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CO?，氮气，氦气三种气体组成。其中CO?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CO?激光器中起能量传递作用，为CO?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。CO?分子激光跃迁能级图CO?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CO?分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO?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%）。
（3）结构简单，使用一般工业气体，操作简单，价格低廉。由此可见,随着研究工作的进展、新技术的使用，输出功率和效率会不断提高,寿命也会不断增长,将会出现一系列新颖的应用。例如大气和宇宙通讯、相干探测和导航、超外
差技术和红外技术等。
4、应用
二氧化碳分子激光器以其独有的特点获得广泛的应用，现就某些方面的应用介绍如下：
1、热效应的应用
可以毫不困难地把激光器的射束直径聚成100微米。在此情况下。300瓦的功率就相当于107瓦/厘米2数量级的能量密度，此值已超过太阳光的能量密度，能达到极高的温度。例如Garver公司研制的800 瓦二氧化碳激光器在2秒钟之内就能烧穿4寸厚的耐火砖。因而，可以想象这些分子激光器可以用于解决高温材料的焊接、融熔和钻孔。例如6200型二氧化碳激光器连续波输出10瓦，可用于硬质合金的焊接、高速蒸发、切割有机和无机玻璃材料。现在有人把二氧化碳激光器用作钻孔和爆破的一种辅助工具，这项研究正作为波士顿到华盛顿的高速地下运输技术的一个组成部分。
美帝的军事部门，正在探讨将这些器件用作武器的可能性。一种是利用轻便式二氧化碳激光器作杀人武器，由于10.6微米是不可见光，故其威胁较大。另一种作为反导弹武器，虽然现阶段能量不足以烧毁导弹，但能破坏导弹的热平衡。另外，由于它几乎能蒸发任何材料，所以能够用来改进等离子体的获得和用于质谱学。
2、光通讯和光雷达应用
二氧化碳分子激光器的上作波长正好处在大气的“窗口”，加上该器件的功率高，效率也高，因此，该器件在光通讯和光雷达方面的应用前途是很美好的。
美帝电子光学实验室NASA等单位正准备使用二氧化碳激光器作为高讯息率9x107[二进位/秒]的激光通讯系统。
NASA歌德空简飞行中心空对地激光通讯系统实验工作正在进行，使用的是连续波输出功率为20瓦的二氧化碳激光器，将传送106二进位/秒讯息。若实验成功，行星之间就可以传输电视图像。NASA歌德空间飞行中心还使用二氧化碳激光器进行深空探测，认为只要几百瓦连续波输出功率就可以实现。
美帝空军航空电子学实验室使用二氧化碳激光器制成光学多普勒导航系统。
前面报导的雷声公司研制的1200瓦小体积、大功率、高效率的二氧化碳激光器可作为激光跟踪导弹光雷达发射器。
3、在非线性光学方面的应用
使用10.6微米的二氧化碳激光器，借助锑和碲晶体一定的方向性，能够很容易产生二次谐波，贝尔电话实验室和法国通用电气公司研究中心在这方面已获得成功。锑和碲晶体是一种很有用的晶体，因为它们的非线性系数比
K.D.P高1000多倍，并且它们对5~25微米是可透射的。例如，贝尔电话实验室的Patel利用它制成第一个远红外参量放大器。使用10.6微米、10千瓦、160脉冲/秒的二氧化碳激光器来作为泵浦源，讯号频率由氦氖激光器提供，可在碲晶体中获得17.9微米波长的激光，可用于通讯和光学材料性能的研究。
二、准分子激光器
1、背景
准分子是一种在激发态复合成分子，而在基态离解成原子得不稳定缔合物，激光跃迁发生在束缚的激发态到排斥的基态，属于束缚——自由跃迁。1970年，巴索夫等利用强流电子束泵浦液态氙，获得Xe激光振荡，其波长在176nm，这是第一台准分子激光器，稍后美国洛斯阿拉莫斯实验室报道了气相氙的激光输出，并在Kr（145.7nm）、Ar（126.1nm）获得激光输出。1974年美国Kansan州立大学报道了稀有气体卤化物在紫外波段的强荧光辐射，这结果引起了激光界的极大兴趣，短短六个月，美国海军实验室便获得了溴化氙（282nm）激光输出，阿符科公司获得了氟化氙（351nm）、氟化氪（248nm）、氯化氙（308nm）的激光输出，桑迪亚实验室则获得了氟化氢（193nm）的真空紫外输出，每个脉冲能量达百焦耳以上。
2、工作原理
准分子激光是一种气体激光，它的工作气体是由常态下化学性质稳定的惰性气体原子如He、Ne、Ar、Kr、Xe和化学性质较活泼的卤素原子如F、Cl、Br等组成。一般情况下，惰性气体原子是不会和别的原子形成分子的，但是如果把它们和卤素元素混合，再以放电的形式加以激励，就能成为激发态的分子，当激发态的分子跃迁回基态时，立刻分解、还原成本来的特性，同时释放出光子，经谐振腔共振放大后，发射出高能量的紫外光激光。
这种处于激发态的分子寿命极短，只有10ns，故称为“准分子”( Excimer)。准分子激光器的谐振腔用于存储气体、气体放电激励产生激光和激光选模。它由前腔镜、后腔镜、放电电极和预电离电极构成，并通过两排小孔与储气罐相通，以便工作气体的交换、补充。为了获得均匀大面积的稳定放电, 一般的准分子激光器均采用了预电离技术，在主放电开始之前，预电离电极和主放电的阴极之间先加上高压，使它们之间先发生电晕放电，在阴极附近形成均匀的电离层。一般高压为20kV~ 30kV。气体放电时，脉冲高压电源加在电极上对谐振腔内的工作气体放电，发生能级跃迁产生光子，通过反射镜的反馈振荡，最后产生激光从前腔镜输出。
3、特点
准分子激光具有以下特性：
(1)由于“准分子”寿命极短，在共振腔内往复次数少，缺乏共振，因此光束指向性差,发散角一般为(2~10)毫弧度。
(2)不同的工作气体组合可产生191nm~ 354nm不同波长的紫外激光。
(3)单一脉冲的功率极高,约为(109~1010)W/cm，单一脉冲能量可达数个焦耳以上。
4、应用
眼科使用的准分子激光，是以氩气(Argon)和氟气(Fluoride)为工作气体产生的激光。其波长为193nm，属超紫外激光。由于波长极短，光子能量极高，达6. 4eV，因此可轻易地切断角膜组织的分子键，其切割精度可达二百万分之一厘米以下，同时由于每个脉冲波的时间极短，所释放的热能极少，因此对周边组织的伤害非常轻微，所以准分子激光非常适合做角膜切割手术。
目前准分子激光在眼科临床的应用主要包括两类：一类是用于治疗近视、远视和散光的矫治屈光不正手术。主要技术有准分子激光光学角膜切削术( Photorefractive Keratectomy，简称PRK)和准分子激光原位角膜磨镶术(Laser insituker-atomileusis，简称LASIK)，其中LASIK手术是目前发展最快，普及最广，技术应用最强的治疗屈光不正手术之一。另一类是准分子激光光学治疗性角膜切削术( Excimer laser pho-totherapeutic keratectomy, 简称PTK)，主要用于治疗角膜不规则散光、切除角膜浅层瘢痕等。
激光治疗屈光不正手术在十多年的发展过程中，随着高新技术的不断应用，技术日趋完美。从早期的大光斑扫描技术到现在广泛应用的小光斑飞点扫描技术，解决了术后中心岛效应和角膜浑浊问题，能够获得完美的光学抛面，使术面光滑、平整；角膜地形图的应用和波前像差引导下的个体化切削技术，使切削精度大大提高, 真正做到“量眼定做”；主动眼球跟踪技术解决了术眼转动产生的角膜偏中心切削，使准分子激光始终处于角膜中心约6mm大小的区域内进行渐进式切削，提高了手术的精确度。另外，随着准分子激光治疗屈光不正手术发展起来的其他技术如角膜板层刀技术、计算机辅助软件技术等等也有了长足发展，大大增强了手术的安全性。
随着科学技术的发展以及临床工作的不断深入和研究，准分子激光技术在医学领域必将取得更快的发展, 为人类带来更好地服务。
其次，准分子激光的切割，与金刚石刀相比，切口位置及深度可精确控制，XeCl准分子激光器用于使动脉粥样硬化斑块气化，具有边缘齐整且周围组织碳化极小的优点，可望取代心脏旁通术和气球血管成形术。准分子激光在半导体参杂、激光诱导化学超导薄膜形成等方面的研究在广泛展开。由于紫外激光束与物质相
互作用的微细加工与冷加工的特点，成为继
CO2激光器与YAG激光器之后的新一代激光加工及激光医疗用激光器件。
三、半导体激光器
1、背景
自1962年第一台半导体激光器诞生以来，经过几十年的发展，半导体激光器的研究取得了长足的发展，波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高。和其他类型的激光器相比，半导体激光器由于波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且具有体积小、重量轻、寿命长等特点，在光通讯、光谱分析和光信息处理等产业以及技术、医疗、生命科学、军事等基础和应用研究方面有着广泛的应用。
半导体激光器虽然有上述诸多优势，但在实际应用中，由于其谐振腔的输出频率容易受到环境温度和注入电流的影响，自然运转的半导体激光器的输出线宽通常在100MHz左右，可调性也比较差。这在激光光谱学研究中是不够的。为了克服上述缺点，人们采用延伸腔的办法：利用衍射光栅和激光二极管的后端面组成一个延伸腔，构成了Littrow结构的激光器。衍射光栅产生的l级光反馈回激光二极管实现光反馈。由于输出激光的线宽和腔长成反比，因而利用延伸腔和光反馈可以大大压窄激光的线宽，通常可以到10MHz以下。而衍射光栅和入射光
的夹角又直接决定了激光的输出频率，因此衍射光栅又起到了选模的作用。通过调节衍射光栅的角度可以实现激光器在不跳模情况下频率的大范围(通常可以达GHz)扫描，若注入电流配合光栅的角度一起变化，则不跳模的可调范围可以增加到5GHz左右。
即便如此，10MHz的线宽还是不能满足很多实验的要求。鉴于此，许多研
究小组采用了利用外部参考进行稳频的方案：或者采用原子饱和吸收谱线做参考，或者采用外部参考腔做参考。两种方案中，由于前者依赖于具体的原子谱线，而很多情况下，找不到一条合适的谱线做参考，因此，外部参考腔稳频是目前激光稳频中采用得最多的一种稳频方法，通过该方法，可以将激光器的频率压窄到
1MHz甚至更低，现在所知的半导体激光器的线宽最窄可以被压窄到1Hz以下。但是，参考腔的腔长容易受到环境温度和气流的影响，从而影响激光的长期稳定度。因此，必须对参考腔进行温控和气流的隔离。同时，外部参考腔稳频需要加入很多的光路，增加了系统的复杂性，不利于系统的小型化和集成化，若激光器输出光路发生改变时，稳频光路也会发生变化。这在实际应用中是很不利的。2、半导体激光器工作原理：
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质
(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟)，Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS，InAs，InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。
3、特点及应用
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）1GHz。局域网，1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统，半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB一LD)。半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术，是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出。
四、全光纤激光器
光纤激光器与传统的固体激光器相比具有光束质量好、效率高、阈值低、可调谐、结构紧凑、运转可靠、散热性好等优点，在光通讯、光传感、激光医疗、工业加工、航空航天、材料科学、光谱学以及非线性光学领域得到了广泛的应用，是激光领域研究的热点之一。
全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接，整个光路完全封闭在光纤波导中。高度集成、体积小，全封闭性光路与外界环境隔离，使得运转更加可靠，具有更长的稳定性，可以在比较恶劣的环境下工作。全光纤激光器熔接光纤放大器可以实现主振荡放大高功率的激光输出，目前全光纤结构的连续光激光器可以实现千瓦级的功率输出，超短脉冲由于其超高的峰值功率和内部的非线性效应限制，目前全光结构的锁模超快脉冲激光可达几百瓦量级的功率输出。
全光纤激光器的腔型可以分为直线腔、环形腔、八字腔三种。直线腔全光纤激光器是在光纤内部刻写光纤光栅作为谐振腔；环形腔全光纤激光器是由非线性偏振旋转锁模来实现脉冲激光输出；八字腔全光纤激光器是利用非线性光纤环形镜来实现脉冲激光输出。以掺杂光纤为基质的全光光纤激光器能够实现皮秒、甚至飞秒的超短光脉冲输出。超快脉冲全光纤激光器的功率由于非线性效应和损伤阈值的限制目前输出功率很低，对低功率的全光纤激光器种子源使用双包层增益光纤作为放大器可以实现百瓦级功率的超快脉冲输出。下图是一种典型的单端泵浦连续单模大功率全光纤激光器的光路示意图。单端泵浦结构简单，但有源区增益呈指数衰减，分布极不均匀，适合功率不是非常高的情况。
也可以采用双向泵浦，如下图，双向泵浦结构相对复杂，但有源区增益分布均匀性得到改善，可实现更高功率输出。
由于全光纤激光器的结构全部由光纤和光纤元件构成，所以它还具有与众不同的优点：增益介质的表面积/体积比大，优异的双波导限制机制，固有的全封闭柔性光路，光路具有免维护特性，单条宽发光区长寿命多模泵浦激光器，寿命长，体积小重量轻，输出功率大，节水节电节成本，造价不断降低等等。
由于全光纤激光器的诸多优点，使其有广泛的应用。利用光纤激光器可以进行标刻、材料处理、材料弯曲、激光切割等等：
1、标刻应用
脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统最大打标范围是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全标刻范围内绝对定位精度是+/-100um。100um工作距离时的聚焦光斑可小到15um。
2、材料处理的应用
光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。
3、材料弯曲的应用
光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。
4、激光切割的应用
随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。比如：用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光
束质量，光纤激光器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的标准。
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(CO 2)激光器为代表，其他还有氢分子(H 2 )，氮分子(N 2 )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。 氦氖激光器有三种结构形式：内腔式、外腔式和半内腔式。它们均由放电管、谐振腔、激励电源等三部分组成。以内腔式为例，放电毛细管是产生气体放电和激光的区域，它的内径很小，约在1到几毫米。电极A为阳极，由钨杆或钼(或镍)筒制成。阴极K为金属圆筒，由铝、钼、钽等制成，它们均有足够的电子发射能力和抗溅射能力。组成谐振腔的两块反射镜紧贴于放电管两端，并镀以多层介质膜。其中一个为全反射镜，另一个则为部分反射镜，整个谐振腔在出厂前已调整完毕，因此使用简单、方便。放电管的管径比放电毛细管粗几十倍，用以保持氦氖气压比及加固谐振腔。为了避免放电管变形而引起激光输出下降，内腔管的长度不宜过大，一般不超过一米。外腔式激光器可以更换不同的反射镜，使输出功率最大，光束发散角最小。也可在反射镜和放电管之间插入光学元件，以研究激光器的输出特性，调制它的频率或幅度，并可制成单频大功率激光器。 2、二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的能量转换效率达20～25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)。它的输出波长为10.6微米，属于远红外区，连续输出功率可达万瓦级，常用电激励，结构比较简单紧凑，使用 方便，是目前最常用的激光器之一，在医学上，CO 2激光器作为手术刀使用日益引起人们的重视。CO 2 激 光器也用于皮肤科、外科、神经外科、整形外科、妇科和五官科的手术，在癌症的治疗上也有一定成效。 最常见的封离型内腔式二氧化碳激光器的管壳是由硬质玻璃或石英材料制成的。常见为三层玻璃套管结构，其最内层是放电管，中间层是水冷套，外层是储气管。在内外层之间有气体循环通路，这是为了保证混合气体的均匀分布而设计的。其光学谐振腔通常用平凹球面腔。球面镜可用石英或其他光学玻璃做基片，然后，在表面上镀层金属膜。平面镜是输出窗片，要求它对10.6μm的激光有很好的透过率，且表面不易损伤，机械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用锗单晶做输出片，大功率的用砷化镓
激光器的种类及性能参数总结 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。 （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。 工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义：
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CO?，氮气，氦气三种气体组成。其中CO?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CO?激光器中起能量传递作用，为CO?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。CO?分子激光跃迁能级图CO?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CO?分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO?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%）。 （3）结构简单，使用一般工业气体，操作简单，价格低廉。由此可见,随着研究工作的进展、新技术的使用，输出功率和效率会不断提高,寿命也会不断增长,将会出现一系列新颖的应用。例如大气和宇宙通讯、相干探测和导航、超外
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可
激光器介绍 WALC4020数控激光切割机 更快、更宽、更厚的钣金切割专家 1、产品简介 更高性能的激光切割系统: WALC4020选择了世界最先进的激光器、切割头。拥有最高质量的部件和最好的结构。如西门子的控制系统和直线驱动系统，STAR的直线导轨。 更先进的结构型式： A．横梁 WALC4020激光切割机采用横梁倒挂结构，此结构有如下优势： 1．与横梁悬臂式相比，横梁的运行速度更高，运行更平稳，可达200米/分。这是因为驱动力的作用点位于横梁的重心，不会产生附加力矩，驱动效率更高，运行更平稳。 2．与小龙门移动式相比，电气控制更简单，系统更可靠。操作更方便。 因此，WALC4020更适用于高速，高功率切割。 B．交换工作台： 采用垂直升降式交换工作台，此型式的交换方式与目前使用的斜升式相比有如下优点： A．提升能力更大，安装更方便。 B．与横梁倒挂结构配合，结构更合理。 C．在切割区内，工作台下的空间更大，以便布置排渣装置及抽风除尘装置。 C．驱动： WALC4020激光切割机的X、Y轴采用了西门子的控制系统和直线驱动系统，与传统电机+滚珠丝杠（齿条）相比，驱动力更大，加速度更高。加速度可达3G，速度最高可达200米/分。而且运行更平稳。 X，Y，Z轴的导轨采用STAR高品质直线导轨，精度更高，运行更平稳。 2、产品特性 WALC4020融合了激光最新技术的应用 一．控制 WALC4020的控制器是SIEMENS 840D。该控制器的界面已经进行了改进，以适合激光切割系统的应用。 二．穿透检测 在打孔时，穿透检测使用传感器来确定光束是不是已经穿透了板材，这样可以得到最高质量的穿透效果，节省时间。
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
浅析高功率光纤激光器 高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言（功率为mW级），是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月，光纤激光器空降中国，震撼了中国激光学术和产业界，引起了尊至院士的深情关注！ 一、光纤技术 光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm+1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。 用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。
双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。 二、传统固体激光器 激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射，它一般由3部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器，所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。 工作物质： 工作物质是固体激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+，便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点： 1、YAG棒生长速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm，长180mm，所以激光增益从根本上受到限制，无法实现特高功率激光输出。
半导体激光器工作原理 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb （锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 1.波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 2.阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数十毫安。 3.工作电流Iop：激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流，此
作者：非成败 作品编号：92032155GZ5702241547853215475102 时间：2020.12.13 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CO?，氮气，氦气三种气体组成。其中CO?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CO?激光器中起能量传递作用，为CO?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。CO?分子激光跃迁能级图CO?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CO?分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO?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，
第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）； d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 几种常用激光器得概述 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，受到许多国家得极大重视。特别就是近两年,以二氧化碳为主体工作物质得分子气体激光器得进展更为神速,已成为气体激光器中最有发展前途得器件。 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与高效率器件迈进。196１年，Pola－nyｉ指出了分子得受激振动能级之间获得粒子反转得可能性。在19６4年1月美国贝尔电话实验室得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,现在该类器件得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50千瓦得脉冲功率输出。最近,有人认为,进一步提高现有得工艺水平,近期可以达到几千瓦得连续波功率输出与3０~４０％得效率。 2、工作原理 CO２激光器中,主要得工作物质由CO?，氮气,氦气三种气体组成。其中CＯ?就是产生激光辐射得气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中得氦，可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级1０0及０2０得抽空。氮气加入主要在CO?激光器中起能量传递作用，为CＯ?激光上能级粒子数得积累与大功率高效率得激光输出起到强有力得作用。CO?分子激光跃迁能级图CO?激光器得激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA得直流电流。放电时，放电管中得混合气体内得氮分子由于受到电子得撞击而被激发起来。这时受到激发得氮分子便与CＯ?分子发生碰撞,N2分子把自己得能量传递给CO２分子,CＯ?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得高度相干性与频率稳定性得特点,而且还具有另外三个独有得特点: (1）工作波长处于大气“窗口”,可用于多路远距离通讯与红外雷达。 （2)大功率与高效率( 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 %,原子激光器得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%)。 (3)结构简单,使用一般工业气体,操作简单,价格低廉。由此可见,随着研究工作得进展、新技术得使用，输出功率与效率会不断提高，寿命也会不断增长，将会出现一系列新颖得应用。例如大气与宇宙通讯、相干探测与导航、超外差技术 收稿日期：２００５－０８－３０；修订日期：２００５－１１－２５ 作者简介：楼祺洪（１９４２－），男，浙江慈溪人，研究员，学士，主要从事光学、激光技术及其应用研究。 第３５卷第２期 红外与激光工程 ２００６年４月Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．２ ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｒ．２００６ ０引言 自１９８８年Ｓｎｉｔｚｅｒ等人提出双包层光纤以来，基于这种包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率水平快速提升，单根光纤的输出已经从最 初的几百毫瓦上升到了千瓦级水平［１］，并在高精度激光加工、激光医疗、光通信及国防等领域获得了广泛应用。 双包层光纤是由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层４部分组成，和常规光纤相比，多了一个可以传输泵浦光的内包层。纤芯由掺稀土元素的ＳｉＯ２构成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的；内包层 高功率光纤激光器研究进展 楼祺洪，周军，朱健强，王之江 （中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００） 摘要：高功率掺镱双包层光纤激光器由于在效率、散热和光束质量方面的优势，在工业加工、医疗和国防等领域具有广泛的应用前景，是目前国际上激光技术研究的热点之一。首先综述了国际上高功率光纤激光器的研究进展情况，然后重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在连续光纤激光和脉冲光纤激光方面所取得的进展，采用双端泵浦技术，在１５ｍ的国产双包层光纤中获得４４０Ｗ的连续输出，采用ＭＯＰＡ方式，以４ｍ长的国产光纤作为放大介质，在１００ｋＨｚ时，获得了１３３Ｗ的平均功率输出。 关键词：激光技术；光纤激光器； 双包层掺镱光纤 中图分类号：ＴＮ２４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－２２７６（２００６）０２－０１３５－０４ Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｈｉｇｈ!ｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓ ＬＯＵＱｉ!ｈｏｎｇ，ＺＨＯＵＪｕｎ，ＺＨＵＪｉａｎ!ｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧＺｈｉ!ｊｉａｎｇ （ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｉｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ!ｐｏｗｅｒＹｂ!ｄｏｐｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓｈａｖｅｉｎｃｉｔｅｄｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｎｔｅｒｅｓｔａｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｃｏｍｐａｃｔｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｇｏｏｄｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙｆｏｒａｖａｒｉｅｔｙｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｍｅｄｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄｎａｔｉｏｎａｌｄｅｆｅｎｓｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＣＷａｎｄｐｕｌｓｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓａｔＳＩＯＭａｒｅｒｅｐｏｒｔｅｄｕｐｏｎ．ＡＣＷ４４０Ｗｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｗｉｔｈｔｗｏｅｎｄｓｐｕｍｐｉｎｇｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇａ１５ｍｈｏｍｅ!ｍａｄｅｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄＹｂ!ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒ．Ｆｏｒｐｕｌｓｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａ１３３Ｗａｖｅｒａｇｅ!ｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔａｔ１００ｋＨｚｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈ４ｍｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒｂｙｕｓｉｎｇＭＯＰＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； Ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ； Ｙｂ!ｄｏｐｅｄｄｏｕｂｌｅ!ｃｌａｄｆｉｂｅｒ 关于激光的简介 前言： 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分体现，也在军事上起到重大作用。 一．什么是激光： 激光——人类创造的神奇之光 激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 激光的产生原理：受激辐射基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，一段激活物质就是一个激光放大器。 二．激光的特点： （1）定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。 （2）亮度极高 摘要: 本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。 关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源工作物质光纤通信WDM 激光技术; 半导体激光 一、半导体激光器 1.什么叫激光 激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation. 就是通过受激 发射实现光放大。 光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放 大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、 准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。 激光器有很多种类型，但他的必要组成部 分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。 2、半导体激光器的工作原理 2.1基本条件： （1）有源区载流子反转分布 （2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡 （3）满足阈值条件，使增益>损耗，有足够的注入电流。 2.2工作原理 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既 利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两 个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、 产生光的辐射放大，输出激光。 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生 受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在 半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带 与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反 转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生 受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。 理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导 体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德—— 杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电 子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振 荡并得到放大，最后产生相干激光输出。 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激 光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激 光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即 粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分 几种常用激光器的概述 一、CO 激光器 2 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CO?，氮气，氦气三种气体组成。其中CO?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CO?激光器中起能量传递作用，为CO?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。CO?分子激光跃迁能级图CO?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CO?分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO?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%）。 （3）结构简单，使用一般工业气体，操作简单，价格低廉。由此可见,随着研究工作的进展、新技术的使用，输出功率和效率会不断提高,寿命也会不断增长,将会出现一系列新颖的应用。例如大气和宇宙通讯、相干探测和导航、超外差技术和红外技术等。 4、应用 二氧化碳分子激光器以其独有的特点获得广泛的应用，现就某些方面的应用介绍如下： 1、热效应的应用 可以毫不困难地把激光器的射束直径聚成100微米。在此情况下。300瓦的功率就相当于107瓦/厘米2数量级的能量密度，此值已超过太阳光的能量密度，能达到极高的温度。例如Garver公司研制的800 瓦二氧化碳激光器在2秒钟之内就能烧穿4寸厚的耐火砖。因而，可以想象这些分子激光器可以用于解决高温材料的焊接、融熔和钻孔。例如6200型二氧化碳激光器连续波输出10瓦，可用 浅谈半导体激光器及其应用 摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。 关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。 自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。 一、半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 Pn 结或 Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给 Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射 ,也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁 ,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙 ,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。 半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进 ,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在 21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件 : 1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带 ,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间 ,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现, 将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时 ,便产生受激发射作用。 2、要实际获得相干受激辐射 ,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而 常用激光器及其分类 本文由高能激光设备制造有限公司（https://www.doczj.com/doc/3f17313237.html,）提供 激光器发展至今，其品种目前已超过200多种，特点各异，其用途也各不相同。激光器可按以下 方法进行分类. 1)按工作介质来分有:固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器。此外，还有化学激光器靠化学反应而形成受激状态)和自由电子激光器等。 （1）固体激光器固体激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺人少量激活离子，除了用红宝石和玻璃外，常用的还有在忆铝石榴石(Y AG)品体中掺人三价铰离子(Nd)的激光器，它发射1060nm的近红外激光.固体激光器连续功率一般可达1 kw以上，脉冲峰值功率可达10000000Kw一般固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。近年来发展十分迅猛的光纤赫却，其工作物质是一段光纤.光纤中掺不同的元素.能够产生波段范围很宽的激光。 (2)液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料作为工作介质。大多数情况是把有机染料济于溶剂(乙醇、丙酮、水等)中使用，也有以蒸汽状态工作的。利用不同染料可获得不同波长的激光（在可见光范困)。染料激光器一般使用激光作泵浦源.常用的有氢离子激光器。液体激光器的工作原理比较复杂，它的优点是输出波长连续可调且搜盖面宽。 （3）气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器，在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体(如非金属粒子的有水、汞)及固体(如金属离子结构的铜、锅等粒子)，经过加热使其变为蒸汽，利用这类蒸汽作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。气体工作物质是所使用的工作物质中数日最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广的一类激光器。·气体激光器所采用的工作物质，可以是原子气体、分子气体和电离化离子气体，为此，把它们相应地称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。在原子气体激光器中，产牛激光作用的是没有电离的气体原子，所用的气体主要是几种惰性气体(如氦、氖、氦、氢、氛等)，有时也可采用某些金属原子(如铜，锌、福、艳、汞等)蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器的典型代表是He-Nt激光器。 (4)半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质，目前较成熟的是砷化钵激光器，发射840 nm的激光，另有掺铝的砷化稼、硫化铬、硫化锌等激光器。半导体激光器的激励方式主要有3种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式。 电注人式半导体激光器一般是由GaAs(砷化稼)、InAs(砷化锢)、InSb(锑化锢)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励。光泵式半导体激光器，一般用N 型或P型半导体单晶(如GaAs, InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,2bO等)做工作物质，通过由外部注人高能电子束进行激励. 在半导体激光器件中，目前性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs 二极管激光器。半导体激光器体积小、质量轻、寿命一长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上使用.ZO世纪70年代末期，由于光纤通信和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。 2)按波长来分，覆盖的波长范围包括远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外，最近还研制出x射线激光器和正在开发的Y射线激光器. 3)按激励方式不同，有光激励(光源或紫外光激励)、气体放电激励、化学反应激励、核常用激光器简介
高功率光纤激光器研究进展
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