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激光器分类及发展现状

目前,常见的激光器分为五类:气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器。最近,自由电子激光器经开发出来。大功率激光器通常通过脉冲输出获得更大的峰值功率。

目前,常见的激光器分为五类:气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器。最近,自由电子激光器经开发出来。大功率激光器通常通过脉冲输出获得更大的峰值功率。单脉冲激光是指在几分钟内输出脉冲激光,重频激光是指每分钟输出几次到几百次或更高的激光。

一、气体激光器

1.He-Ne激光:典型的惰性气体原子激光器,输出连续光,谱线632.8nm(最常用),1015nm,3390nm,最近又延伸到短波。该激光输出地的最大功率可达1W,但光束质量好,主要用于精确测量、检测、准确、引导、水照明、信息处理、医学和光学研究。 2.Ar离子激光器:典型的惰性气体离子激光器是利用气体放电试管中氩原子的电离和刺激,在离子刺激态能水平之间产生激光。它发射的激光谱线在可见光和紫外线区域,是可见光区输出连续功率最高的装置,商业化最高30-50W。它的能量转换率最高可达0.6%,频率稳定性为3E-11,寿命超过1000h,蓝绿色波段光谱(488/514.5)功率大,主要用于拉曼光谱、泵浦染料激光、全息、非线性光学等研究领域,以及医学诊断、打印分色、测量材料加工和信息处理。 3.CO激光:9波长~12um(典型波长10.6um)的CO2由于其效率高、光束质量好、功率范围大(数万瓦)、连续脉冲等优点,激光器已成为气体激光器中最重要、应用最广泛的激光器。主要用于材料加工、科研、国防检测等方面。常用形式有:封离式纵向电激励二氧化碳激光器TEA二氧化碳激光器、轴快流高功率二氧化碳激光器、横流高功率二氧化碳激光器。 4.N2分子激光器:气体激光器,输出紫外线,峰值功率可达数十兆瓦,脉宽小于10兆瓦ns,可调燃料激光器的泵浦源可用于荧光分析和污染检测,重复频率为数十至数千赫。 5.准分子激光器:一种以准分子为工作物质的气体激光器件。常用电子束(能量大于200千电子伏特)或横向快速脉冲放电实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时,受激态的能量以激光辐射的形式放出。 准分子激光材料具有低能量排斥,可有效抽空,无低吸收和能量损失,颗粒数量反转容易,增益大,转换效率高,重复率高,辐射波长短,主要在紫外线和真空紫外线(少数延伸到可见光)区域振荡,调谐范围广。它广泛应用于分离同位素、紫外光化学、激光光谱、快速摄影、高分辨率全息、激光武器、物质结构研究、光通信、遥感、集成光学、非线性光学、农业、医学、生物学和泵可调染料激光器,并有望发展成为核聚变激光器件。

二、固体激光器

1.YAG激光:可分为:Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、Er-YAG晶体。 Nd-YAG激光:固体激光,1064nm,Nd-YAG目前综合性能最好的激光晶体,连续激光器最大输出功率1万W,广泛应用于军事、工业、医疗等行业。 如果连续运行,一级振荡可获得400W多模输出,如果输出在百瓦级激光器中,使用单灯单杆,200W以上采用双灯单棒结构。Nd-YAG激光器不仅适用于连续性,而且具有优异的高重频运行性能。重频可达100~200次/s,最高平均功率为400w。高功率输出采用多级串联实现,平均功率最高可达600~重频800瓦~200次/s,单脉冲能量可达80J。 Ce-Nd-YAG激光器:在Nd-AG添加晶体Ce离子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce离子能很好地吸收紫外光谱区的光子能量,并以无辐射跳跃的方式传递能量Nd光谱利用率高,阈值低,重复频率特性好。 Yb-YAG激光器:Yb3+掺入YAG在基质中形成的产生1.03um近红外激光激光晶体与Nd-YAG属于同一基质,但由于掺杂不同,生长过程也不同。掺Yb-YAG由于量子效率高,晶体光谱简单,无刺激性吸收和上转换,无荧光浓度猝灭,掺杂浓度高,荧光寿命长,吸收带宽比Nd-YAG宽得多,能与二极管的泵浦波长有效耦合。输入功率相同,Yb-YAG泵浦生热仅为Nd-YAG的1/4。而且YAG基质的物化特性综合性能最好,因此Yb-YAG它已成为最引人注目的固体激光介质之一,LD高功率泵浦Yb-YAG固体激光器已成为一个新的研究热点,并将其视为高效高功率固体激光器发展的主要方向。 Ho-YAG激光器:2097年可产生人眼安全nm和2091nm主要用于光通信、雷达和医学应用。Ho-YAG激光器对冷却和干燥有严格的要求,水冷控制在10摄氏度以下。干燥装置要确保没有水蒸气的影响。在人眼安全波段范围内,由于水吸收大,穿透深度很浅,对人体特别是眼睛意外伤害的可能性大大降低。 Er-YAG激光:输出2.9um波长可被水吸收,主要用于医学。晶体主要吸收可见光和紫外线,因此光腔反射镜的材料主要使用高反射铝和银。目前Er-YAG激光器最大输出功率可达3瓦,最大脉冲输出可达5瓦J。长波长固体激光器是目前输出功率最大、效率最高的激光器。人体对2940nm的吸收是10640nm因此,激光外科和血管外科具有很大的应用潜力。 2.红宝石激光器:红宝石只能在低温下实现连续输出,阈值很高,因此在室温下没有连续输出红宝石激光器。适用于单次或低频脉冲激光器。单脉冲能量可达1~20J,重频5~10单脉冲能量可达1J左右。 3.玻璃激光器:玻璃也很难在室温下工作。适用于单次或低频脉冲激光器。重频限制在5次/s,单次脉冲能量可达100~80J。

三、半导体二极管激光器

半导体二极管激光器是以一定的半导体材料作为工作物质而产生受激发射的装置。其工作原理是在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或半导体物质的能带与杂质(受主或受主)能级之间,通过一定的激励方式实现不平衡载流子的粒子数反转。当大量电子和空穴复合处于粒子数反转状态时,就会产生受激发射。 发光波长随禁带宽度而变化。 主要有三种激励方式:电注入式、光泵式和高能电子束式。 电注入式半导体激光器一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化镓),Insb半导体面结型二极管(锑化镓)等材料制成,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生激励发射。 光泵式半导体激光器一般采用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)用其他激光器发出的激光作光泵激励工作物质。 高能电子束激励半导体激光器一般采用N型或P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)通过外部注入高能电子束来激励工作物质。 目前,最常用的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器常见于635红光;氮化镓 (InGaN) 常见的二极管激光器有532绿光和405蓝光。高斯光束可以描述二极管激光器发射的激光,其特点是长条形发射体,水平和垂直方向的发射角不同。一般水平只有几度,垂直可达40度。在大多数光耦合技术中,水平角被忽略,垂直角被用作激光激光器的发散角。 主要用于电子信息。光纤通信、光传感、光盘、激光打印、条形扫码、集成光学。 400~780nm用于条形扫描、检测、光存储、激光打印等。 790~1020nm应用于条形代码扫描、激光打印、光存储等领域。近年来,大功率半导体激光器取得了巨大进展,连续输出功率可达1~20w。 1300 与1550 相应的半导体主要用于长距离大容量干线光通信。 介于1300 近年来,1480与1550之间的输出功率可达50~100mw。

四、染料激光器

其突出的优点是输出波长可调,不仅可以从0获得.3~1.3um可调窄带高功率激光也可以通过混频技术从紫外线到中红外获得可调谐相干光,因此目前主要用于光谱研究。

五、光纤激光器

光纤激光器应用广泛,包括激光光纤通信、激光空间远程通信、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光标记激光切割、印刷辊、金属非金属钻孔/切割/焊接、军事国防安全、医疗器械设备、大型基础设施等。 玻璃光纤制造成本低、技术成熟、光纤可饶性小、密集优势;玻璃光纤不需要像晶体那样严格的相位匹配,因为玻璃基质Stark 分裂引起的不均匀宽度导致吸收带较宽; 玻璃材料体积面积比极低,散热快,损耗低,转换效率高,激光阈值低; 由于稀土离子能级丰富,稀土离子种类繁多,输出激光波长多: 可调性:由于稀土离子能级宽,玻璃光纤荧光谱宽。 由于光纤激光器谐振腔内无光学镜片,具有无调节、无维护、稳定性高的优点,是传统激光器无法比拟的。 由于光纤激光器谐振腔内无光学镜片,具有无调节、无维护、稳定性高的优点,是传统激光器无法比拟的。 光纤导出,使激光器能轻松胜任各种三维任意空间加工应用,使机械系统的设计变得非常简单。 能胜任恶劣的工作环境,对灰尘、冲击、冲击、湿度、温度有很高的容忍度。 不需要热电制冷和水冷,只需要简单的风冷。 电光效率高:综合电光效率高达20%以上,大大节约了工作耗电和运行成本。高功率,目前商用光纤激光器可达6千瓦。

六、自由电子激光器

输出的激光波长与电子能量有关:因此,激光波长可以通过改变电子束的加速电压来改变,称为电压调谐,调谐范围广,原则上可以在任何波长上运行。 在现有电子枪和加速器的实验条件下,可获得从毫米波到光频波段的连续调谐相关辐射。自由电子激光器的输出功率与电子束的能量、电流密度和磁感应强度有关。它有望成为具有稳定功率和频率输出的高平均功率、高效率(理论极限为40%)和高分辨率的激光器件。它可以避免一些过程中的麻烦(如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀性金属和玻璃)。此外,它基本上没有使用寿命问题。 自由电子激光在短波长、大功率、高效率和波长调节四个主要方向上,为激光学科的研究开辟了新的途径,可用于凝聚物理学、材料特性、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性和瞬态现象,在通信、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域,其应用前景也十分广阔。 美国机载激光武器系统机载激光武器系统所使用的就是高能化学碘氧自由电子激光器(COIL)。

七、二极管泵浦固体激光器

二极管激光器和二极管泵浦的固体激光器已成为固体激光器发展的主流,并转换效率高,稳定性好,可靠性高,是至今唯一不需维护的激光系统,输出质量高,体积小,结构紧凑等特点。二极管泵浦固体激光器的关键技术:光耦合技术,泵浦技术,冷却技术与电源技术。这种激光器输出功率可以大范围变化,即从几十瓦到几千瓦,市场上商用最大的可达6000w.

八、固体紫外激光

  目前主要有以下两种方式:  (1)直接倍频LD输出获得紫外激光。 通过二次倍频红外得到紫外,具有较高的光光转换效率,但要求LD不仅能够输出较高,而且还必须实现单频运转。  (2) LD泵浦,非线性光学频率转换的紫外激光器。该方法主要是利用激光二极管的发射带与铷离子的吸收带符合的很好,减少能量的内积,从而降低热透镜效应,改善光束质量,获得很高的泵浦效率。

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