典型的激光器

典型的激光器第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日5.1激光器的分類和特點

激光器的基本結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)是激光器的核心,是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。泵浦源為在工作物質(zhì)中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。工作物質(zhì)類型不同,采用的泵浦方式不同。光學(xué)諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋,同時,諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、按照激光工作物質(zhì)1.氣體激光器最常見的有氦-氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦-鎘激光器和銅蒸氣激光器等。多數(shù)采用高壓放電泵浦。

1961年，世界上第一臺氣體激光器——氦氖激光器1964年，二氧化碳激光器1964年，氬離子激光器等幾種惰性氣體離子激光器1966年，銅蒸氣激光器1968年，氦-鎘激光器，以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質(zhì)

第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日2．固體激光器固體工作物質(zhì)通常是在基質(zhì)材料,如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子(激活離子),躍遷發(fā)生在激活離子不同工作能級之間。用作激活離子的元素可分為四類:三價稀土金屬離子、二價稀土金屬離子、過渡金屬離子和錒系金屬離子。用作基質(zhì)材料的有：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃等；金屬氧化物、氟化物晶體等。典型代表是紅寶石(Cr3+:Al2O3)激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光器、釹玻璃激光器。第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日激勵方式：多采用光泵浦,泵浦光源主要有閃光燈和LD兩類波長：覆蓋范圍主要位于可見光—近紅外波段。特點：激光譜線數(shù)千條,具有輸出能量大(多級釹玻璃脈沖激光器,單脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦)、運轉(zhuǎn)方式多樣等特點。器件結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、易于與光纖耦合進行光纖傳輸。應(yīng)用：工業(yè)、國防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光測距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學(xué)、激光核聚變等方面。1960年,世界上第一臺固體激光器———紅寶石激光器第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日3．半導(dǎo)體激光器：半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。半導(dǎo)體激光二極管,或簡稱激光二極管(LD)常用的半導(dǎo)體材料主要有:砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、硫化鎘(CdS)、碲錫鉛(PbSnTe)等。根據(jù)生成p-n結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同,半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙)、量子阱等多種類型。半導(dǎo)體激光器采用注入電流泵浦。第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日波長：覆蓋范圍一般在近紅外波段(920nm～1.65μm),其中1.3μm與1.55μm為光纖傳輸?shù)膬蓚€窗口。特點：能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進行高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長(一般可達數(shù)十萬乃至百萬小時以上)等突出特點。應(yīng)用：光纖通信、光存儲、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域,如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動化、激光準直及激光醫(yī)療等方面。1962年,世界上第一臺半導(dǎo)體激光器———GaAs激光器。第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日4．液體激光器分為二類:染料激光器和無機液體激光器。典型代表是染料激光器，已獲得廣泛的應(yīng)用。激勵方式：多采用光泵浦,主要有激光泵浦和閃光燈泵浦波長:覆蓋范圍為紫外到近紅外波段(300nm～1.3μm),通過混頻等技術(shù)還可將波長范圍擴展至真空紫外到中紅外波段。激光波長連續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的不足。應(yīng)用:科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、光生物學(xué)等方面。1966年,世界上第一臺染料激光器———由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器。第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日5．化學(xué)激光器通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光輻射的。工作物質(zhì)可以是氣體或液體,但目前主要是氣體,如氟化氫(HF)、氟化氚(DF)等。采用化學(xué)能激勵。為促成工作物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng),一般需采用一些引發(fā)措施,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。波長：覆蓋范圍為紫外到紅外波段,直至微米波段。特點：功率高、能量輸出高,無需外界提供泵浦源,可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點,特別適合于野外等無電源處工作。應(yīng)用：國防、科學(xué)研究等領(lǐng)域,如激光武器、同位素分離等。1964年,第一臺光解離碘原子化學(xué)激光器問世。第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日6．自由電子激光器是一種新型激光器。工作物質(zhì)是相對論電子束。所謂相對論電子束是指通過電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對論電子束的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠?。泵浦源為空間周期磁場或電磁場。具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長連續(xù)可調(diào)諧是自由電子激光器兩個最顯著的特點。自由電子激光器在未來的生物、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景

第十頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、按照激光器工作方式劃分激光器可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式,連續(xù)激光器脈沖激光器按照激光技術(shù)的應(yīng)用分為調(diào)Q激光器鎖模激光器穩(wěn)頻激光器可調(diào)諧激光器按照諧振腔腔型的不同分為非穩(wěn)腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型。第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日工作物質(zhì)：由固體基質(zhì)材料和少量摻雜離子兩部分構(gòu)成。其中物理性能由基質(zhì)材料體現(xiàn),而其光譜特性則由摻雜離子決定。基質(zhì)材料有晶體和玻璃兩大類：晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧化物晶體如Al2O3,石榴石型晶體YAG、YAP。氟化物晶體如CaF、LiYF4。玻璃則有硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽等。摻雜離子有四類:(1)三價稀土金屬離子:如釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、釤(Sm3+)、銪(Eu3+)、(2)二價稀土金屬離子,如釤(Sm2+)、鉺(Er2+)、銩(Tm2+)、鏑(Dy2+)等(3)過渡金屬離子,如鈦(Ti3+)、鉻(Cr)、鎳(Ni3+)、鈷(Co3+)等。(4)錒系金屬離子,多具有放射性,不易制備,其中,只有鈾(U3+)曾有所應(yīng)用。5.2固體激光器第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日一、一般激光器1.紅寶石激光器工作物質(zhì)：紅寶石棒（Al２O3晶體），其中摻0.05%的Gr3+。這些Gr3+濃度大約為1.62×1019cm-3，替代了一部分Al3+，紅寶石激光器有關(guān)有能級和光譜性質(zhì)都來源于Gr3+。

泵浦源:在Xe（氙）燈照射下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。聚光腔：使光泵的光更好的集中照射在激光棒上，采用圓柱面、單橢圓柱面、雙橢圓柱面、球面聚光腔。為提高對光線的反射率常采用黃銅或不銹鋼材料，內(nèi)壁經(jīng)拋光處理后鍍銀。光學(xué)諧振腔：多采用平行平面腔，為減小光斑尺寸也采用平凹腔。第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日三能級系統(tǒng)：因而其器件閾值比較高,只能以脈沖方式運轉(zhuǎn)。模式競爭：通常只產(chǎn)生694.3nm的激光。a

躍遷到E和2A上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布，E:53%,2A:47%.bR1線的強度>R2線，使R1線的受激輻射幾率更高。因此R1線先達到閾值形成激光振蕩。由于兩者能級差很小，粒子交換頻繁，E上的粒子躍遷后，2A能級上的粒子迅速轉(zhuǎn)移到該能級，從而進一步抑制了R2線的振蕩。優(yōu)點：機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性高，能承受很高的激光功率密度，易生成較大尺寸；亞穩(wěn)態(tài)壽命長，儲能大，可獲得大能量輸出；熒光譜線較寬，易獲得大能量單模輸出；低溫性能優(yōu)良，輸出可見光。缺點：三能級系統(tǒng)，閾值高；隨溫度變化明顯，室溫下不適于做連續(xù)高頻器件；激發(fā)效率較低，不適合連續(xù)工作；輸出發(fā)散角較大，方向性不好。第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日紅寶石激光器的應(yīng)用眼科：用于視網(wǎng)膜的焊接、治療青光眼、虹膜的切除等；皮膚科：694.3nm的可見紅光最不易被氧化血紅蛋白吸收，而黑色素對其吸收率較高。利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)出的特定波前以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定條件下使其再現(xiàn)，形成元物體逼真的立體像。在玉石上打孔第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.摻釹釔鋁石榴石激光器(Nd3+:YAG)工作物質(zhì)：在基質(zhì)晶體YAG(Y3Al5O12)中摻入1%的Nd3+作激活離子形成。有關(guān)有能級和光譜性質(zhì)都來源于Nd3+。四能級系統(tǒng)：閾值低，能在室溫下連續(xù)工作，是實用最廣泛的固體激光器。譜線競爭：通常輸出兩種熒光，1.064μm和1.35μm，其中1.064μm比1.35μm的熒光約強四倍，1.064μm的譜線先起振，進而抑制1.35μm譜線起振，所以通常只輸出1.064μm的激光。1.06μm的受激躍遷截面σ=8.8×10-19cm2，是紅寶石694.3nm躍遷截面的35倍，所以它的振蕩閾值低，容易實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)。第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日紅寶石激光器YAG激光器工作物質(zhì)Al2O3+Cr2O3:Cr3+決定光譜性能Al2O3+Y2O3+Nd2O3:Nd3+決定光譜性能物理過程三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)激光譜線694.3nm+629.9nm：694.3nm占優(yōu)勢1350nm+1064nm：1064nm占優(yōu)勢泵浦源脈沖氙燈氪燈由于固體激光器的工作物質(zhì)是絕緣晶體，所以一般用光泵浦源激勵優(yōu)缺點閾值高、溫度效應(yīng)非常嚴重、室溫下不適于連續(xù)和高頻工作閾值低，有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)、適于連續(xù)和高頻工作；是目前能在室溫下連續(xù)工作的位移使用的固體工作物質(zhì)特點輸出能量大，峰值功率高第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日3.釹玻璃激光器工作物質(zhì)：在硅酸鹽玻璃中摻入Nd2O3形成的，在不同種類的硅酸鹽玻璃中，Nd3+的能級結(jié)構(gòu)大同小異。四能級系統(tǒng)：激光中心波長為1.059μm，激光譜寬5-10nm，單色性極差。因此需要的泵浦功率閾值很大，一般用脈沖的形式工作。應(yīng)用：輸出功率很大，可用于材料加工、激光武器，激光放大等。優(yōu)點：工藝成熟，易獲得良好的光學(xué)均勻性，玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。缺點：導(dǎo)熱率太低，熱彭系數(shù)太大，因此不適于制作連續(xù)器件和高頻運轉(zhuǎn)的器件，且在應(yīng)用時要特別注意防止自身破壞。第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、板條激光器(SlabGeometryLaser,SGL)圓棒狀工作物質(zhì)：溫度梯度方向與光傳播方向垂直，將產(chǎn)生嚴重的熱透鏡效應(yīng)和熱光畸變效應(yīng)，光束質(zhì)量低，限制了激光功率的進一步提高。板條狀工作物質(zhì)：溫度梯度發(fā)生在板條厚度方向上，而光在厚度方向的兩側(cè)面(即泵浦面)上發(fā)生內(nèi)全反射，呈鋸齒形光路在兩泵浦面之間傳播，光傳播方向近似與溫度梯度方向平行，可基本避免熱透鏡效應(yīng)和熱光畸變效應(yīng)，大幅度提高了激光輸出功率。第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日單根板條激光器連續(xù)輸出功率已超過千瓦，脈沖輸出能量超過百焦耳，例如長X寬X厚=210x25x6mm3

的Nd:YAG板條，輸出功率達1.2kw，斜效率8.5%。缺點是發(fā)散角較大，技術(shù)復(fù)雜。其發(fā)展方向是用大功率半導(dǎo)體列陣激光器側(cè)向面泵浦，以獲得更高的效率和更好的光束質(zhì)量。2012年羅芬公司漢諾威國際金屬板材加工技術(shù)展覽會展出了其暢銷的板條激光器，型號為DC040的產(chǎn)品其平均輸出功率高達4000瓦特，其優(yōu)點在于維護費用較低、光速質(zhì)良好、穩(wěn)定可靠。目前，羅芬公司生產(chǎn)的輸出功率達8000瓦的CO2板條激光器已經(jīng)在世界各地投入使用了。第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日三、摻雜光纖激光器光纖：光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導(dǎo)工具。光在光導(dǎo)纖維中的傳導(dǎo)損耗比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞。1.光纖第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日

以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構(gòu)成諧振腔，泵浦光從M1入射到光纖中，從M2輸出激光。當(dāng)泵浦光通過光纖時，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵到較高的激發(fā)能級上，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的粒子以輻射形成從高能級轉(zhuǎn)移到基態(tài)，輸出激光。特點：光纖的纖心很小，纖內(nèi)易形成高功率密度，轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低、激光質(zhì)量好；輸出的激光譜線多；光纖的柔繞性很好，易散熱。2.光纖激光器第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日3.優(yōu)點（1）成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢；（2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；（3）具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，轉(zhuǎn)換效率較高，閾值低；（4）輸出激光波長多：稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；（5）可調(diào)諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。（6）諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。（7）光纖導(dǎo)出，能輕易勝任各種多維空間加工應(yīng)用，使機械系統(tǒng)的設(shè)計變得非常簡單。（8）對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。（9）不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風(fēng)冷。（10）高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運行成本。（11）高功率,商用化的光纖激光器是六千瓦。第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日4.應(yīng)用光纖通信、激光空間遠距詢信、造船、汽車制造、激光雕刻機、激光打標機、激光切割機、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水.包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等。光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。不過，在短期內(nèi)，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上，隨光纖激光器的普及，成本的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會替代掉全球大部分高功率CO2激光器和絕大部分YAG激光器。第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日四、摻鈦藍寶石激光器鈦寶石晶體不僅具有良好的熱傳導(dǎo)和機械性能,較高的飽和通量,更重要的是它寬于500nm的波長調(diào)諧范圍為現(xiàn)存的任何激光介質(zhì)所無法比擬。利用不同的泵浦源和泵浦方式,人們成功地研制了各種鈦寶石激光器。鈦寶石激光器的優(yōu)點還在于其結(jié)構(gòu)簡單和工作穩(wěn)定,所以它已經(jīng)在許多方面替代了長期占據(jù)激光領(lǐng)域的染料激光器的地位。第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日五、LD泵浦的固體激光器半導(dǎo)體泵浦固體激光器，是近年來國際上發(fā)展最快，應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長的LD代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來對激光晶體進行泵浦，被稱為第二代的激光器。是一種高效率、長壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊小型化的第二代新型固體激光器，在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學(xué)，醫(yī)療器械，光學(xué)圖象處理，激光打印機等高科技領(lǐng)域有著獨具特色的應(yīng)用前景。第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日優(yōu)點低功耗：傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效率大約只有3%左右，能量大部分轉(zhuǎn)換成了熱能，造成了極大的能源浪費。而半導(dǎo)體泵浦固體激光器被激光晶體吸收的808nm波長的激光，光光轉(zhuǎn)換效率可高達40%以上。性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達15000小時以上，閃光燈的壽命只有300—1000小時。泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個能量級，性能可靠，可制成全固化器件。運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。輸出光束質(zhì)量好：由于半導(dǎo)體泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限。第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日分類可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào)Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀。泵浦的耦合方式可為端面泵浦和側(cè)面泵浦。其中端面泵浦方式適用于中小功率固體激光器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、空間模式匹配好等優(yōu)點。側(cè)面泵浦方式主要應(yīng)用于大功率激光器。第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日5.3氣體激光器原子氣體激光器：典型代表是He-Ne激光器。分子激光器：典型代表CO2激光器、N2激光器和準分子激光器。離子激光器：典型代表是Ar+和He—Cd離子激光器。特點：光學(xué)均勻性一般都比較好，在單色性和光束穩(wěn)定性方面都比固體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體(染料)激光器優(yōu)越。激光譜線極為豐富，達數(shù)千種，分布在從真空紫外到遠紅外波段范圍內(nèi)。濃度不高，多數(shù)氣體激光器都有瞬時功率不高的特點。多采用氣體放電或電子束激勵的方法以實現(xiàn)泵浦工作氣體中，除能產(chǎn)生激光發(fā)射的氣體之外，一般還含有一些輔助氣體，如各種惰性氣體及氮、氧等。第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日一、氦氖激光器1961年研制成功的第一種氣體激光器，也是最常用的一種。通常在可見光頻段（632.8nm）工作，其他還有1.15μm及3.39μm。目前已獲得612nm、594nm、543nm的激光輸出。功率一般約數(shù)毫瓦，連續(xù)發(fā)光。放電管長1-2米的激光器輸出功率科大數(shù)十毫瓦，最大可達1W。制造方便、較便宜、可靠、光束質(zhì)量好（發(fā)散角小于1mrad，帶寬小于20Hz）四能級系統(tǒng)。第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.He—Ne激光器的結(jié)構(gòu)He—Ne激光器的結(jié)構(gòu)形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學(xué)諧振腔組成。

圖1內(nèi)腔式He—Ne激光器的結(jié)構(gòu)第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日放電管通常由毛細管和貯氣室構(gòu)成，是產(chǎn)生激光的地方。放電管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)氣體(氣壓比5:1-7:1），當(dāng)電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激發(fā)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室與毛細管相連，并不發(fā)生氣體放電，其作用是補償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成He、Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。

He-Ne激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。

為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。電極第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日諧振腔He-Ne激光器由于增益低，諧振腔一般采用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，透過率約1%～2％，凹面鏡為全反射鏡。He-Ne激光管的結(jié)構(gòu)按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。按陰極及貯氣室位置的不同又可分為同軸式、旁軸式和單細管式。圖2He—Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.He—Ne激光器工作原理He-Ne激光器是利用原子中的電子—電子能級之間的躍遷。它可以在0.6328m,3.39m和1.15m三個中的任何一個波長上實現(xiàn)激光振蕩。He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，能級結(jié)構(gòu)如圖3所示。泵浦激發(fā)機制：在He-Ne混合氣體中進行直流放電時，高能電子把He原子由基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，21s0和23s2作為吸收帶。通過近共振能量轉(zhuǎn)移，使Ne原子激發(fā)到2s2和2S3能級上作為激光上能級第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日譜線競爭0.6328m和3.39m兩種振蕩具有同一個上能級,因此它們之間存在著較強的譜線競爭。3P4的壽命比2P4的短，允許建立起相應(yīng)于3.39m振蕩的大的反轉(zhuǎn)分布,使得3.39m振蕩的增益大于0.6328m振蕩的增益，所以3.39m首先達到閾值，正常的振蕩發(fā)生在3.39m而不是0.6328m。一旦3.39m振蕩發(fā)生，3S上的反轉(zhuǎn)數(shù)被消耗，0.6328m的增益受到抑制，阻礙了3S上原子數(shù)的進一步增加，因此限制了0.6328m振蕩的發(fā)生。為了保證0.6328m的振蕩，必須抑制3.39m振蕩。0.6328m與1.15m振蕩共同使用一個下能級，因而也將發(fā)生譜線競爭。這兩條譜線間的競爭較0.6328m和3.39m兩條譜線間的競爭弱一些。第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日3.輸出功率的影響因素毛細管的長度和直徑、諧振腔的損耗、輸出耦合、放電電流、He和Ne的比例以及氣體的壓強等都會影響工作物質(zhì)的增益吸收系數(shù)，從而影響He-Ne激光器的輸出功率。第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、Ar+離子激光器離子激光器是目前可見光區(qū)最強的相干光源。離子氣體激光器輸出的波長范圍很寬，從紫外2358?一直到近紅外1.355m，已觀察到400多條譜線，大多數(shù)落在可見光范圍。一般分為氣體離子激光器（它包括惰性氣體離子激光器和分子氣體離子激光器）和金屬蒸氣離子激光器。氬離子激光器是一種惰性氣體離子激光器。它輸出的激光波長主要是0.4880m和0.5145m的藍綠光。連續(xù)輸出功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見區(qū)連續(xù)輸出功率最高的激光器。第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.氬離子激光器的結(jié)構(gòu)

氬離子激光器的結(jié)構(gòu)包括放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場等部分，如圖6所示。第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.氬離子激光器的工作特性（1）光譜特性：主要輸出488nm和514.5nm的光。（2）輸出功率與工作電流的關(guān)系。（3）輸出功率與氣壓的關(guān)系。第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日3.氬離子激光器的應(yīng)用第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日三、CO2激光器二氧化碳激光器，可稱“隱身人”，因為它發(fā)出的激光波長為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連續(xù)方式產(chǎn)生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生波長10.6微米的激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長1米左右的放電管。它產(chǎn)生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)CO2激光器的種類多，應(yīng)用廣泛。從結(jié)構(gòu)來看，CO2激光器可分為：(1)縱向封離型激光器；(2)縱向流動激光器；(3)橫向流動激光器；(4)橫向激勵高氣壓激光器(TEA)；(5)射頻激勵激光器；（6）波導(dǎo)CO2激光器；（7）氣動激光器?？v向封離型激光器橫向流動激光器第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.二氧化碳激光器的工作原理第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日3.二氧化碳激光器的應(yīng)用第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日四、準分子光器準分子是束縛在電子激發(fā)態(tài)的分子，是一種處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合分子，無穩(wěn)定的基態(tài)。很快自動地離解成原子或其它分子團，從它產(chǎn)生到消失的時間只有幾十毫微秒。準分子分兩類；一類是同核二聚物，另一類是異核型準分子，如惰性氣體的氧化物和鹵化物等，以及金屬鹵化物等。特點：準分子壽命很短，只有10-8秒，激光躍遷的下能級是排斥態(tài)或壽命非常短(只有10-13秒)的弱束縛態(tài)，這就是說激光下能級總是空的。與其它分子激光器屬于束縛—束縛輻射躍遷的情形不同，準分子激光器屬于束縛-自由輻射躍遷。由于不存在明確的振動—轉(zhuǎn)動躍遷，所以躍遷是寬帶的。這就導(dǎo)致準分子激光器具有很高的閾值泵浦功率。當(dāng)然，寬帶輻射容易實現(xiàn)可調(diào)諧激光發(fā)射。

第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日5.4半導(dǎo)體激光器一、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識二、半導(dǎo)體激光器的工作原理三、半導(dǎo)體激光器的工作特性及參數(shù)四、半導(dǎo)體激光器的典型應(yīng)用和發(fā)展前景第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日非導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體}非導(dǎo)體：電子恰好填滿能量最低的一系列能帶，再高的各能帶全部都是空帶，由于滿帶不產(chǎn)生電流，所以不導(dǎo)電。價帶價帶價帶空帶空帶導(dǎo)帶導(dǎo)體：電子除填滿一系列能帶外，還有只是部分地被電子填充的能帶，后者起到導(dǎo)電作用，稱為導(dǎo)帶。一、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日滿帶：能帶中所有的能態(tài)均已被電子所填滿。最高的滿帶又稱價帶。導(dǎo)帶：一個能帶中只有部分能態(tài)填有電子，而其余的能態(tài)為沒有電子填充的空態(tài)。最低的空帶也稱為導(dǎo)帶。帶隙：價帶頂與導(dǎo)帶底之間的能量范圍。近滿帶：一個能帶的絕大部分能態(tài)已填有電子，只有少數(shù)能態(tài)是空的?？昭ǎ航鼭M帶中大量電子在外電場作用下所產(chǎn)生的電流,可等效為具有正電荷q和正有效質(zhì)量m*,速度為v(k)的準經(jīng)典粒子所產(chǎn)生的電流.這樣的準經(jīng)典離子稱為空穴。第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日本征半導(dǎo)體：完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。如Si、Ge的單晶體結(jié)構(gòu)，電子濃度=空穴濃度本征激發(fā)導(dǎo)電，載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。

N型半導(dǎo)體——導(dǎo)電主要靠電子的運動

P型半導(dǎo)體——導(dǎo)電主要靠空穴的運動雜質(zhì)的能級均位于帶隙中，根據(jù)雜質(zhì)是接收電子還是提供電子又分為施主能級和受主能級。第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日第五十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日PN結(jié)半導(dǎo)體二極管第五十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體激光器的工作原理在pn結(jié)加上正向偏置電壓后，電子從N區(qū)向P區(qū)流動，空穴從P區(qū)向N區(qū)流動，在作用區(qū)內(nèi)，電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。當(dāng)注入電流較小時，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴數(shù)目較少，此時只能自發(fā)輻射（熒光）；當(dāng)注入電流達到一定程度時，便向外輸出激光。常用工作物質(zhì)：GaAs、CdS、InP、ZnS等。激勵方式：電注入、電子束激勵和光泵浦。分類：同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種.同質(zhì)結(jié)：同一種半導(dǎo)體利用不同摻雜形成的pn結(jié)；異質(zhì)結(jié)：不同半導(dǎo)體形成的pn結(jié)；雙異質(zhì)結(jié)：三層結(jié)構(gòu)，外側(cè)為寬帶隙半導(dǎo)體，中間為窄帶隙半導(dǎo)體。第五十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日幾種典型的半導(dǎo)體激光器1.同質(zhì)結(jié)注入式電流激勵GaAsLD（1962年第一臺，厚度幾μm

）缺點：需要的電流密度很高，容易導(dǎo)致材料損傷；為能提供足夠激勵會產(chǎn)生多余而有害的熱，因此同質(zhì)結(jié)激光器只能在非常低的溫度下工作。2.異質(zhì)結(jié)GaAs/AlGaAs

LD（1970年，室溫下連續(xù)工作，厚度μm）單異質(zhì)結(jié)：有源區(qū)p-GaAs的上表面為不同材料形成的截面，因而具有較大的折射率差和光波約束作用；而下表面由同種基質(zhì)形成，折射率差僅由摻雜引起二數(shù)值較小，光約束效果較?。浑p異質(zhì)結(jié)：有源區(qū)p-GaAs的上下表面分別為p型和n型的AlGaAs