典型激光器介绍讲解
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。
各种典型激光器原理
氦氖激光器
氦氖激光器使用氮气和氖气的混合物作为工作气体。这种激光器产生可见光， 通常在红色、绿色和黄色波长范围内。氦氖激光器具有高效率、长寿命和稳 定的输出特性。
二氧化碳激光器
二氧化碳激光器使用二氧化碳分子作为激发介质。它们产生的激光主要是红外线光，可用于切割、打孔、激光 治疗等应用。二氧化碳激光器是商业和医疗领域最常用的激光器之一。
半导体激光器
半导体激光器基于半导体材料的特性。它们小巧、高效，常用于通信、激光打印和光存储等领域。半导体激光 器还可以通过改变工作电流调节输出频率和功率。
钛宝石激光器
钛宝石激光器使用钛宝石晶体作为激发介质。它们产生的激光具有脉冲宽度 短、波长可调节的特性，广泛应用于化学、生物、材料科学等领域的研究。
各种典型激光器原理
激光器是一种产生单色、高亮度、相干且聚焦成束的光源。本演示将介绍激 光器的基本原理以及各种典型的激光器类型和应用。
激光器的基本原理
激光器工作基于受激辐射和光放ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效应。激发介质中的原子或分子由于能量 吸收而处于激发态，而后通过受激辐射过程与其他自由原子或分子发生相互 作用，产生出与激发辐射的频率和相位相同的光。
光纤激光器
光纤激光器使用光纤作为激光传输的媒介。它们具有小尺寸、高能量转换效 率和灵活的束传输特性。光纤激光器广泛应用于通信、材料加工和传感器等 领域。
其他激光器及激光应用
除了上述类型的激光器外，还有很多其他类型的激光器，如纤维激光器、固体激光器、气体激光器等。此外， 激光技术在医学、制造、测量、娱乐等各个领域都有广泛的应用，如激光切割、激光雕刻、激光测距、激光秀 等。
激光原理第九章
激光原理与技术
单位长度输出功率可达1KW／m以上。1 ～3kw的纵向快流CO2 激光器已广泛用于激 光加工。与大功率的横向流动激光器相比， 纵向快流CO2激光器中放电电流密度分布的 园对称性较好，具有更好的光束质量。
激光原理与技术
4．横向流动CO2激光器
纵向快流CO2 激光器需要很高气体流速。 若使气体流流动方向与光轴垂直，由于气体通 道截面大，气体流动路径短，因此较低的流速 就能达到纵向快流同样的冷却效果。 在横向流动CO2激光器中，输出功率的电流 饱和效应不明显。最佳气体压强高达 1.3×104pa。高压强运转有利于提高输出功率 ，但碰撞使电子温度降低，必须在强电场中才 能维持足够高的电子温度。
激光原理与技术
2、封离型CO2激光器
放电过程中，一部分CO2 分子分解为CO和O ，如不抽去陈气，补充新鲜气体，则CO2含量减 少，CO含量增多，将导致输出功率下降。 因此，在封离型CO2 激光器中，加入催化剂促 使O和CO更新结合为CO2 ，并选用不与O2 气作 用的阴极材料料以保证激光器中有足够的氧气和 CO重新结合。通常加入少量H2O或H2 作催化剂 。封离型激光器的结构和输出功率的水平和纵向 漫流激光器相似，寿命巳超过数千小时至—万小 时。
激光原理与技术
激光原理与技术
三、钕激光器 三价钕离子为激活粒子的钕激光器是使用最 广泛的激光器。Nd3+离子部分取代Y3Al5O12 晶体中Y3+离子称为掺钕亿铝石榴石(简称Nd ：YAG)。属四能级系统，有量子效率高、受 激辐射截面大的优点，阈值比红宝石和钕玻 璃激光器小得多，有高的热导率，易于散热 ，可以单脉冲运转，用于高重复率或连续运 转，Nd：YAG连续激光器的最大输出功率超过 1000w，每秒5000次的激光器的输出峰值功为 数千瓦，每秒几十次重复频率的调Q激光器的 峰值功率达几百兆瓦。
医学中常用的激光器
医学中常用的激光器自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。
目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。
人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。
激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s 内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。
由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。
各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。
一．气体激光器气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：1原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。
氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。
原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10 毫瓦数量级。
2分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。
分子激光器以二氧化碳CO2激光器为代表，其他还有氢分子H2，氮分子N2和一氧化碳CO分子等激光器。
分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。
3离子激光器：＋这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子激活介质为Ar 激光器。
＋氦镉激光器激活介质为Cd 等。
离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。
气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。
其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。
1、氦氖激光器氦氖激光器能输出波长为632.8nm 的可见光，具有连续输出的特性。
它的光束质量很好发散角小，单色性好，单色亮度大。
激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。
氦氖激光器在工业、科研、国防上应用很广，医疗上主要用于照射，有刺激、消炎、镇痛、扩张血管和针灸等作用，广泛用于内科、皮肤科、口腔科及细胞的显微研究。
第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵
能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 典型激光器介绍
▪ Ar+离子激光器
➢ Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
15
3.1 典型激光器介绍
3、不同介质介面（平面）
ro ri 0
ro
0
1 2
ri
1
ro ro
0
0
1 2
ri ri
Байду номын сангаас
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
辐射不是基于原子分子或离子的束缚电子能级间的跃磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动从而产生辐射当速度接近光速的电子作圆周运动时将会辐射出光子由于这种辐射1947年在同步加速器上被发现的因而被命名为同步辐射synchrotronradiation切伦科夫辐射当电子在介质中运动时如果它们的速度比光在介质中的相速度大电子也会产生光辐射其波长随着电子速度而变化虽然光很弱但却是单色性很好的辐射光
➢ 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到 的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段， 甚至 X射线、射线波段。
➢ 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量， 在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne 激光的单色性很高，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～ 2毫弧度。
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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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27
1、红宝石的基本特性
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10
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。
四大激光器
四种激光器有哪些典型应用？一半导体激光器：半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器1.半导体激光器在高压反馈电路中的应用2.在电子焊接领域的应用3. 量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用4. 在印刷业和医学领域，高功率半导体激光器也有应用. .另外，如长波长激光器（1976年，人们用Ga[nAsP/InP实现了长波长激光器）用于光通信，短波长激光器用于光盘读出.自从NaKamuxa实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛.蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中.总之，可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写人，激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途.量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域.另外，由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究.可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具大功率中红外（3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用.5. 绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用，如超高密度、光存储.近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段.垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。
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/。
12典型激光光源汇总
光的基础知识及发光源
§1.4 典型激光器
激光器是光电子技术领域最主要的器件
激光器种类繁多，一般有如下分类方式
分类标准 工作物质
•固体
•气体
分
类
•液体 •半导体
•自由电子
激励方式
•光激励 •电激励 •热激励 •化学激励 •核激励
工作方式
•连续 •脉冲
激光波长
•红外 •可见光 •紫外 •X射线 •毫米波（THz） •γ射线
易于产生粒子数 反转和受激发射
窄的荧光谱线
§1.4.1 固体激光器
激励方式：光泵激励
气体放电灯激励
• 效率较低
非相干光源
半导体激光器激励
• 提高了效率
波长可以与工作物质匹配
• 小型化、质量轻、全固体化、寿命长
§1.4.1 固体激光器
典型的固体激光器
红宝石激光器 钕激光器
钛宝石激光器
高功率、大能量、小体积
数十厘米 毫瓦量级 1~2m 数十毫瓦
工作物质
He、Ne混合气体（质量比He:Ne=1:10）
Ne是激活粒子；He是辅助气体，用作对Ne原子的共振 激发能量转移，以提高泵浦效率
He-Ne激光器
工作能级 632.8nm谱线和3390nm谱线有相同的激光上能级，因
而存在强烈电的竞争，可以通过如下手段来抑制3390nm 的模式，得子碰到632.8nm共 振的激光输出
§1.4.2 气体激光器
激励方式
最为常见的泵浦方式
气体放电泵浦
其它：化学泵浦、热泵浦、核泵浦
§1.4.2 气体激光器
典型的气体激光器
He-Ne激光器 氩离子激光器
CO2激光器
补充：铜蒸气激光器
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5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。
2. 半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件 1 5 G a内 lnr1 r2 2 L 4 半 增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质
2. 异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示 双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(5－32)(c)所示。
§
5 4 半 导 体 激 光 器 .
3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能 级E被电子占据的几率为 1 f n ( E ) E EF e kT 1
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5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) 1 f P ( E1 )
§
5 4 半 导 体 激 光 器 .
1和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
f N (E2 ) f N (E1) EF EF E2 E1 Eg
§
5 4 半 导 体 激 光 器 .
图(5-29) GaAs激光器的伏安特性 图(5-30) 激光束的空间分布示意图
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5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光 光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱 宽达几十埃。
§
.
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5.4.2 PN结和粒子数反转
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1. P-N结的双简并能带结构 把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。
图(5-26) PN能带
2. 粒子数反转 产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。 激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为 1 f N ( E2 ) E E
e 1 价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 f P ( E1 )
kT
2
F
1 e
EF E1 kT
导 体 激 光 器
图(5-28) GaAs激光器的结构
§
.
n c2 A21 n c2 Gν f ν f ν 2 2 2 2 8 ν 8 ν t复合
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5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
3.半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴 复合数相等而达到平衡 c 2 f ν G ν J 2 2 nLwd I 8 ν ed t复合 e 1 G a ln r r 1 2 内 2 2 2L n c A21 n c G ν f ν f ν 2 2 2 2 f (ν) ν 8 ν 8 ν t复合
1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
5 4 半 导 体 激 光 器
2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频 率满足 EF EF hν Eg
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此 这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。
图(5-23) 固体的能带
图(5-24) 本征半导体的能带
2. 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能 带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。
在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级E F 和E F ，称为准费米能 级，如图(5-27)。
§
5 4 半 导 体 激 光 器 .
图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构
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5.4.2 PN结和粒子数反转
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
§
5 4 半 导 体 激 光 器 .
图(5-31) GaAs激光器的发射光谱
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5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ( P Pth ) hν P hν P D 外微分量子效率: D (i ith ) e (i ith ) e (i ith )V 功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 P P iV i 2 RS
2 2 1 8 ed J阈 a内 ln r1r2 2L c2
§
5 4 半 导 体 激 光 器 .
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5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间 分布示意图。