2020年常用激光器简介

2020年常用激光器简介
2020年常用激光器简介

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,

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%),以获得优良的光束质量。增益介质的尺寸通常根据激光器的增益选择,高增益的激光器选择大尺寸的YAG棒,长度可达150毫米,低增益的激光器通常选择短的激光棒,有几毫米或几十毫米,太长的激光棒不仅不能提高增益,反而会因为吸收损耗等因素而降低效率。

Nd:YAG激光器采用激光二极管(LD)作为泵浦源,体积小、重量轻、寿命长,不需要冷却系统,为激光系统小型化提供了有利条件。LD泵浦Nd:YAG激光器的结构形式有端面泵浦和侧面泵浦两种。端面泵浦方式灵活方便,通过光纤耦合的泵浦光发散角小,可与固体激光器的基模相匹配。侧面泵浦可采用多个LD阵列,散热效果好,可提供较强的泵浦光,适合大功率运转。

YAG激光器是军用装备中应用最广泛的一种激光器, 主要用作激光雷达、激光测距、激光制导和激光对抗等方面。由于它具有测量精度极高, 抗电子干扰能力强, 使武器系统的瞄准精度和杀伤威力大大提高, 在激光雷达面临反辐射导弹、电子战、低空超低空突防和隐身目标严重威胁的情况下, 采用激光系统可以增强武器装备的战斗力和生存能力, 起到武器装备能力倍增器的作用, 其军事效能已在多次实战中得到验证。

YAG激光器在工业中的应用主要是用于材料加工,如切割、焊接、打孔等,不仅使加工质量得到提高, 而且提高了工作效率; 在医疗方面的应用, 主要是作为手术刀, 使手术不出血或很少出血, 而且可以作一般手术刀无法或难以进行的手术, 如脑血管、心血管及眼科手术等。除此之外, YAG激光器还可以为科学研究提供一种精确而快捷的研究手段。

同时,Nd:YAG激光器在医疗方面有重要的应用。如激光治疗皮肤色素疾病以及激光美容均采用中心波长为1064纳米的振荡激光,1064纳米波长的激光穿透力深,可被皮肤深层的黑色素细胞选择吸收,具有高选择性、高效性、安全可靠、操作简便的优点等。

作者:非成败

作品编号:92032155GZ5702241547853215475102

时间:2020.12.13

激光器激励原理

激光器激励原理 —固体激光器 1311310黄汉青 1311343张旭日辅导老师:

摘要:固体激光器目前是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用,更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器,接着介绍一些典型的固体激光器,最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词:固体激光器基本原理基本结构应用 1引用 世界上第一台激光器—红宝石激光器(固体激光器)于1960年7月诞生了,距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃,并且对人类社会产生了巨大的影响。 固体激光器从其诞生开始至今,一直是备受关注。其输出能量大,峰值功率高,结构紧凑牢固耐用,因此在各方面都得到了广泛的用途,其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点,其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用,给我们的现实生活带了许多便利。 未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展: a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量 现在,激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域,它标志着新技术革命的发展。诚然,如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比,你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段,更令人激动的美好前景将要来到。 2激光与激光器

2.1激光 2.1.1激光(LASER) 激光的英文名——LASER,是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写[1]。2.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件[2]: 1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构; 2)有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能级之间产生粒子数反转; 3)有光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束的传播方向,选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 3固体激光器 3.1工作原理和基本结构 在固体激光器中,由泵浦系统辐射的光能,经过聚焦腔,使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能,让工作物质中形成粒子数反转,通过谐振腔,从而输出激光。 如图1所示,固体激光器的基本结构(有部分结构没有画出)。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。

医学中常用的激光器

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

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:

CO2激光器原理及应用

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)

摘要:本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况,简单介绍了激光和激光器的一些特点,重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用,目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理,着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用,最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器;基本原理;基本结构;应用; Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application

常用激光器简介

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

光纤激光器工作原理及发展

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

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。

2020年常用激光器简介

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,

半导体激光器工作原理及主要参数

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

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 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

激光的原理及激光器分类

激光器的原理及分类 一、基础原理 量子理论认为,所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时,根据能量守恒定律,它要把两个能级相差部分的能量释放出来,通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等地发光)是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级(E2)的电子寿命很短(一般为10-8~10-9秒),在没有外界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将产生光(电磁波)辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联,所有辐射的光在发射方向上是无规律的

射向四面八方,并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级,一旦电子被激发到这个高能级之上,却由于不满足跃迁的条件,发生跃迁的几率很低,电子能够在高能级上的时间很长,就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁,并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子,在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射,激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转 通过受激辐射出来的光子,不仅可以引起其他粒子受激辐射,也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时,所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下,原子都是都处于稳定的基态,只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态,才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。

激光原理考试基本概念

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。

常用激光器简介

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

CO2激光器基本原理.

CO2 激光器基本原理 CO2 激光器基本原理、机构介绍 CO2激光器效率高,不造成工作介质损害,发射出10.6μm波长的不可见激光,是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式,按激励方式分电激励,化学激励,热激励,光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2 激光器几乎百分之百是电激励。 CO2激光器的工作原理:与其它分子激光器一样,CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动,即分子里电子的运动,其运动决定了分子的电子能态;二是分子里的原子振动,即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态;三是分子转动,即分子为一整体在空间连续地旋转,分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂,因而能级也很复杂。 CO2分子为线性对称分子,两个氧原子分别在碳原子的两侧,所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着,要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论,CO2有三种不同的振动方式:①二个氧原子沿分子轴,向相反方向振动,即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值,而此时分子中的碳原子静止不动,因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动,且振动方向相同,而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的,又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动,其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反,又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中,确定了有不同组别的能级。 CO2激光的激发过程: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

高功率光纤激光器研究进展

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

固体激光器原理及应用

编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)

摘要:固体激光器目前是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用,更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器,接着介绍一些典型的固体激光器,最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词:固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application

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