激光的原理及激光器分类
激光器原理及分类
激光器原理及分类激光器是能发射激光的装置。
1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。
1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。
下面小编为大家介绍下激光器。
一、激光器原理除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同。
产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大于损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。
激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。
激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。
工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。
激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。
而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。
二、激光器分类可调谐激光器可调谐激光器tunablelaser是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器（见激光）。
这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。
单模激光器输出为单横模(一般为基模)、多纵模的激光器。
化学氧碘激光器化学氧碘激光器是一种机载激光器。
机载激光器系统是以改型的波音747-400F飞机作为发射平台（代号YAL-1A），以产生高能激光的化学氧碘激光器为核心，配置跟踪瞄准系统和光束控制与发射系统，利用激光作为能量直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。
二氧化碳激光器二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。
放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。
激光知识点总结
激光知识点总结一、激光的工作原理激光是由激光管或半导体激光器等激光器件产生的一种特殊的光，其产生过程涉及到激发、放大和辐射三个过程。
激发过程是激光器内部能级的粒子被外部能量激发，处于高能级，即被激发态。
放大过程是被激发态的粒子受到反射膜的作用，在激光谐振腔内不断来回运动，使得光子通过受激辐射不断放大，形成激光能量。
辐射过程是形成激光光束的过程，激光能量通过谐振腔的光学放大产生足够的光强，经过半透过膜射出。
二、激光的分类根据激光器产生的机理、工作波长和应用领域不同，激光可以分为不同的类型。
常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
气体激光器主要包括CO2激光器、氩离子激光器等，工作波长主要在10.6微米和0.5微米左右。
固体激光器主要包括Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等，工作波长主要在1微米左右。
半导体激光器主要包括GaAs激光器、InGaN激光器等，工作波长主要在可见光和红外光区域。
三、激光的应用激光在各个领域都有着广泛的应用，包括医学、通信、材料加工等。
在医学领域，激光可以用于手术、治疗、检测等，例如激光近视手术、激光溶脂手术等。
在通信领域，激光可以用于光纤通信、激光雷达等，实现了信息的高速传输和大容量存储。
在材料加工领域，激光可以用于切割、焊接、打标等，高精度、高效率、非接触等优点，深受制造业的青睐。
四、激光的安全问题激光的应用虽然带来了很多便利，但同时也伴随着一些安全问题。
激光具有高能量密度、强聚焦性和直线传播性，如果被不当使用，可能会导致眼睛、皮肤等组织的损伤。
因此，在激光使用过程中，需要采取一系列的安全措施，包括佩戴防护眼镜、设置相应的警示标识、限制激光输出功率等，确保激光的安全使用。
总之，激光作为一种重要的光学技术，在科研和工程实践中有着广泛的应用，具有很高的经济和社会效益。
通过深入理解其工作原理、分类和应用等，可以更好地把握激光的特点和优势，更好地应用于实际工作中。
激光器的原理
激光器的原理激光器是一种能够产生激光的装置，激光是一种具有相干性、单色性、直线偏振性和高亮度的光束，因此在工业、医学、科学等领域得到广泛应用。
激光器的原理是基于激光的产生机制，本文将介绍激光的产生机制以及激光器的工作原理。
一、激光的产生机制激光的产生机制是基于激发原子或分子中的电子，使其跃迁至高能级，然后在自发辐射或受到外界刺激的作用下，从高能级跃迁至低能级，放出一个能量等于跃迁能量差的光子。
这个光子激发周围的原子或分子，使其也跃迁至高能级，形成一个光子级联放大的过程，最终产生一束相干、单色、直线偏振和高亮度的激光。
二、激光器的工作原理激光器是由三部分组成：增益介质、泵浦源和光反馈装置。
增益介质是激光器中产生激光的介质，泵浦源是提供能量的装置，光反馈装置是保持激光放大的装置。
1.增益介质增益介质是激光器中产生激光的介质，它可以是固体、液体、气体或半导体等材料。
增益介质中的原子或分子处于低能级时，吸收泵浦源的能量，跃迁至高能级。
当受到自发辐射或外界刺激时，从高能级跃迁至低能级，放出一个光子，激发周围的原子或分子，形成一个光子级联放大的过程，最终产生一束激光。
2.泵浦源泵浦源是提供能量的装置，它可以是闪光灯、半导体激光器或化学反应等。
泵浦源提供的能量被吸收到增益介质中，使其处于高能级，从而产生激光。
3.光反馈装置光反馈装置是保持激光放大的装置，它可以是反射镜或光栅等。
光反馈装置将激光反射回增益介质中，使其受到更多的激发，从而产生更多的激光。
三、激光器的分类激光器按照波长、增益介质、泵浦源和光反馈装置等特性可以分为多种类型，包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器、自由电子激光器等。
1.气体激光器气体激光器是使用气体作为增益介质的激光器，常用的气体有氦氖气、二氧化碳等。
气体激光器产生的激光波长较长，通常用于切割和焊接等工业应用。
2.固体激光器固体激光器是使用固体作为增益介质的激光器，常用的固体有钕、铒、铬等。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干光束的装置，其工作原理基于激光的受激辐射过程。
激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造业等领域。
本文将详细介绍激光器的工作原理以及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于激光的受激辐射过程，该过程包括三个基本要素：激发源、工作物质和光学腔。
1. 激发源：激发源是激光器中产生激发能量的部分。
常见的激发源包括闪光灯、半导体激光二极管、化学反应等。
激发源能够将能量输送到工作物质中，使其处于激发态。
2. 工作物质：工作物质是激光器中产生激光的介质。
常见的工作物质有气体（如二氧化碳、氦氖）、固体（如Nd:YAG晶体）和半导体材料等。
工作物质处于激发态时，其原子或分子之间的能级结构发生变化，形成能级间的粒子聚集。
3. 光学腔：光学腔是激光器中光线的传输通道。
光学腔由两个反射镜构成，其中一个是半透明的，称为输出镜。
当激发源激发工作物质时，工作物质中的粒子会通过受激辐射过程发射出光子。
这些光子在光学腔中来回反射，逐渐增强，形成激光束。
最后，一部分光子通过输出镜逸出，形成激光输出。
二、激光器的应用激光器由于其独特的特性，在各个领域都有广泛的应用。
以下将介绍激光器在科学研究、医疗、通信和制造业等领域的应用。
1. 科学研究：激光器在科学研究中发挥着重要的作用。
例如，激光器被用于原子物理学研究中的光谱分析，通过测量物质发射或吸收的特定波长的光谱线，可以了解物质的性质和组成。
此外，激光器还被应用于等离子体物理学、光学相干断层扫描（OCT）等领域。
2. 医疗：激光器在医疗领域有广泛的应用。
例如，激光手术技术被广泛应用于眼科手术，如近视手术和白内障手术。
激光器的高度聚焦能力可以精确切割组织，减少手术创伤。
此外，激光器还可用于皮肤美容、激光治疗、激光疗法等。
3. 通信：激光器在通信领域的应用主要体现在光纤通信技术中。
激光器产生的激光光束可以通过光纤进行传输，实现高速、大容量的信息传输。
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
激光常见的分类
激光常见的分类激光（Laser）是一种以光学放大的原理产生的高度聚焦的光束。
它的特点是单色性、同相性和高亮度，广泛应用于各个领域，包括医疗、通信、制造等。
根据激光器的工作原理和应用领域的不同，激光可以被分为多种分类。
一、气体激光器气体激光器是一种利用气体放电形成的激发能量来激发激光发射的装置。
根据使用的气体种类不同，气体激光器可以分为氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等。
其中，氦氖激光器是最早被发现的激光器，其工作波长为632.8纳米，广泛应用于医疗、测量和教育领域；二氧化碳激光器的工作波长为10.6微米，主要用于切割、焊接和雕刻等工业应用；氩离子激光器的工作波长为488纳米和514纳米，常用于生物医学研究和材料加工等领域。
二、固体激光器固体激光器是利用固体材料中的活性离子或色心离子来产生激光的装置。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等。
其中，Nd:YAG激光器的工作波长为1064纳米，是目前应用最广泛的固体激光器之一，可用于切割、焊接、标记等工业应用；Nd:YVO4激光器的工作波长为1064纳米，它具有更高的光转换效率和更窄的线宽，适用于高精度的激光加工和科学研究等领域。
三、半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料中的电子和空穴复合产生激光的装置。
半导体激光器具有体积小、功耗低和价格便宜等优点，广泛应用于通信、显示和医疗等领域。
根据结构和工作方式的不同，半导体激光器可以分为激光二极管、垂直腔面发射激光器（VCSEL）等。
激光二极管是最常见的半导体激光器，其工作波长范围广泛，可从红外到可见光，适用于光存储、医疗和传感等应用；VCSEL是一种垂直发射的半导体激光器，具有窄的光谱线宽和高的发射功率，主要用于光通信和3D成像等领域。
四、光纤激光器光纤激光器是利用光纤中的增益介质来放大激光的装置。
光纤激光器具有体积小、可靠性高和抗干扰能力强等优点，广泛应用于通信、材料加工和医疗等领域。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干的光束的装置，具有广泛的应用领域，包括医学、通信、材料加工等。
本文将详细介绍激光器的工作原理以及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于激光的产生和放大。
激光的产生是通过激发介质中的原子或者份子使其处于激发态，然后通过受激辐射产生的光子引起其他原子或者份子跃迁到较低能级，从而形成光子的连锁反应。
激光的放大是通过将激光束通过光学谐振腔多次来回反射，使光子数目不断增加，从而增强激光的强度。
激光器的工作原理可以分为四个基本步骤：激发、放大、选择和输出。
首先，通过外部能量源（如电流、光束或者化学反应）对激光介质进行激发，使其处于激发态。
然后，激发的原子或者份子通过受激辐射产生的光子引起其他原子或者份子跃迁到较低能级，从而形成光子的连锁反应。
接下来，激光束通过光学谐振腔多次来回反射，使光子数目不断增加，从而增强激光的强度。
最后，通过选择性反射镜，只允许特定波长的光通过，形成单色的激光输出。
二、激光器的应用激光器具有许多重要的应用，以下将介绍几个典型的应用领域。
1. 医学应用激光器在医学领域有广泛的应用，包括激光手术、激光治疗和激光诊断等。
激光手术利用激光的高度聚焦性和高能量密度，对组织进行切割、烧灼或者蒸发。
激光治疗则利用激光的生物刺激作用，促进组织的修复和再生。
激光诊断则利用激光的单色性和相干性，对组织进行成像和检测。
2. 通信应用激光器在光通信领域有重要的应用。
激光器可以产生高强度、窄带宽的光束，用于传输信息。
激光器的单色性和相干性使得光信号可以在光纤中传输较长的距离，同时可以通过光纤的调制来实现光信号的调制和解调。
3. 材料加工应用激光器在材料加工领域有广泛的应用，包括切割、焊接、打孔和表面处理等。
激光器的高能量密度和高度聚焦性使其可以对各种材料进行精确的加工。
激光切割可以在金属、塑料、木材等材料上进行，具有高精度和高效率的优点。
激光器的分类介绍
激光器的分类介绍激光器是一种能够产生具有高度一致性和同步性的激光光束的器件。
根据激光器的工作原理、激光器的波长、激光器的应用领域等不同方面的分类，下面将对激光器进行详细的介绍。
一、根据激光器的工作原理进行分类1.固体激光器：固体激光器是利用外部能量源（例如闪光灯、激光二极管）激励激光介质（例如Nd:YAG、Nd:YVO4）产生激光的一种激光器。
固体激光器具有高效率、高能量、高品质光束等特点，在军事、医学、科研等领域有广泛的应用。
2.气体激光器：气体激光器是利用放电激励稀薄气体分子产生粒子数密度高、能级分布宽的激光介质，然后通过光学共振腔将产生的激光进行放大和聚束。
常见的气体激光器有氦氖激光器、CO2激光器等，广泛应用于科研、测量、医学和工业等领域。
3.半导体激光器：半导体激光器是利用半导体材料在电流或者注入光子的作用下产生受激辐射所形成的激光。
其特点是体积小、效率高、功率低、寿命短等，被广泛应用于光通信、激光打印、激光显示等领域。
4.液体激光器：液体激光器采用液体介质作为激光介质进行激光产生。
液体激光器相比固体激光器和气体激光器具有较高的能量、频率较宽、调谐范围较大等特点，在科研和工业领域有着广泛的应用。
二、根据激光器的波长进行分类1.可见光激光器：可见光激光器产生的激光波长在400~700纳米之间，能够被人眼所感知。
可见光激光器广泛应用于激光显示、激光打印、激光医学等领域。
2.红外激光器：红外激光器产生的激光波长在700纳米到1毫米之间，是不可见光。
红外激光器在通信、材料加工、医学、军事等领域有广泛的应用。
3.紫外激光器：紫外激光器产生的激光波长在10纳米到400纳米之间，也是不可见光。
紫外激光器在微加工、光致发光、光解离等领域有重要的应用。
三、根据激光器的应用领域进行分类1.医学激光器：医学激光器广泛应用于激光治疗、激光手术等医学领域，例如激光照射可以刺激细胞增殖、促进伤口愈合，还可以用于激光石化术、激光治疗静脉曲张等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
激光器的原理及分类
一、基础原理
量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。
在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。
当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。
二、自发辐射、受激辐射
1、自发辐射
普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个“受激吸收”过程。
但是处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量=E2-E1。
过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。
2、受激辐射
在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很
长，就所谓的亚稳定状态。
但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子，在同一个方向、有同一个波长。
这就是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。
二、粒子数反转
通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受激吸收。
只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激辐射才能大于受激吸收。
但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产生。
这个技术叫粒子数反转。
三、光放大过程
通过粒子数反转后，其中一个粒子首先在外界光场的照射刺激下，对外发出了一个光子，这个光子又刺激其他粒子再次对外发射光子，并且方向相同，波长
相同。
但是这样放大的光还不够强。
科学家设计了一个光学偕振腔（两片反射玻璃，一片100%反射、一片接近100%反射），通过反复反射，将光强度进一步扩大。
四、激光器构成
1、工作介质。
可以是气体、液体、固体、或者半导体。
在这些介质中存在亚稳定状态，可以实现粒子数反转，以获得制造激光的必要条件。
2、激励源。
用于去激励原子体系，使处于上能级的粒子数量增加。
有电激励、光激励、热激励。
俗称泵浦源。
3、谐振腔。
用于放大光辐射，并调节激光波长。
五、激光的特点
1、方向直。
激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角度，照射方向上的照度比普通光提高千万倍。
激光准直、导向和测距就是利用方向性好的特点。
2、亮度高。
一台大功率激光器输出的亮度只有氢弹爆炸瞬间的闪光才能与之相比。
由于亮度高度集中，容易在某一微小电出产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。
激光打孔、激光焊接、激光切割、激光外科手术都利用这一特点。
3、单色性好。
光是一种电磁波。
光的颜色取决于它的波长，普通光源发出的光通常包含各种波长，激光的波长只集中在十分狭窄的光谱范围。
为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供极为有利的手段。
4、相干性好。
用于全息投影技术
六、主要技术参数
1、激光输出功率
2、电光转化率
3、激光波长
4、激光发散角度
激光发散角度觉得了多大的能量被传到给定的目标。
如果激光出口光斑太大，那么高速小镜片的振晶就不能反射全部的激光束，造成激光功率受损。
5、散热温控方式
散热问题直接关系到激光器使用寿命，甚至引起激光器的光学灾变，烧毁激光器设备。
一般散热方式有：风冷+陶瓷片、TEC双向热能交换散热风扇、水冷循环机散热。
6、光束模式
七、激光器分类
1、气体激光器
利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光，激励方式以电激励为主，也有光激励、气动激励或化学激励。
工作物质主要利用二氧化碳以及各种稀有气体。
最为常见的是二氧化碳激光器。
二氧化碳激光器：波长为9~12um（典型波长10.6um），光电转化率在10-30%左右，但设备体积大，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中用途最广泛的一种激光器，主要用于材料加工，科学研究，检测国防等方面。
但二氧化碳的波长不易被金属吸收，功率浪费较大，并且无法采用光纤耦合。
体积庞大，不适于现场修复和与各种熔覆工装配合使用。
更换易损配件频率高且价格昂贵。
特别是二氧化碳激光热影响区高，被熔覆配件受热变形率高，需要在熔覆过程中、熔覆后对熔覆配件进行复杂的保温处理。
2、固体（晶体）激光器
是脉冲输出方式，熔覆时被熔覆基体热影响极低，可以修复薄壁件、小件、高精度极易变形配件。
可分为：Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、
Er-YAG晶体。
主流产品Nd-YAG（钇铝石榴石晶体）激光器：波长1064nm，光电转化率接近3%，冷却方式为水冷，维护费用较高。
连续激光器的最大输出功率1000W，广泛用于军事、工业和医疗等行业。
3、半导体激光器
激励方式为电注入式，光泵式和高能电子束激励式。
目前市面上的商用输出功率在2000W-6000W之间，设备体积小，采用水冷、电光转化率可达45%。
输出激光波长808nm，976nm,1064nm等，应用范围包括激光熔覆、激光切割和激光焊接，目前最为主流的是光纤耦合半导体激光器。
光纤耦合半导体激光器，优势在于：一、激光光束经光纤传导输出，能完成小光斑聚焦输出，进而完成薄壁件，小件，高精度易变形配件的熔覆；二，半导体激光光束经光纤传到输出，光斑功率密度分布均匀，激光熔覆熔池无夹渣，喷溅低，熔覆层细腻，无气眼；三，光纤输出半导体激光光纤传播距离长，光纤头体积小，重量轻易与各种熔覆工装、机械手配合使用；四、半导体激光经光纤传导输出，解决了直接输出半导体激光熔池光辐射对激光器造成损害的难题；五、光纤输出半导体激光体积小，重量轻，操作简单，免维护。
但设备价格昂贵。
LASERLINE、DILAS、美国相干、美国LASEROPERATIONSLLC公司。
4、光纤激光器
电光转化率：20%以上
冷却方式：低功率风冷
功率：商用设备功率可达6000W
输出激光波长多
光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种三维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。
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。
应用范围包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。
主要生产商：IPG、罗芬、业纳、SPI、武汉锐科、深圳市创鑫、深圳联品、武汉安扬、大族。