第五章、常用激光器件介绍

各种激光器的介绍激光（Laser）是光学与物理学领域中的重要研究方向之一，也是现代科学中应用最广泛的光源之一、激光器是产生、放大和产生激光的装置，它能够使光以高度有序的方式输出，并具有高度相干和高度定向的特性。

激光器可以根据不同的工作原理和激光频率，分为多种类型，下面将为大家介绍几种常见的激光器。

1. 固体激光器（Solid State laser）：固体激光器是利用固体材料作为介质的激光器。

固体激光器的工作物质通常为具有特殊能级结构的晶体或玻璃材料。

最早的固体激光器是由人工合成的红宝石晶体制成的。

它具有高度的可靠性、较高的功率输出和较宽的谱段覆盖等特点，广泛应用于医疗、测量、通信、材料加工等领域。

2. 气体激光器（Gas laser）：气体激光器是利用气体作为活性介质的激光器。

常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氦氖激光器等。

其中，二氧化碳激光器是最早被发现和研究的激光器之一，具有连续激光输出、较高的功率密度和中远红外波段特点，广泛应用于材料加工、切割、医疗等领域。

3. 半导体激光器（Semiconductor laser）：半导体激光器是利用半导体材料作为活性介质的激光器。

它是目前应用最广泛的激光器之一，常见的有激光二极管（LD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

半导体激光器具有小巧轻便、功耗低、寿命长等特点，广泛应用于激光显示、光通信、生物医学等领域。

4. 光纤激光器（Fiber laser）：光纤激光器是利用光纤作为反射镜和放大介质的激光器。

它采用光纤的内部介质作为激光器的活性介质，激光通过光纤进行传输和放大。

光纤激光器具有高度稳定性、方便携带、适用于长距离传输等特点，广泛应用于材料加工、制造业、激光雷达等领域。

5. 半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器（如激光二极管）泵浦固体材料产生激光的激光器。

它继承了固体激光器的高功率、高效率和稳定性等特点，同时又具有半导体激光器小尺寸、低功耗等优势。

常见激光器结构及器件功能介绍激光器是一种产生、放大和聚焦激光光束的器件。

它在现代科学、医疗、工业和战争等领域都有广泛的应用。

常见的激光器结构主要包括激光介质、泵浦源、光学谐振腔和输出窗口等部分。

下面将对这些部分的功能进行详细介绍。

1.激光介质：激光介质是激光器的核心部件，它能够使电能或光能转化为激光能量。

常见的激光介质包括气体（如二氧化碳、氩等）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体（如染料溶液）等。

不同激光介质具有不同的特性，决定了激光器的输出特点。

2.泵浦源：泵浦源是激光器产生激光能量的能源，它对激光介质进行能量输入，使之达到激发态。

常见的泵浦源包括电子激发（如气体放电、闪光灯等）、光学激发（如半导体激光二极管、固体激光晶体等）和化学激发（如染料激光器）等。

泵浦源的选择决定了激光器的效率和波长等参数。

3.光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中光的来回传播的空间，在谐振腔内激光能量发生倍增和光模式形成。

常见的光学谐振腔包括平面腔、球面腔和折射腔等。

谐振腔的结构和参数决定了激光器的输出特征，如脉冲宽度、线宽和波前质量等。

4.输出窗口：输出窗口是激光器中激光能量传出的接口，它具有透过激光的特性，并使激光尽量少损耗。

常见的输出窗口材料包括光学玻璃、光纤和光学晶体等。

输出窗口的选择和设计是影响激光器输出功率和光束质量的重要因素。

除了上述部分，激光器还包括一些辅助器件和系统，如冷却系统、调谐器和稳频器等，它们的功能主要有以下几个方面：1.冷却系统：激光器在工作过程中会产生大量的热量，需要通过冷却系统来散热，以保持激光介质和泵浦源的稳定性。

常见的冷却方式包括空气冷却、水冷却和制冷剂冷却等。

2.调谐器：激光器的波长可能需要进行调整，以适应不同应用的需求。

调谐器通过改变光学谐振腔的长度或谐振性能，实现激光器波长的可调。

3.稳频器：激光器的频率稳定度对一些应用非常重要。

稳频器通过使用反馈调节和控制系统，使激光器的频率保持在目标值附近的范围内。

激光的种类和激光器的用途激光是一种由激活的原子、分子或离子产生的高度聚焦的光束。

根据激光的产生机制、波长、功率等不同特点，激光可以分为多种不同类型。

以下是常见的一些激光器种类及其应用。

1.气体激光器：气体激光器利用气体体积放电、电离、碰撞激发等原理产生激光。

其中，最常见的激光器是二氧化碳激光器（CO2激光器），它的波长为10.6微米。

CO2激光器广泛应用于切割和焊接金属材料、医学手术、纹身移除、装饰等领域。

2.固体激光器：固体激光器使用固体材料（如晶体或玻璃）作为激发介质，通过显微光泵或一个或多个便激光器激励来产生激光。

当固体材料受到外部能量激发时，光子被激发到高能级，并在经典的自发辐射下退回到较低的能级，产生激光。

常见的固体激光器有Nd:YAG激光器和Er:YAG激光器等。

Nd:YAG激光器工作在1064纳米，常用于望远镜、瞄准器、激光光纤通信等领域。

3.半导体激光器：半导体激光器是利用半导体材料和pn结构的特性产生激光。

半导体激光器通常体积小且寿命长，因此广泛用于信息存储、激光指示器、激光打印机、激光读取器、医疗设备等领域。

此外，半导体激光器还广泛应用于激光雷达、光通信和工业材料加工等领域。

4.光纤激光器：光纤激光器是一种利用光纤作为反馈介质产生激光的激光器。

相较于传统的固体激光器，光纤激光器具有更高的效率、更小的尺寸和更长的使用寿命。

光纤激光器广泛应用于医学手术、材料加工、激光测距、光纤通信等领域。

5.自由电子激光器：自由电子激光器是一种利用加速带电粒子（电子或电子束）产生激光的激光器。

自由电子激光器的波长范围广，功率高，可用于材料加工、电子束刻蚀、粒子加速器、原子核物理研究等领域。

除了上述激光器类型外，还有衍射光束激光器、液体激光器等特殊类型的激光器。

总结起来，激光器有着广泛的应用领域。

例如，激光器在医学领域中，可用于激光手术、激光治疗、激光诊断等；在通信领域中，激光器可用于光纤通信、激光雷达等；在材料加工领域中，激光器可用于切割、打孔、焊接、雕刻等；在科研领域中，激光器可用于光谱分析、粒子加速等。

常见激光器结构及器件功能介绍激光器是一种产生并放大激光束的装置，常见的激光器结构包括气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器。

下面将对这些常见的激光器结构及器件功能进行介绍。

1.气体激光器：气体激光器是利用气体分子或原子的电子能级跃迁放大光子束的装置。

常见的气体激光器包括二氧化碳激光器和氩离子激光器。

（1）二氧化碳激光器（CO2激光器）：它是利用二氧化碳气体的分子振动能级跃迁来放大激光。

主要用于切割、打孔、焊接等工业加工领域。

（2）氩离子激光器：它利用氩离子气体的电子能级跃迁来放大激光。

主要应用于生物医学、光学雷达等领域。

2.固体激光器：固体激光器是利用固体材料（如纳、晶体、陶瓷等）的电子能级跃迁放大光子束的装置。

常见的固体激光器包括Nd:YAG激光器和雷射晶体放大器。

（1）Nd:YAG激光器：它是利用掺杂了钕离子的钇铝石榴石晶体的电子能级跃迁来放大激光。

主要用于切割、焊接、医疗美容等领域。

（2）雷射晶体放大器：它是利用高浓度掺杂放大材料（如三氧化二铜、Cr4+：YAG等）的反射效应来放大激光。

主要应用于高能激光研究和军事领域。

3.液体激光器：液体激光器是利用液体材料的分子或原子能级跃迁放大光子束的装置。

常见的液体激光器包括染料激光器和化学激光器。

（1）染料激光器：它利用在溶液中溶解染料分子的电子能级跃迁来放大激光。

主要用于光谱分析、显示技术等领域。

（2）化学激光器：它利用化学反应产生的激发态物质来放大激光。

主要应用于军事领域和科学研究。

4.半导体激光器：半导体激光器是利用半导体材料（如GaN、InP等）的电子能级跃迁放大光子束的装置。

常见的半导体激光器包括激光二极管和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

（1）激光二极管：它利用PN结的电子能级跃迁来放大激光。

主要应用于光通信、光储存、激光打印等领域。

（2）VCSEL：它利用垂直结构的PN结的电子能级跃迁来放大激光。

主要应用于光通信、生物传感等领域。

各种激光器的介绍激光器是一种将能量源转化为高强度、高单色性、高定向性的激光光束的装置。

激光器被广泛应用于医疗、通信、材料加工、测量检测等各个领域。

下面将介绍几种常见的激光器。

1.氦氖激光器（He-Ne激光器）氦氖激光器是一种气体激光器，它利用氦和氖的混合气体在波长为632.8纳米的红光范围内产生激光。

氦氖激光器具有单一稳定频率、高空间定向性和较小的光腔长度，适用于光学实验、干涉测量等领域。

2.二极管激光器（LD激光器）二极管激光器是一种半导体激光器，它是由多层不同材料的半导体材料组成的结构。

二极管激光器广泛应用于通信领域，如光纤通信、光存储等。

它具有体积小、效率高的特点。

3.CO2激光器CO2激光器是一种分子激光器，其工作介质是CO2分子。

CO2激光器具有中红外波段的辐射，波长在9.6-10.6微米之间。

CO2激光器在材料加工、医疗等领域有广泛应用，如切割、焊接、组织切割等。

4.Nd:YAG激光器Nd:YAG激光器是一种固体激光器，其工作介质是掺有镓和铽离子的YAG晶体。

它具有较长的荧光寿命和较高的能量转换效率，常用于材料加工、医疗、科学研究等领域。

5.氮化镓激光器（GaN激光器）氮化镓激光器是一种宽禁带半导体激光器，它利用氮化镓材料发射紫外激光。

GaN激光器具有较高的工作温度、较长的寿命和较高的光电子转换效率，可用于蓝光显示、白光LED照明等领域。

6.染料激光器染料激光器是一种利用染料溶液作为工作介质的激光器。

它具有波长调谐范围广、转换效率高的特点。

染料激光器在科学研究、生物医学等领域有广泛应用。

7.纳秒脉冲激光器纳秒脉冲激光器是一种能够在纳秒时间尺度内产生激光脉冲的激光器。

它广泛应用于材料加工、精密测量、医疗等领域，如激光打标、激光切割、激光测距等。

总之，激光器具有波长可调、能量可控、光束质量高等优点，能满足不同应用领域的需求。

随着材料科学、光学技术的不断发展，激光器的种类也在不断增多，并得到了广泛的研究和应用。

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(CO2)激光器为代表，其他还有氢分子(H2)，氮分子(N2)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。

第五章连续激光器原理连续激光器是一种能够持续输出高能量、高亮度激光束的器件。

它的工作原理是通过持续地提供能量来激发激光介质，使其产生受激辐射，进而在谐振腔中产生连续的激光输出。

本文将介绍连续激光器的工作原理、主要组成部分以及一些常见的连续激光器类型。

连续激光器的工作原理基于受激辐射的过程。

在激光介质中，通过外界能量的输入，使得部分原子或分子跃迁到一个高能级。

这些高能级的原子或分子将受到外界激发，进而在受激的辐射场中跃迁到一个更低的能级。

在这个过程中，激光介质产生的原子或分子会与受激辐射场的光子发生相互作用，从而产生辐射的激光光子。

这些激光光子会通过谐振腔中反射，对其他原子或分子产生受激辐射，进而放大激光信号，最终形成连续的激光输出。

连续激光器由许多组成部分构成，包括激光介质、能量泵浦源、谐振腔和输出光学。

激光介质是产生激光的核心部分，它通常由具有较高发射截面的材料组成，例如激光晶体或气体。

能量泵浦源用于提供能量以激发激光介质，常见的能量泵浦源包括激光二极管、闪光灯或化学反应。

谐振腔则用于放大激光信号，它由两个反射性较高的平面镜组成。

其中一个镜子是部分透明的，用于输出激光束。

输出光学则用于整理和调节输出的激光束，例如聚焦透镜或衍射光栅。

根据激光介质的不同，连续激光器可以分为多种类型。

其中一种常见的类型是固体激光器，它使用激光晶体或玻璃作为激光介质。

固体激光器通常具有高能量输出和短脉冲宽度的特点，适用于科研、医疗和工业等领域。

另一种类型是气体激光器，它使用气体作为激光介质。

气体激光器通常具有较大的激光波长范围和较高的功率输出，适用于切割、焊接和雷达等应用。

此外，还有半导体激光器、液体激光器和光纤激光器等其他类型。

总之，连续激光器是一种能够持续输出高能量、高亮度激光束的器件。

它的工作原理是通过持续地提供能量来激发激光介质，使其产生受激辐射，进而在谐振腔中产生连续的激光输出。

连续激光器由激光介质、能量泵浦源、谐振腔和输出光学等部分组成。