激光的原理及激光器分类
激光入门知识讲解
激光入门知识一、激光产生原理1、普通光源的发光--受激吸收和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。
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。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…）决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
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。
激光器的结构原理及应用
激光器的结构原理及应用1. 激光器的结构激光器是一种将能量转换为激光光束的装置，由多个部件构成，包括：1.激光介质：通常由固体、气体或液体构成。
激光介质的选择取决于应用需求和波长要求。
2.光泵源：激光器需要外部能量源将其激活，常用的光泵源包括电子束、闪光灯、半导体激光二极管等。
3.光腔：光腔是激光器中的一个空腔，通过在光腔中反射和放大光子来产生激光。
有三种常见的光腔结构：Fabry-Perot腔、光纤腔和共振腔。
4.反射镜：放置在光腔的两端，用于产生光的反射和放大。
2. 激光器的工作原理激光器的工作原理可以分为三个步骤：激活、放大和辐射。
•激活：通过光泵源提供能量，激发激光介质中的粒子。
激光介质可以是固体、气体或液体，当粒子被激活时，它们会跃迁到一个高能级。
•放大：在光腔中，激活的粒子与光子相互作用，产生光的反射和放大。
这个过程在反射镜之间的来回反射中不断进行，光的强度逐渐增强。
•辐射：当光的强度达到一定程度时，激光会从反射镜中射出，形成一束高度聚焦的激光光束。
3. 激光器的应用激光器具有许多广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：3.1 切割和焊接激光器可以通过将激光光束聚焦在物体表面，将其加热到高温并切割或焊接材料。
这种技术被广泛应用于金属切割、电子器件的焊接以及医疗手术中的组织切割。
3.2 医疗和美容激光器在医疗和美容领域有着广泛的应用，如激光治疗、激光除毛、激光去纹身等。
激光器的高度聚焦和可控性能够精确地处理皮肤问题，并缩短了康复时间。
3.3 通信激光器被广泛应用于光纤通信。
激光光束可以在光纤中传输大量的信息，并且具有低损耗和高带宽的优势。
激光器在光纤通信中起到了关键的作用。
3.4 材料加工激光器可以用于材料的刻蚀、打孔、表面改性等加工过程。
激光器的高度聚焦和较高的功率密度可以实现对微小细节的精确处理，广泛应用于电子元件的制造、印刷和纺织等行业。
3.5 科学研究激光器在科学研究中有着重要的应用，比如光谱分析、原子与分子物理、等离子体物理等领域。
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
激光器的分类介绍
激光器的分类介绍激光器是一种产生聚集一束光的装置，其主要特点是具有极高的单色性、方向性和相干性。
激光器广泛应用于医学、通信、制造、科学研究等领域。
根据原理和应用的不同，激光器可以分为多种类型。
下面将对常见的激光器分类进行介绍。
1.固体激光器固体激光器是利用其中一种固态材料产生激光的装置，通常包括晶体激光器和玻璃激光器。
其中，晶体激光器利用激活态离子在晶体内部的能级跃迁发射激光，常见的晶体有Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体等；而玻璃激光器则是利用包含稀土离子（如Nd、Er）的玻璃产生激光。
固体激光器具有高效率、长寿命、较高的功率输出等优点，广泛应用于医学激光手术、材料加工等领域。
2.气体激光器气体激光器是利用气体的分子、原子激发态跃迁产生激光的装置，常见的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器等。
氦氖激光器（He-Ne激光器）是最早发展起来的激光器之一，主要用于教学演示、测量和光学仪器中；而氩离子激光器则具有较高的功率输出和较宽的光谱范围，适用于多种应用领域，如材料加工、光刻、医学等。
3.半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料，通过注入电子与空穴的复合辐射出激光的装置。
半导体激光器具有体积小、功率效率高、寿命短、驱动电流低等优点，广泛用于信息通信、光存储、激光打印等领域。
另外，半导体激光器还可以通过堆积多个激光二极管，形成多模或多波长激光，提高输出功率和多功能应用。
4.准分子激光器准分子激光器是利用被激发态分子在材料内部的能级跃迁产生激光的装置。
其中，较常见的准分子激光器是二氧化碳激光器（CO2激光器），通常工作在中红外光谱区域，广泛应用于工业加工（切割、焊接）、医学手术、测量等领域。
此外，还有氟化氢激光器（HF激光器）、分子氮激光器等。
5.光纤激光器光纤激光器是利用光纤内的激光表面反射和倍增效应产生激光的装置。
光纤激光器的输出光束质量好，功率密度高，可以实现对光束的精细调控和方向性扩展。
光纤激光器具有高可靠性、耐用性强等特点，广泛应用于通信、材料加工、医学等领域。
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。
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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+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、锐科、市创鑫、联品、安扬、大族。