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常用激光器儘管發展到目前為止,激光器的種類繁多,數目不少,但經常為人們所採用、能定型批量生產或在不同程度上進入實用階段的激光器件。

1 常用激光器 -常用激光器

 

2 常用激光器 -正文

  儘管發展到目前為止,激光器的種類繁多,數目不少,但經常為人們所採用、能定型批量生產或在不同程度上進入實用階段的激光器件的數目還是很有限的。下面僅就其中最常用和最有代表性的幾種分別加以簡要介紹。
  紅寶石激光器  這是人們最早研製成功而至今仍被經常採用的一種固體激光器。其工作物質為紅寶石晶體,化學表示式為Al2O3:Cr3+,是將作為發光中心的三價鉻離子(Cr3+)摻入剛玉(Al2O3)基質中並經人工生長方法而成;整個晶體外觀呈暗紅色,並通常加工為圓棒狀。採用光泵方法激勵,室溫下輸出激光波長約為6943埃。通常情況下,是採用發光亮度較高的脈衝氙燈進行激勵,可在較低重複頻率下進行脈衝式運轉;在某些特殊場合下,亦可採用連續光源激勵而實現連續運轉。
  紅寶石激光器的主要優點是輸出可見光波段的激光,可在室溫下運轉,工作晶體抗激光破壞能力強,器件尺寸可做得比較小,能獲得較大功率的脈衝激光輸出等;其不足之處是為產生激光振蕩所必需的光泵閾值水平較高,激光振蕩受工作晶體溫度變化影響較為明顯,晶體光學質量不夠理想等。這種激光器主要用於激光測距、激光加工、激光全息技術、激光醫學及實驗室基本研究等方面。
  摻釹釔鋁石榴石激光器(YAG 激光器)  這種激光器的工作物質是摻有三價釹離子(Nd3+)的釔鋁石榴石晶體,其化學表示式為Y3Al5O12:Nd3+,呈淺紫色,通常加工成圓棒狀。該種晶體的熱傳導性能較好,而且激光振蕩特性受晶體溫升變化又比較小,故這種激光器可在連續光泵(連續氪燈激勵)條件下進行連續式運轉,或者在較高重複脈衝(脈衝氙燈激勵)條件下進行脈衝運轉,輸出激光波長為1.064微米。
  摻釹釔鋁石榴石激光器 (簡稱為YAG激光器)的主要優點是為產生激光振蕩所必需的光泵激勵閾值較低,器件的能量轉換效率較高,可在室溫條件下進行較長期的連續運轉或較高重複率(達每秒幾十次以上)脈衝式運轉;其不足之處是輸出激光為人眼看不見的近紅外光,因此在許多應用場合下需採用倍頻(二次諧波)技術將1.06微米激光轉換為0.53微米的綠色激光;此外,工作晶體受人工生長技術的限制不容易做得很大,且晶體本身抗激光破壞的能力不很強,因此不適於用來產生較高功率和較大能量的脈衝輸出。這種激光器主要應用於激光測量、激光加工、激光治療、激光泵浦、非線性光學以及實驗室基本研究等方面。
  釹玻璃激光器  工作物質是摻有三價釹離子 (Nd3+)的優質光學玻璃(常用者為硅酸鹽玻璃),呈淡紫紅色,通常情況下加工成圓棒狀,特殊要求場合下亦可成片狀或其他幾何形狀(見彩圖)。採用光泵(脈衝氙燈)激勵,輸出激光波長為1.06微米,可在室溫或高於室溫的較大範圍內進行單次脈衝運轉或較低重複率情況下的重複脈衝運轉。

常用激光器常用激光器

  釹玻璃激光器的主要優點是成本較低、器件的能量轉換效率較高,特別是用現有方法可製備大體積、高質量、抗激光破壞能力強的釹玻璃工作物質,故可製成較大尺寸的器件,用來獲得較高功率或較大能量(高於幾千焦耳)的近紅外脈衝激光輸出。其不足之處是玻璃工作物質的熱傳導性能較差,故不適於作連續運轉或較高重複率的脈衝運轉。這種激光器主要應用於激光加工、激光治療、激光測量、非線性光學與激光等離子體研究方面。
  氦氖激光器  是一種典型的原子氣體激光器,也是人們最早研製成功而且目前仍然是應用最廣的一種氣體激光器。工作物質為惰性氣體氦(He)與氖(Ne)的混合物,通常採用直流氣體放電進行激勵,其中氦原子起能量轉移作用,而氖原子起粒子數反轉和發射激光的作用,通常輸出為6328埃的紅色可見激光,也可製成近紅外波段的激光輸出,工作狀態為連續運轉。
  氦氖激光器的主要優點是裝置簡單、成本低廉、操作簡便、可長時間穩定運轉以及輸出為單色性較好的可見激光等;其主要不足之處是連續輸出的激光功率水平較低(通常在毫瓦量級)。這種激光器主要用於激光准直、激光顯示、精密測量與計量標準、全息照相與激光通信等方面。
  氬離子激光器  這是一種典型的離子激光器,工作物質為惰性氣體氬,工作氣壓一般在1托以下,以大電流直流放電進行激勵,在氬離子(Ar+)的3p44p至3p44s電子組態間實現粒子數反轉併產生相應的多條可見激光譜線發射,其中最強的激光譜線波長為4880埃和5145埃。
  氬離子激光器的主要優點是可以獲得較高功率(幾十瓦以上)的連續運轉可見激光輸出;不足之處是器件結構複雜、成本較高、能量轉換效率較低等。這種激光器主要用於激光顯示、信息處理、激光泵浦、全息照相以及激光光譜學研究等方面。
  二氧化碳激光器  這是一種典型的分子氣體激光器,工作物質為二氧化碳(CO2)分子氣體,通常情況下採用氣體放電進行激勵;當器件用於連續運轉時,工作物質氣壓較低(10托以下),當器件用於脈衝狀態時,工作物質氣壓較高(大於大氣壓);輸出激光波長主要在10.6微米附近的中紅外光譜區。
  二氧化碳激光器的主要優點是器件的能量轉換效率較高(可達20%),在脈衝運轉情況下可獲得大能量(幾千焦耳以上)脈衝激光輸出。這種激光器主要用於激光加工、激光治療、激光通信、非線性光學激光光譜學與激光等離子體研究等方面。
  氮分子激光器  是一種工作在紫外波段的脈衝氣體激光器。工作物質為氮分子(N2)氣體,採用快速大電流脈衝放電進行激勵,在氮分子的電子能級間實現粒子數反轉和產生波長較短的激光發射,其輸出波長主要分佈在近紫外光譜區,其中以3371埃激光譜線為最常用;輸出激光脈衝的時間寬度較窄,一般為納(10-9)秒數量級;輸出激光的脈衝峰值功率也較高,可達兆瓦量級以上;輸出脈衝重複率可達每秒幾十到幾百次。
  氮分子激光器的主要優點是輸出為近紫外激光,脈衝功率較高。困此適用於激光熒光分析、製造集成電路、激光育種、激光治療、探測污染、激光泵浦以及用於非線性光學方面的基礎研究等。
  準分子激光器  這是一種特殊類型並且主要工作在紫外波段的氣體激光器,工作物質為準分子氣體。準分子是一種不穩定的處於激髮狀態的複合分子,通常情況下它從產生到消失所經歷的時間很短(幾十納秒量級)。可產生激光作用的準分子氣體大體可分為三類:即惰性氣體準分子(如Xe2、Ar2等),惰性氣體原子與鹵素氣體原子結合而成的準分子(如XeF、KrF、XeCl等),以及金屬原子與鹵素原子結合而成的準分子 (如HgCl、CUF等)。這種激光器採用快放電激勵或脈衝電子束注入激勵;輸出多條激光譜線且主要分佈在光譜波段的近紫外區和真空紫外區。
  準分子激光器的主要優點是輸出激光位於近紫外與真空紫外區,可獲得較高功率和較大能量的脈衝激光輸出,器件的能量轉換效率較高。這種激光器的應用範圍與氮分子激光器大致相同。
  可調諧染料激光器  這是一種典型的液體激光器,工作物質為有機染料溶液,可採用脈衝氙燈或由其他激光器發出的激光進行光泵激勵;由於對選定的某種染料溶液而言,常常具有較寬的熒光發射譜帶和相應的激光增益帶寬,因此在激光器內採用適當的色散元件對振蕩頻率進行選擇性控制之後,可在較寬光譜範圍內(通常可達幾百埃以上)獲得單色性較好的可調諧激光輸出;若進一步變換所使用的染料媒質的種類或組合方式,則可在更加寬廣的光譜範圍內(可達千埃以上)實現可調諧激光振蕩。染料激光器可分別採用連續或重複脈衝兩種方法運轉,在以激光進行光泵激勵的情況下,器件有較高的能量轉換效率。目前,在可見光譜區運轉的染料激光器所使用的典型工作物質為若丹明 6G、若丹明B等類染料溶液。
  可調諧染料激光器主要應用於激光光譜學和非線性光學研究領域;此外,在激光顯示、信息記錄與存儲、激光醫學與生物學研究等方面也有其特殊的應用價值。
  半導體二極體激光器  這是人們最早研製成功的一種典型的半導體激光器,其工作原理如圖所示。在本質上,這種裝置類似於一種單向(正)偏壓發光二極體,在N區導帶的底部集居著電子,而在P區價帶的頂部集居著空穴;在正向偏壓作用下,電子由N區進入P區,並在PN結(交界)區與空穴相複合而產生髮光,發光光子能量約等於導帶與價帶之能量差;如果對PN結二極體施加的正向注入電流密度超過一定的閾值,使在PN結區由複合發光所決定的增益遠大於各種可能的光損耗,就可以形成相干的激光振蕩;此時,光學共振腔,可由垂直於結平面的兩個平行晶體解理面構成。

常用激光器常用激光器

  半導體PN結二極體激光器的主要優點是體積小、重量輕、成本低、效率高和使用壽命長。目前效果最好和使用最普遍的是雙異質結型砷化鎵(GaAs/GaAlAs)二極體激光器(見彩圖),可在室溫條件下以較高重複脈衝率運轉或連續運轉,輸出激光在0.8微米附近的近紅外區,並可按一定方式在有限的光譜範圍內進行調諧。

常用激光器常用激光器

  半導體二極體激光器在激光通信、信息存儲、處理與顯示、激光測距、制導、夜視及激光光譜學研究等領域均有重要應用價值(見激光、激光器、激光單元技術)。

 

3 常用激光器 -配圖

 

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