将激光器分为多种类型，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器等。
本文将对各种类型的激光器进行深入的讲解。
1.气体激光器：气体激光器是最早被发明出来的激光器类型之一、它们通过用电流激励气体分子来产生所需波长的激光。
常见的气体激光器有氦氖激光器(He-Ne)、二氧化碳激光器(CO2)、氩离子激光器(Ar)等。
气体激光器具有较大的输出功率和较高的波长稳定性，适用于医学、切割和焊接等领域。
2.固体激光器：固体激光器是使用固体材料作为激光介质的激光器。
常见的固体材料有Nd:YAG、Nd:YVO4和Ti:sapphire等。
固体激光器可以通过激光二极管或弧光灯等能量源进行激发。
它们具有高效、高稳定性和长寿命的特点，适用于雷达系统、激光加工和科学研究等领域。
3.半导体激光器：半导体激光器是通过电流注入拥有p-n结构的半导体材料，使其产生激光。
半导体材料可以是单一的半导体材料，如GaAs、InP，也可以是多层薄膜结构，如VCSEL(垂直腔面发射激光器)。
半导体激光器具有小型化、低功率和高效率的特点，广泛应用于通信、光存储和光电显示等领域。
4.光纤激光器：光纤激光器是利用光纤作为激光介质的激光器。
光纤激光器通常包括光纤光源和光纤放大器两个部分。
光纤光源是利用受激辐射从光纤核心产生激光，通常使用稀土离子注入的光纤作为激发材料。
光纤放大器则通过将输入的激光信号放大，从而得到高亮度的激光输出。
光纤激光器具有小型化、高品质和集成化的特点，广泛应用于通信、激光打标和光纤光源等领域。
除了以上所述的主要激光器类型，还有许多其他的激光器类型，例如自由电子激光器、化学激光器和超短脉冲激光器等。
不同类型的激光器在应用领域和性能参数上有着差异。
因此，在选择激光器时，需要根据具体需求来确定最合适的类型和参数。
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《激光原理与技术》
原子气体激光器：
产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气 体主要是几种惰性气体（如氦、氖、氩、氪、氙等）， 有时也可采用某些金属原子（如铜、锌、镉、铯、汞 等）蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器 的典型代表是氦一氖气体激光器。
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气体激光器的激励方式
气体放电：在高电压作用下，气体分子（或原子）发生 电离而导电。
直流连续放电（辉光放电：高电压小电流，如HeNe,CO2； 弧光放电：小电压大电流，如Ar+）
高频放电(射频气体放电) 脉冲放电（如准分子激光器，脉冲辉光放电和脉冲
弧光放电；直流脉冲放电和脉冲交流放电；短脉冲 放电和长脉冲放电）
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He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜 为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。
按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔 式和半内腔式。
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内腔式:优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同 轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程
第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne 原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发 到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要 小得多。
第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然 后再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献 最小。
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工作物质被激发的过程和类型
第一类非弹性碰撞：快速电子于气体粒子碰撞：
A＋e(快速)
A﹡＋e(慢)
A＋e(快速)
A＋＋e(慢)
第二类非弹性碰撞：共振能量转移、电荷转移和潘宁效应
共振能量转移： A﹡ ＋B
A ＋B﹡＋△E
电荷转移： A＋ ＋B
A ＋B＋﹡ ＋△E
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三、He—Ne激光器的激发过程
在He—Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如 下：
第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1 态分别与Ne原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行 能量转移，并且转移几率很高，可达95%
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按化学组成分 原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器 准分子激光器 (p102)
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按激光运转方式分 连续 脉冲 单脉冲 重复频率 准连续
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按激光调制方式分 自由运转 调Q 锁模 稳频 可调谐
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He-Ne激光器－－三个部分组成
能实现粒子数反转的工作物质(He-Ne气体)： 激励能源：高压放电后，电子撞击工作物质而实现粒子数
反转 光学谐振腔：（凹）反射率接近100％，即完全反射，另
一个（平）反射率约为98％
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按谐振腔类型分 平面腔 球面腔
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§ 3.2 气体激光器 3.2.1 气体放电激励基础
工作物质：气体； 特点：工作物质数目最多、激励方式最多样化、激光发射
波长分布区域最广
分类：原子气体、分子气体和电离化离子气体，分别称为 原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。
潘宁效应： A﹡ ＋B
A ＋ B＋﹡ ＋△E
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3.2.2 He-Ne激光器
气体原子激光器 输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um等，以632.8nm
为最常见。 功率在mW级，最大1W 光束质量好，发散角可小于1mrad 单色性好，带宽<20Hz 稳定性高 应用很广泛：测量，激光照排，激光治疗
中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器 件损耗增加，输出下降。稳定性,阴极溅射物质污染窗片,寿命低
外腔式:优点:谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。线
偏振的激光.缺点：反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需
要调整，使用不方便. 体积大，安装不方便，易破碎。
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物理与电子工程学院Leabharlann 一、He－Ne激光器的结构
由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学 谐振腔组成。
放电管是心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管 和贮气室构成。
放电管中充入He:Ne=5:1—10:1，当电极加上高电压后，
粒子数反转。贮气室
气体放电使氖原子受激，产生
He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发 射率高和溅射率小的铝及其合金制成。
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第三章 典型激光器 §3.1 概述
3.1.2 激光器基本结构
（第三章）
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3.1.2 激光器分类
按激光工作物质分 气体激光器 固体激光器 液体激光器（代表染料激光器） 半导体激光器（LD） 光纤激光器 化学激光器 自由电子激光器 X射线激光器
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分子气体激光器：
产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的 主要分子气体工作物质有CO2、CO、N2、H2、HF 和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化 碳（CO2）激光器的氮分子（N2）激光器。
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离子气体激光器：
是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的 有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表 型器件是氩离子（Ar+）激光器、氪离子（Kr+） 激光器以及氦一镉离子激光器等。
二、氦和氖原子的能级图
He原子有两个电子，基 态:1S0,He受激时，一个 电子从1S激发到2S，成 为激发态。 He原子有 两个亚稳态能级，分别 记为23S1、21S0。
Ne原子有10个电子，基 态1S:212SS02；2P电6,子激分发布态:1S、 2S、3S、2P、3P等， 它们对应的外层电子组 态分别为2P53s、2P54s、 2P5S5、2P53P、2P54P。