典型激光器介绍教材
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振性
1、红宝石 的基本特性
Cr 3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体
掺杂浓度
1.58E19(cm -3)
受激辐射截面
2.5E-20(cm 2)
波长
694.3nm
荧光寿命
3.0ms
量子效率
0.7
能级结构
谱线线宽
吸收光谱
11(cm-1)，5.3(埃)
Nd:YAG 的基本特性
Nd3＋:Y3Al5O12立方晶系，光学各向同性
? = 1.053 μm
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：
? ? 694.3nm ? ? ? 0.01 ~ 0.1nm
工作方式：连续、脉冲
发 散 角 ： ? ? 10-3rad ，一般为多模输出； 泵浦功率>阈值10~20%→ 单模
典型激光器
1、 常见激光器概述
激光器的分类
已记录到的激光振荡波长有一万种以上。
? 按激光工作介质：
? 按化学组成：
– 固体激光器
– 原子激光器
(光纤激光器）
– 分子激光器
– 气体激光器
– 离子激光器
– 半导体激光器
– 自由电子激光器
– 染料激光器
– 准分子激光器
– 自由电子激光器 ? 激光运转方式 :
3. 半导体激光器
由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 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）
掺杂浓度 受激辐射截面
波长 荧光寿命 量子效率 谱线线宽
1.38E20(cm -3) 88E-20(cm 2)
1064nm 230us
1 4.5(埃)
发射光谱
吸收光谱
Hale Waihona Puke Baidu
2、激光二极管
2、气体激光器
?CO 2激光器 ?He-Ne 激光器 ?Ar 离子激光器 ?准分子激光器
23
CO 2激光器
? > 1 atm 一定压力的CO 2, N2, He混合的气体分子激光器 ? 波长 9-11um，最常见10.6um ? 效率高，功率范围大（几瓦~几万瓦） ? 光束质量好 ? 运行方式多样，结构多样
– 连续
? 激光调制方式
– 脉冲
– 自由运转
? 单脉冲
– 调Q
? 重复频率
– 锁模
? 准连续
1. 固体激光器
分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。
目前已实现激光振荡的不同基质 ——掺杂体系的 工作物质有 200多种，但是，性能好，使用广泛的主 要有下面三种。
（1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质
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。
光纤耦合（尾纤型 -pigtail package ）半导体激 光器件
ProLite 型光纤耦合单发射激光器
2、 常见激光器工作特性
（3）氮分子激光器
脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦， 脉宽小于10nS ，重复频率数十 Hz~数千Hz ，主要用作染 料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、医学及 光化学方面。常见波长： 337.1nm 、357.7nm
氮分子激光器 VSL337ND-S Nitrogen Laser
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG ）
工作物质：YAG 晶体内掺进稀土元素钕 输出波长：? = 1064nm 、914nm 、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲
因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
2. 气体激光器
1、固体激光器
A、固体激光器基本结构及特性
1. 激光工作物质 2. 泵浦源 3. 聚光腔 4. 谐振腔 5. 冷却系统
固体激光器的能量转换
0.5
0.4
0.2
0.76 0.9
0.8
0.95
?1
光谱特性
? 多纵模工作 – 空间烧孔效应 – 高增益 – 多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模
? 高注入，高输出伴随激光线宽增加
激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件， 提高激光器输出功率的作用。
输出波长：常用的为 ?=632.8nm
根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。
（?=3.39μm ；?=1.15μm）
（2）CO 2 激光器
工作物质： CO 2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO 2分子发射，其它气体协助改善激 光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用 寿命。
激光束的方向性
M2
?
实际光束的束腰和远场发散角乘积 理想光束的束腰和远场发散角乘积
?
? ?
? 0?
M 2 ? 1, 越小光束质量越好
激光的偏振特性
? 偏振性主要取决于工作物质 ? 各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力
双折射，激光输出具有部分偏振特性。 ? 在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏
输出波长： ? =10.6μm
CO 2 激光器是输出 功率最高的气体激光 器，有连续输出 50kW ； 脉冲输出 1012W 的激光 器。
（3）氩离子气体激光器 输出波长： ? =488nm ； ? =514.5 nm ；
在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦 ~几百瓦。 氩/氪离子激光器， Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。
（1）氦-氖激光器
工作物质：氦氖混合气体
CO 2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能级 抽空。氮气加入主要在 CO 2激光器中起能量传递作用， 为CO 2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。
24
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CO 2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25 圆筒的面积500cm2，不致镜片污染。
1、红宝石 的基本特性
Cr 3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体
掺杂浓度
1.58E19(cm -3)
受激辐射截面
2.5E-20(cm 2)
波长
694.3nm
荧光寿命
3.0ms
量子效率
0.7
能级结构
谱线线宽
吸收光谱
11(cm-1)，5.3(埃)
Nd:YAG 的基本特性
Nd3＋:Y3Al5O12立方晶系，光学各向同性
? = 1.053 μm
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：
? ? 694.3nm ? ? ? 0.01 ~ 0.1nm
工作方式：连续、脉冲
发 散 角 ： ? ? 10-3rad ，一般为多模输出； 泵浦功率>阈值10~20%→ 单模
典型激光器
1、 常见激光器概述
激光器的分类
已记录到的激光振荡波长有一万种以上。
? 按激光工作介质：
? 按化学组成：
– 固体激光器
– 原子激光器
(光纤激光器）
– 分子激光器
– 气体激光器
– 离子激光器
– 半导体激光器
– 自由电子激光器
– 染料激光器
– 准分子激光器
– 自由电子激光器 ? 激光运转方式 :
3. 半导体激光器
由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 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）
掺杂浓度 受激辐射截面
波长 荧光寿命 量子效率 谱线线宽
1.38E20(cm -3) 88E-20(cm 2)
1064nm 230us
1 4.5(埃)
发射光谱
吸收光谱
Hale Waihona Puke Baidu
2、激光二极管
2、气体激光器
?CO 2激光器 ?He-Ne 激光器 ?Ar 离子激光器 ?准分子激光器
23
CO 2激光器
? > 1 atm 一定压力的CO 2, N2, He混合的气体分子激光器 ? 波长 9-11um，最常见10.6um ? 效率高，功率范围大（几瓦~几万瓦） ? 光束质量好 ? 运行方式多样，结构多样
– 连续
? 激光调制方式
– 脉冲
– 自由运转
? 单脉冲
– 调Q
? 重复频率
– 锁模
? 准连续
1. 固体激光器
分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。
目前已实现激光振荡的不同基质 ——掺杂体系的 工作物质有 200多种，但是，性能好，使用广泛的主 要有下面三种。
（1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质
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。
光纤耦合（尾纤型 -pigtail package ）半导体激 光器件
ProLite 型光纤耦合单发射激光器
2、 常见激光器工作特性
（3）氮分子激光器
脉冲放电激励输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦， 脉宽小于10nS ，重复频率数十 Hz~数千Hz ，主要用作染 料激光器的泵浦源，也可用于光谱分析、检测、医学及 光化学方面。常见波长： 337.1nm 、357.7nm
氮分子激光器 VSL337ND-S Nitrogen Laser
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG ）
工作物质：YAG 晶体内掺进稀土元素钕 输出波长：? = 1064nm 、914nm 、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲
因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
2. 气体激光器
1、固体激光器
A、固体激光器基本结构及特性
1. 激光工作物质 2. 泵浦源 3. 聚光腔 4. 谐振腔 5. 冷却系统
固体激光器的能量转换
0.5
0.4
0.2
0.76 0.9
0.8
0.95
?1
光谱特性
? 多纵模工作 – 空间烧孔效应 – 高增益 – 多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模
? 高注入，高输出伴随激光线宽增加
激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件， 提高激光器输出功率的作用。
输出波长：常用的为 ?=632.8nm
根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。
（?=3.39μm ；?=1.15μm）
（2）CO 2 激光器
工作物质： CO 2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO 2分子发射，其它气体协助改善激 光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用 寿命。
激光束的方向性
M2
?
实际光束的束腰和远场发散角乘积 理想光束的束腰和远场发散角乘积
?
? ?
? 0?
M 2 ? 1, 越小光束质量越好
激光的偏振特性
? 偏振性主要取决于工作物质 ? 各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力
双折射，激光输出具有部分偏振特性。 ? 在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏
输出波长： ? =10.6μm
CO 2 激光器是输出 功率最高的气体激光 器，有连续输出 50kW ； 脉冲输出 1012W 的激光 器。
（3）氩离子气体激光器 输出波长： ? =488nm ； ? =514.5 nm ；
在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦 ~几百瓦。 氩/氪离子激光器， Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。
（1）氦-氖激光器
工作物质：氦氖混合气体
CO 2激光器中，加入其中的氦有利于激光下能级 抽空。氮气加入主要在 CO 2激光器中起能量传递作用， 为CO 2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。
24
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CO 2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25 圆筒的面积500cm2，不致镜片污染。