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激光之源--典型激光器的原理、特点及应用一前言自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家T.H.Mainman博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。
激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。
图1 第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。
其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。
激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
二典型激光器1，气体激光器（Gas Laser）气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。
它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式最常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
下面是典型激光器的示意图：图2 气体激光器示意图根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。
采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。
原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。
He-Ne激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。
它于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物。
典型激光器的原理、特点及应用摘要：本文介绍了四种典型的激光器，固体、气体、染料和半导体激光器，并分别介绍了特点及应用。
关键词：典型激光器，原理和特点，应用一、引言自梅曼发明了第一台红宝石激光器至今，激光器得到了飞速发展，在激光工作物质方面也得到了很大的改进，激光器根据激活媒质可分为固体、气体、染料和半导体激光器。
各类激光器各有特色，并在相关的领域里发挥着重要的作用。
二、固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。
最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：Y AG)等三种。
图1是固体激光器的基本结构示意图。
图1 固体激光器的基本结构示意图1．红宝石(Cr3＋：A12O3)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＋)，铬离子与激光产生有关的能级结构如图2所示。
它属于三能级系统，相应于图（1-3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。
它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为694.3nm和692.9nm。
由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(694.3nm)。
红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。
红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。
随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。
因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。
目前在医学方面和动态全息方面还有应用价值。
*实用文库汇编之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CO₂，氮气，氦气三种气体组成。
其中C O₂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CO₂激光器中起能量传递作用，为CO₂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。
CO₂分子激光跃迁能级图CO₂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CO₂分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO₂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%）。
各种典型激光器原理激光器是一种产生、放大和输出激光光束的器件，是现代科学和工程领域中重要的设备之一、激光器的工作原理有多种类型，下面将介绍几种典型的激光器原理。
1.固体激光器固体激光器是利用固体材料中的电子跃迁产生激光。
其中，最常见的原理是通过注入能量来激发固体材料中的激活离子，而这些激活离子会通过受激辐射而释放出激光。
固体激光器中常用的激活离子有Nd3+、Er3+和Cr3+等。
这种类型的激光器通常使用将激发能量输送给激活离子的光泵浦器，例如激光二极管。
从而激活离子跃迁到高能级，最终产生激光。
2.气体激光器气体激光器是利用气体放电产生激光的器件。
其中最典型的是氦氖激光器（He-Ne激光器），其工作原理是通过在氦气与氖气混合的管道中通过直流或射频电波产生气体放电，激活氖离子，使其跃迁产生激光。
氦氖激光器的激光波长通常在632.8纳米，属于可见光范围。
气体激光器还包括二氧化碳激光器和氩离子激光器等。
3.半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料中电子和空穴的复合过程产生激光。
通常使用p-n结构的半导体材料（如GaAs、InGaAs等），通过向p区注入电流，通过与n区的电子复合生成激光。
这种类型的激光器结构简单、小型化、功耗低，广泛应用于通信、激光打印机等领域。
4.光纤激光器光纤激光器是利用光纤的增益介质产生和放大光信号的激光器。
典型的光纤激光器是光纤光放大器（EDFA）和光纤光源（EFL）。
工作原理是通过将其中一种激活离子（如铒）掺杂到光纤核心中，通过泵浦光在光纤中引起激活离子的受激辐射，从而产生激光。
光纤激光器具有高增益、窄谱线特性和高可靠性等优点，广泛应用于通信、医疗和科研领域。
5.CO2激光器CO2激光器是一种以CO2气体为工作物质产生激光的器件。
其工作原理是利用CO2气体分子的振动和旋转能级跃迁来放大激光信号。
通过电子放电激发CO2气体分子至激发态，然后利用电子和激发态分子的碰撞来将能量转移给其他CO2分子，产生连续激光。
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。
