常用激光器简介

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CO₂，氮气，氦气三种气体组成。

其中CO₂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%）。

（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。

由于其波段涵盖了1.3μm和1.5μm两个主要通信窗口，因此光纤激光器在光通信领域拥有不可替代的地位，大功率双包层光纤激光器的研制成功使其在激光加工领域的市场需求也呈迅速扩展的趋势。

光纤激光器在激光加工领域的范围和所需性能具体如下：软焊和烧结：50－500W；聚合物和复合材料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打印：20W－1kW；金属淬火和涂敷：2－20kW；玻璃和硅切割：500 W－2kW。

此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断。

远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑，能量和波长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。

五、Nd∶YAG激光器
YAG激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。

钇铝石榴石的化学式是Y3 Al5 O15 ,简称为YAG。

在YAG基质中掺入激活离子Nd3+ (约1%)就成为Nd:YAG。

实际制备时是将一定比例的Al2 O3、Y2 O3和NdO3在单晶炉中熔化结晶而成。

Nd:YAG属于立方晶系, 是各向同性晶体。

由于Nd:YAG属四能级系统, 量子效率高, 受激辐射面积大, 所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。

又由于Nd:YAG晶体具有优良的热学性能, 因此非常适合制成连续和重频器件。

它是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质，在中小功率脉冲器件中, 目前应用Nd:YAG的量远远超过其他工作物质。

Nd:YAG激光器为四能级系统，室温下有多条荧光谱线，正常工作条件下（室
温）1064纳米波长激光震荡最强，简化能级如下图所示：
如果在谐振腔内插入标准具或色散棱镜，或以特殊设计的谐振腔反射镜作为输出镜、使用镀有高度选择性介质膜的反射镜，抑制不需要的波长的激光震荡，可获得所需要波长的激光跃迁，如1319纳米、1338纳米、946纳米等。

输出波长为1064纳米的Nd：YAG激光器，经过倍频（KPT）晶体后可产生波长为532纳米的激光。

输出光有连续、准连续等形式。

Nd：YAG中掺入Nd3+浓度应合理，掺杂浓度高，则吸收效率高、反转粒子数高、激光器的效率高，但是掺杂浓度太高时，转换效率不仅不会增高，反而会下降，甚至出现浓度淬火现象。

Nd 原子浓度一般在0.15%~1.15%以内，浓度较高会缩短荧光寿命，使展宽线变宽，在晶体中引起应变，最终导致光学质量变差、效率降低。

应用中，根据需要选择合适的掺杂浓度从而提高激光器的性能，对于Q开关运转，选择高浓度的掺剂（1.12%），以产生高储能；对于连续运转，通常选择低浓度的掺剂（0.15%~0.18%），。