半导体激光器和灯泵浦激光器的比较
典型激光器的比较
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：
69.43nm 0.0~10.1nm
工作方式：连续、脉冲 发 散 角 ： 10-3rad,一般为多模输出；
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CO2激光器结构图
1、激光管,包括：放电管、水冷套管和储气管；
2、光学谐振腔，常用平凹腔，反射镜镀金膜，反射率达98.8％
且化学性质稳定。反射镜需要应用透红外光的材料.
3、电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电 极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30~40mA的工作电流，阴
极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染。
金属材料的反射率
C、LD泵浦全固态激光器（DPSSL）的的技术发展
D、典型非线性变换全固态激光器
平均功率：110W 重复频率：1~30kHz; 脉宽：<230ns 不稳定性: <1.03%
E、基于全固态激光器的激光电视
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2、气体激光器
❖ CO2激光器 ❖ He-Ne激光器 ❖ Ar离子激光器 ❖ 准分子激光器
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。
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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工作过程
激光的几种分类方法
激光的几种分类方法激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐，目前工业用红外及紫外激光。
例如CO2激光器10.64um红外激光, 氪灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 氙灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 半导体侧面泵浦YAG激光器1.064um红外激光。
激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型：（ 1 ）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。
如：Nd:YAG激光器。
Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。
（ 2 ）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。
半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。
（ 3 ）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。
气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。
在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。
气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。
（ 4 ）以液体染料为工作物质的染料激光器于1966 年问世，广泛应用于各种科学研究领域。
现在已发现的能产生激光的染料，大约在500 种左右。
这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。
它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。
所以染料激光器也称为“液体激光器”。
染料激光器的突出特点是波长连续可调。
燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。
（ 5 ）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强（ 6 ）X 射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用X 射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能; 用X 射线激光拍摄分子结构的照片, 所得到的生物分子像的对比度很高。
激光器件作业部分答案
《激光器件》作业（1）1.说明激光产生的必要和充分条件。
简述激光器的基本组成部分及其功能。
激光器基本构成：1)工作物质：激光器的核心。
谱线波段，增益，结构形态。
2)泵浦源：电、光、热、化学能、核能激励。
激光电源，控制电路，能量转换效率。
3)光学谐振腔：为激光振荡建立提供正反馈；其参数影响输出激光束的质量。
稳定性，模式；镜片加工和镀膜工艺，调整精度4)辅助设施：散热系统，滤光设施。
调Q ，锁模，稳频，选模，放大。
产生激光的必要条件——粒子数反转：受激辐射要得到放大，必须辐射作用大于吸收作用。
要求上能级的粒子数大于下能级粒子数. 理想能级结构：上能级：亚稳态（长寿命），粒子数积累。
下能级：尽量清空。
产生激光的充分条件——阈值条件：激活介质的增益不小于损耗，才能产生激光振荡。
21G R ≥2. 判断谐振腔的稳定性(单位:mm) (1)R1=90, R2=40, L=100 (2)R1=20, R2=10, L=45 (3) R1=-40, R2=75, L=60 (4) R1=∞, R2=-10, L=501、稳定腔——傍轴光线在腔内任意多次往返不会横向逸出腔外 ()2211211,1101211R L g R L g g g D A -=-=<<<+<-其中或2、非稳腔——傍轴光线在腔内有限次往返必然从侧面溢出腔外 ()()121012112121-<+<>+>D A g g D A g g 即或即3.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别R1=-1.25m 及 R2=1.6m 。
(1)这是哪一类型谐振腔?(2)试确定腔长L 的可能取值范围, 并作出谐振腔的简单示意图。
凹凸镜；|g 1g 2|<14、画出下图所示谐振腔的等效透镜光路，并写出往返矩阵。
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛000000211110111011011101θθθθr T r D C B A r L f L f r注意：相乘时要反序乘；5. 某CO 2激光器采用平凹腔，L=50cm ，R=2m ，2a=1cm ，λ=10.6μm 。
半导体激光器和发光器件介绍
4、相干性好
自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的 杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只 有几个mm或几十cm。
激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上 有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序 的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术， HeNe激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。
原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光
0℃
输 出
25℃
光
功
70℃
率
50 100 150 电流/mA
LED驱动电路及伏安特性
RL为限流电阻
RLUccUF
I IF F
Ucc RL UF
UF和IF为二极管参数
例如：
GaAs电流选用20mA， GaP电流选用10mA，即可 获得足够亮度。
气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
发光二极管(Light emitting diode)
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时， 势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称 为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合， 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着 以光子形式放出能量，因而有发光现象。
灯泵浦Nd:YAG激光 器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm， 直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的 最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50800W。
激光内雕(新)
«激光原理及应用»课题探讨穿透的魅力——激光内雕课题： 激 光内 雕 班级：姓名：摘要玻璃激光内雕技术的发展经历了传统的白色激光内雕和现代的着色激光内雕两个阶段。
传统的白色激光内雕是通过在激光聚焦点的光强超过玻璃的损伤阈值而产生炸裂形成微裂纹，利用微裂纹对光的散射实现三维白色内雕。
本文主要介绍了有关激光内雕的发展、原理、技术、激光谐振腔、激光内雕机、发展前景等方面。
关键词：激光内雕激光内雕机激光谐振腔1.引言 (4)2.激光内雕的发展 (4)3.激光内雕的原理 (4)3.1激光内雕的基本思想 (4)3.2白色激光内雕的原理 (5)3.3激光单色着色机理 (6)3.4激光多色着色机理 (7)4.激光内雕中特殊构型—电光调Q Nd:YAG激光腔的研究 (8)5.水晶雕刻之魂——激光内雕机 (9)5.1激光内雕机工作机理与技术 (9)5.2雕刻过程中出现的问题及解决方案 (10)6.论激光内雕技术 (12)6.1激光内雕技术的可行性 (12)6.2激光内雕的发展展望 (12)7.参考文献 (13)在水晶礼品的柜台前，经常看到一些内部雕刻有一些图案的玻璃、水晶工艺品，欣赏着这些璀璨夺目、晶莹别透的水晶制品，很多人纳闷，这些图案是怎么雕刻进去的呢? 其实，通常见到的工艺品大多不是真正的水晶，而是人造水晶。
“激光”则是对人造水晶(也称“水晶玻璃”)进行“内雕”最有用的工具。
那么接下来就给大家介绍一些有关激光内雕产品及技术，一起揭开这些水晶工艺品神秘的面纱……2.激光内雕的发展激光内雕指的是对水晶等玻璃制品表面及体内文字、图形、图像的雕刻。
其制作的各类水晶玻璃工艺品具有晶莹剔透、冰清玉洁超凡脱俗的视觉形象，浸透出高贵典雅的艺术魅力。
作为一代新型的工艺技术，其经历了如下发展阶段[]1：第一阶段：内雕机是灯泵式白光机，内雕行业所谓的白光就是肉眼见不到的1 064 nm的红外光，这个波长的光能够用于内雕，但点子过于粗大使内雕的效果比较粗糙，因此图案的分辨率不高。
激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质
f
νGGf (νν)a内8cν221Lf2νlnν2erd1rJ2
J阈
a内
21Llnr1r2
8
22ed
c2
5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
5.2.3 Ar+离子激光器
1. Ar＋激光器的结构
➢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。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
2. Ar＋激光器的激发机理
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 ➢Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
➢图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激 光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。
➢He-Ne激光器是 典型的四能级系 统，其激光谱线 主要有三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器 ➢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＋)， 如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能 级模型
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-26) PN能带
➢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)。
图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构
半导体激光器和灯泵浦激光器的比较
灯泵浦激光器与半导体泵浦激光器比较半导体及灯泵浦激光器都是采用ND:YAG（掺钕钇铝石榴石）晶体作为激光产生的材料，它可将808nm的可见光转换为1064nm的不可见的激光，但输出激光的另一个更关键的因素是使晶体棒输出激光的泵浦源，半导体泵浦是利用半导体二极管发出808nm的光波；而灯泵浦是利用氪灯发出的光来泵浦，但氪灯发出的光的光谱较广，只是在808nm处有一个稍大的峰值，其它波长的光最后都变成无用的热量散发掉了。
因此半导体泵浦的激光器的转换效率比灯泵浦要高得多得多。
优点如下：一．免维护不需换氪灯要更换氪灯，尤其是对于金属类打标，所需的能量较大，氪灯的寿命会更受影响半导体二极管的寿命长，其额定的工作时间大于10000小时，而氪灯的寿命只有几百小时（一般在400-600小时左右），所以灯泵浦激光器在工作一段时间后，都需更换氪灯。
因此半导体泵浦激光器又称为免维护激光器，意指其工作无耗材，在相当长的时间内不需要维护。
我公司为更有效的延长半导体激光器二极管泵浦源的使用寿命，采用了预燃加变频控制技术，即在保证发光管不受电流冲击的前提下，根据工作量和强度，最大幅度地减少通过发光二极管的电流密度，从而有效的延长了半导体二极管的使用寿命。
根据不同用户的不同的生产任务，半导体激光器发光二极管的使用寿命可以保证在一年到三年之间。
每台半导体泵浦打标机可节省换灯耗材费用为：大于12支灯/年*350元/支*3年=1.26万元。
灯泵浦激光打标机需常停机换氪灯,对于很多大的生产线是难以容忍的.由于氪灯的寿命不一，这样又有可能因为国产灯质量的不均衡造成氪灯使用上的更多的浪废！所以改用半导体打标机可以大大节省停工维护造成的人力和物力的损失。
二．省电由于半导体泵浦的转换效率高，模式好，更易聚焦出高能量的更小面积的光点，标记同样的物体时，其所需的外部能量越小。
同时其产生的废热也大大小于灯泵浦激光器，决定了其不需要灯泵浦激光器那样庞大的冷却系统。
半导体系列激光打标机原理与特点
半导体系列激光打标机原理与特点1、半导体激光打标原理半导体泵浦激光器即激光二极管（记作LD）阵列受激泵浦激光晶体产生激光。
它是前苏联科学家巴索夫于1960年发明的。
半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。
半导体激光器体积小、寿命长、输出功率大、效率高，采用简单的电流注入方式泵浦。
半导体泵浦激光器的优点：电光转换效率高（激光可实现9~12%的转换效率），尺寸小，耦合效率高，响应速度快，可直接调制，相干性好。
2、半导体激光打标特点传统的固体激光器通常采用高功率气体放电氪灯或氙灯泵浦，其泵浦效率约为3%到6%。
泵浦灯发射出的大量能量转化为热能不能利用，不仅造成固体激光器需采用笨重的冷却系统，而且大量热能会造成工作物质不可消除的热透镜效应，使光束质量变差。
加之泵浦灯的平均寿命约为几百个小时，操作人员定期更换新灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低。
与传统灯泵浦激光器比较，半导体泵浦激光器具有以下优点：● 耗电低而转换效率高激光二极管（半导体）属冷光源，电光转换效率高而产生热量较少。
由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光电转换效率很高，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵浦固体激光器高出一个量级，因而二极管泵浦激光器可省去笨重的水冷系统，体积小、重量轻，结构紧凑。
● 性能可靠、寿命长激光二极管的寿命远远长于普通闪烁灯，不需更换。
泵浦光的能量稳定性好，性能可靠，为全固化器件，免维护，使用寿命长，尤其适用于大规模生产线。
● 输出光束质量好由于激光二极管较闪烁灯发光更为连续稳定，发光质量更好，加之半导体泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量。
3、适用材料范围可广泛应用于电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、食品及医药包装、PVC管材、医疗器械等行业。
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灯泵浦激光器与半导体泵浦激光器比较
半导体及灯泵浦激光器都是采用ND:YAG（掺钕钇铝石榴石）晶体作为激光产生的材料，它可将808nm的可见光转换为1064nm的不可见的激光，但输出激光的另一个更关键的因素是使晶体棒输出激光的泵浦源，半导体泵浦是利用半导体二极管发出808nm的光波；而灯泵浦是利用氪灯发出的光来泵浦，但氪灯发出的光的光谱较广，只是在808nm处有一个稍大的峰值，其它波长的光最后都变成无用的热量散发掉了。
因此半导体泵浦的激光器的转换效率比灯泵浦要高得多得多。
优点如下：
一．免维护不需换氪灯
要更换氪灯，尤其是对于金属类打标，所需的能量较大，氪灯的寿命会更受影响半导体二极管的寿命长，其额定的工作时间大于10000小时，而氪灯的寿命只有几百小时（一般在400-600小时左右），所以灯泵浦激光器在工作一段时间后，都需更换氪灯。
因此半导体泵浦激光器又称为免维护激光器，意指其工作无耗材，在相当长的时间内不需要维护。
我公司为更有效的延长半导体激光器二极管泵浦源的使用寿命，采用了预燃加变频控制技术，即在保证发光管不受电流冲击的前提下，根据工作量和强度，最大幅度地减少通过发光二极管的电流密度，从而有效的延长了半导体二极管的使用寿命。
根据不同用户的不同的生产任务，半导体激光器发光二极管的使用寿命可以保证在一年到三年之间。
每台半导体泵浦打标机可节省换灯耗材费用为：大于12支灯/年*350元/支*3年=1.26万元。
灯泵浦激光打标机需常停机换氪灯,对于很多大的生产线是难以容忍的.由于氪灯的寿命不一，这样又有可能因为国产灯质量的不均衡造成氪灯使用上的更多的浪废！所以改用半导体打标机可以大大节省停工维护造成的人力和物力的损失。
二．省电
由于半导体泵浦的转换效率高，模式好，更易聚焦出高能量的更小面积的光点，标记同样的物体时，其所需的外部能量越小。
同时其产生的废热也大大小于灯泵浦激光器，决定了其不需要灯泵浦激光器那样庞大的冷却系统。
所以半导体泵浦的激光器系统的功耗比灯泵浦小得多。
一个50W的灯泵浦激光标记机的功耗在6KW左右，而一个50W半导体激光标记机的功耗只在2KW左右，以三年为例，一天工作24小时，一个月工作28天，一度工业用电1.1元人民币，光耗电一项，一台半导体激光器就比一台灯泵浦激光器节省（6-2）KW*24小时*28天*12月*3年*1.1/度=10.645万元人民币！
三．标记效果更好
由于半导体二极管几乎只发一种波长的光，所以由半导体泵浦产生的激光的单色性更好，激光的模式更佳，好的激光模式会使激光聚焦后的光点更小，能量更集中，取得更好的标记效果。
四．体积小
半导体激光模块本身体积小巧，加上其激光模式好，因此半导体泵浦激光器的体积比灯泵浦激光器的体积小近三分之一。
半导体泵浦激光器产生废热少，所需冷却系统小，一般只需一匹的冷水机即可，灯泵浦激光器一般都需要2匹以上的冷水机，同时需要较大水泵以提供较大的冷却水流。
因此灯泵浦激光标记机的运行噪音较大，同时庞大的冷水机会产生更多的热量，尤其在南方夏季，环境气温较高，这些多余的热量会使工人的工作环境更恶劣，或者需要更多的空调系统来调节工作环境的温度，增大了生产成本。
总之使用半导体激光器比采用灯泵浦激光器，虽然每台打标机的价格稍高，但每台打标机3年内的使用成本可以准确计算出的就会节省11.905万元人民币，这还不包括换灯造成停工待机从而影响生产的损失（用户可自行计算），换灯人员的开支，以及灯质量不齐造成的浪费、维护生产环境增加的空调降温费用等等。
系统特性
1.激光波长：1064nm
2.激光功率：半导体泵浦固体激光模块平均功率：50W
3.调制频率：200Hz—50KHz
4.打标速度：0-7000mm/s
5.打标深度：0.3mm（视材料可调）。
6.打标线宽：0.02-0.2mm
7.打标范围：Φ65-Φ140mm（还可满足更大特殊要求）
我们积极建议用户采用半导体激光打标机，免维护，高效率，输出能量高，打标效果好，噪音小,价格合理,大幅度的降低成本，节约开支。