第2章 典型激光器介绍大全
激光原理 第2章 激光器的工作原理
式中同样采用了 A2 A21 的简化并且假设简并度 g1 g2 即 B21 B12 n 两式相加得到 ( R1 R2 ) n1 A1 1 n1 ( R1 R2 ) 1 n10
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（第1章）
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福建师范大学光电学院
低能级粒子数密度代入速率方程组，解得高能级上 粒子数密度为
③
dn0 dn1 dn2 0 dt dt dt
④
0 dn2 dn10 0 0 速率方程组： R2 n2 A2 0 R1 n2 A2 n10 A1 0 dt dt 23
（第1章）
福建
利用爱因斯坦系数和能激寿命之间关系，可以由小 信号工作时的简化速率方程组导出 0 n10 n2 0 0 R1 n2 A2 n10 A1 R2 n2 A2
（第1章）
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2. 半经典理论：用麦克斯韦方程组描述光频电磁场，应 用量子力学理论描述物质原子。１９６４年，兰姆应用该 理论建立了激光器理论，很好地揭示激光器中大部分的物 理现象，如：强度特性、增益饱和效应、多模耦合与竞争 效应，激光振荡的频率牵引与推斥效应等。其缺点是在于 不能反映与激光场的量子特性有关现象的规律性,数学处 理过于复杂。 ３.量子理论：应用量子电动力学的处理方法，对物质原 子系统和光频电磁场都作量子化处理，将两者作为统一的 物理体系加以研究。需严格地确定激光的相干性和噪声以 及线宽极限。
3
（第1章）
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（1）稳定腔的表达式
光学谐振腔的稳定与否是由谐振腔的几何形状决定的 共轴球面腔结构：两个反射镜的 球心连线为光轴，整个系统总是
R1
O1
O2
R2
常用激光器简介
几种常用激光器的概述一、CO2激光器1、背景气体激光技术自61年问世以来，发展极为迅速，受到许多国家的极大重视。
特别是近两年，以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速，已成为气体激光器中最有发展前途的器件。
二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”，而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。
1961年，Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。
在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate 研制出第一支二氧化碳分子气体激光器，输出功率仅为1毫瓦，其效率为0.01%。
不到两年，现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦，其效率为17 %，电源激励脉冲输出功率为825瓦，采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。
最近，有人认为，进一步提高现有的工艺水平，近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。
2、工作原理CO2激光器中，主要的工作物质由CO₂，氮气，氦气三种气体组成。
其中CO₂是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。
加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。
氮气加入主要在CO₂激光器中起能量传递作用，为CO₂激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。
CO₂分子激光跃迁能级图CO₂激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。
放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。
这时受到激发的氮分子便和CO₂分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO₂分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。
3、特点二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点：（1）工作波长处于大气“窗口”，可用于多路远距离通讯和红外雷达。
（2）大功率和高效率( 目前，氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦，其效率为0.17 %，原子激光器的连续波输出功率一般为毫瓦极,其效率约为0.1%，而二氧化碳分子激光器连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17%）。
典型激光器的原理与应用
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。
各种激光器的介绍
四、 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器
高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分结构如图(5-8)所示。
3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) 工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而 成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(5-4)所示
图(5-4) Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5) 所示。它属于四能级系统。 荧光谱线中心波长为1.35um和1.06um；由于 1.06um比1.35um波长的荧光强约4倍，所以激光振 荡中，将只产生1.06um的激光
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
一、氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的结构形式很多，但都是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。
1. He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。 He-Ne激 光器工作物 质为Ne原子， 即激光辐射 发生在Ne原 子的不同能 级之间。He 主要起提高 Ne原子泵浦 速率的辅助 作用。
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
二、固体激光器的泵浦系统
1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多 为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。 2. 泵浦光源应当满足两个基本条件：一是有很高的发光效率；二是辐射光的光 谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配
典型激光器介绍
典型激光器的原理、特点及应用摘要：本文介绍了四种典型的激光器，固体、气体、染料和半导体激光器，并分别介绍了特点及应用。
关键词：典型激光器，原理和特点，应用一、引言自梅曼发明了第一台红宝石激光器至今，激光器得到了飞速发展，在激光工作物质方面也得到了很大的改进，激光器根据激活媒质可分为固体、气体、染料和半导体激光器。
各类激光器各有特色，并在相关的领域里发挥着重要的作用。
二、固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。
最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：Y AG)等三种。
图1是固体激光器的基本结构示意图。
图1 固体激光器的基本结构示意图1．红宝石(Cr3＋：A12O3)红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。
它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，铬离子与激光产生有关的能级结构如图2所示。
它属于三能级系统，相应于图（1-3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。
它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为694.3nm和692.9nm。
由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(694.3nm)。
红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。
红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。
随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。
因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。
目前在医学方面和动态全息方面还有应用价值。
各种典型激光器原理全
1966年,世界上第一台染料激光器———由红宝石激光器泵 浦的氯铝钛花青染料激光器问世。
第一节 概述
4)．半导体激光器
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 (LaserDiode,缩写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 光器的工作特性有其特殊性。
第一节 概述
二、分类及输出特性
激光器种类繁多,习惯上主要按照以下两种方式划分:一种是 工作物质,另一种是按照激光器工作方式。 1 按照激光工作物质 1） 气体激光器 气体和金属蒸气作为工作物质。 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。
第一节 概述
半导体激光器波长覆盖范围一般在近红外波段(920nm～ 1.65μm),其中与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、使用寿命长(一般可达数十万乃至百 万小时以上)等突出特点。
半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处理、 科研、医疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全息照相、 办公自动化、激光准直及激光医疗等方面。
自由电子激光器在未来的生物、医疗、核能等领域具有重要的 应用前景
第一节 概述
7）．X射线激光器
X射线激光器输出激光波长位于X射线波段(1～ 10nm)。
X射线激光器工作物质为高度电离的等离子体,采用 光泵浦,但需要特殊的X射线泵浦源。
第一节 概述
8)． 光纤激光器
工作物质:以掺入某些激活离子的光纤,或者利用光纤自身的非 线性光学效应制成的激光器。
第一节 概述
典型激光器简介
非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主
21
钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加
宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料
而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～
3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽
大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱 和特性与均匀加宽工作物质相似。
光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q
固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。 对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平
行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度
<1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部
寄生振荡，端面镀有增透膜
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光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成
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应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等 激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直等等
1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世
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(5) 化学激光器
通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射 工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘
激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光
②
分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。 主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代 表CO2激光器
6
③
准分子激光器：分子激光器的一种。 准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的 不稳定缔合物。 激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。 采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等 典型代表：XeF准分子激光器
典型激光器介绍大全(精华版)ppt课件
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。
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– 自由电子激光器 • 激光运转方式:
– 连续 – 脉冲
• 单脉冲 • 重复频率 • 准连续
• 激光调制方式
– 自由运转 – 调Q – 锁模
1. 固体激光器
分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。
目前已实现激光振荡的不同基质——掺杂体系的 工作物质有200多种，但是，性能好，使用广泛的主 要有下面三种。
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。
（1）氦-氖激光器
工作物质：氦氖混合气体
激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件， 提高激光器输出功率的作用。
输出波长：常用的为 =632.8nm
根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。
（=3.39μm ；=1.15μm）
脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦， 脉宽小于10nS，重复频率数十Hz~数千Hz，主要用作染 料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、医学及 光化学方面。常见波长：337.1nm、357.7nm
氮分子激光器VSL337ND-S Nitrogen Laser
3. 半导体激光器
由不同组分的半导体材料做光器
3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser
The high-performance, tunable, solid state IR laser
输出波长从675到1100nm 由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦 TEM00输出功率可达3.5W cw
（2）CO2 激光器
工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激 光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用 寿命。
输出波长： =10.6μm
CO2 激光器是输出 功率最高的气体激光 器，有连续输出50kW； 脉冲输出1012W的激光 器。
（3）氩离子气体激光器 输出波长： =488nm； =514.5 nm ；
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
铜蒸气激光器
一般通过电子碰撞激励，两条主要的工作谱线是 波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光，典型脉冲宽度 10～50nS，重复频率可达100KHz。当前水平一个脉冲 的能量为1mJ左右。这就是说，平均功率可达100W，而 峰值功率则高达100KW。
（3）氮分子激光器
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溶于甲醇或者乙二醇。
工作原理
• 将充有染料溶液盒放 置于激光腔内，提供 泵浦，产生激光。
• 用光栅代替反射镜。 激发辐射带宽降低到 0.5 Å，可以让激光 在整个荧光带范围内 调节。
• 泵浦可以用闪光灯来 实现，得到的激光脉 宽1ms，峰值功率几 kW，重复频率1Hz。 也可以用固定波长激 光器泵浦。
温州大学研究生课程 激光先进制造技术
第2章 典型激光器介绍
2013年秋·机电工程学院
典型激光器
1、 常见激光器概述
激光器的分类
已记录到的激光振荡波长有一万种以上。
• 按激光工作介质：
• 按化学组成：
– 固体激光器 (光纤激光器）
– 气体激光器 – 半导体激光器 – 染料激光器
– 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
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
4、液体激光器
❖ 以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质 的激光器
优点： ❖ 波长可调谐，调谐范围宽 ❖ 光谱分辨率高 ❖ 结构简单 ❖ 价格便宜 ❖ 稳定性差
若丹明6G（Rhodamine 6G）
工作方式：连续、脉冲 发 散 角 ： 10-3rad，一般为多模输出；
泵浦功率>阈值10~20%→单模
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）
工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲
因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
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。
DFB半导体激光器示意图 DBR半导体激光器示意图
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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Dye laser output curves of some common laser dyes
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5、自由电子激光器
（1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质
= 1.053 μm
由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可制成大 型器件，获得高能量和功率的激光，现已制成输出功率 1014W激光器。
（2）红宝石激光器 工作物质：红宝石晶体
输出波长： 输出线宽：
694.3nm 0.01 ~ 0.1nm
在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦~几百瓦。 氩/氪离子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser
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。
Applications
Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究
2. 气体激光器
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）