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激光器的分类

时间:2017-04-06 来源:新特光电 访问量:1018

实际应用的激光器种类很多,如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。

气体型的激光器主要有He-Ne(氦-氖)、CO2及氩离子激光器等。由于工作物质不同,产生不同波长的光波不同,因而应用范围也不相同。最常用而范围广的有CO2laser及Nd:YAG激光。有的激光器可连续工作,如He-Ne laser;有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作,又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd:YAG laser。 

(一)固体激光器 

  实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质(即含有亚稳态能级的工作物质)。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器,分别称为晶体激光器和玻璃激光器,通常把这两类激光器统称为固体激光器。   在激光器中以固体激光器发展最早,这种激光器体积小,输出功率大,应用方便。由于工作物质很复杂,造价高。

当今用于固体激光器的物质主要有三种:

掺钕铝石榴石(Nd:YAG)工作物质,输出的波长为1.06μm呈白蓝色光;钕玻璃工作物质,输出波长1.06μm呈紫蓝色光;红宝石工作物质,输出波长为694.3nm,为红色光。主要用光泵的作用,产生光放大,发出激光,即光激励工作物质。

固定激光器的结构由三个主要部分组成:工作物质,光学谐振腔、激励源。

聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能,激发大量的粒子,促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用:一是产生光;二是作为介质传播光束。因此,不管哪一种激光器,对其发光性质及光学性质都有一定要求。

(二)气体激光器

工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体,有的物质在通常条件下是液体(如非金属粒子的有水、汞),及固体(如金属离子结构的铜,镉等粒子),经过加热使其变为蒸气,利用这类蒸气作为工作物质的激光器,统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外,为了延长器件的工作寿命及提高输出功率,还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。

气体激光器大多应用电激励发光,即用直流,交流及高频电源进行气体放电,两端放电管的电压增压时可加速电子,带有一定能量,在工作物质中运动的电子与粒子(气体的原子或分子)碰撞时将自身的能量转移给对方,使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转,产生激光。气体激光器与固体激光器相比较,两者中以气体激光器的结构相对简单得多,造价较低,操作简便,但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性(惰性)原子、离子气体、分子气体三种激光器。

中性原子气体激光器这类激光器中主要充有以惰性气体(氦、氖、氩、氪等)的物质。具有典型应用的就是He-Ne(氦-氖)激光器。

首台He-Ne激光器诞生于1960年,它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线,主要产生的有632.8nm红光、和1.15μm及3.39μm红外光。632.8nmHe-Ne激光器最大连续输出功率可达到1W,寿命也达到10Kh以上。借助调节放大电流大小,使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005%,十分钟内的误差为0.015%的功率稳定度;发散角仅为0.5毫弧度。He-Ne激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好,单色性好,相干性强诸优点外,还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。He-Ne激光在精确指示,激光测量,医疗卫生方面有很广泛的用途。

He-Ne激光器结构大体可分为三部分,既放电管、谐振腔和激发的电源。现在临床上最常应用的为内腔式He-Ne激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流(在电场作用下气体放电),放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞,电子的能量传给原子,促使原子的能量提高,基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰,氦原子的能量传递给氖原子,并从基态跃迁到激发的能级状态,而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压,电流连续不断供给,原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时,分别发出波长3.39μm,632.8nm,1.53μm三种激光,而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外,另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同,只输出一种较长的光波632.8nm的激光。  

He-Ne激光的放电管,最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约2~3mm,管长几厘米到十几厘米,放电管越长功率越大,相应的放电电压就高。管内主要按5:1~10:1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.66~3.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极(其圆管状结构主要是为了减少放电测射),另一端装有钨针作阳极,放电管两端装有反射镜(即一头为全反射镜,出光一端为半反射镜)。这就构成了激光放电管。

在He-Ne激光器中,采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100%,另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约15~20cm,He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.5%~99.5%。谐振腔的轴线和放电毛细管 He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同,不能使用光泵激励,而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中,供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质,促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。 

(三)分子气体激光器

分子气体激光器与原子气体激光器不一样,分子气体由碳和氧组成(最常用),其原则上是能够实现高效率与高功率输出。分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器,分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。只不过是工作物质为分子与原子的差别。分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器。 

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激光器的放电管中,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。

CO2激光器结构组成为:①激光管:是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成,一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管,第2层为水冷套管,最外一层为储气管。CO2激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响,主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应,应根据管长而定。管长的粗一点,管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内,每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体,使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接,即储气管的一端有一小孔与放电管相通,另一端经过螺旋形回气管与放电管相通,这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动,放电管中的气体随时交换。    

(四)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。   和其他固体激光器 一样, YAG 激光器 基本组成部分是激光工作物质、泵浦源和谐振腔。不过由于晶体中所掺杂的激活离子种类不同, 泵浦源及泵浦方式不同, 所采用的谐振腔的结构不同,以及采用的其他功能性结构器件不同,YAG激光器又可分为多种, 例如按输出波形可分为连续波YAG激光器、重频YAG激光器和脉冲 激光器 等; 按工作波长分为1.06μmYAG 激光器 、倍频YAG激光器、拉曼频移YAG 激光器 (λ=1.54μm)和可调谐YAG 激光器 (如色心激光器)等; 按掺杂不同可分为Nd:YAG激光器、掺Ho、Tm、Er等的YAG激光器; 以晶体的形状不同分为棒形和板条形YAG 激光器 ;根据输出功率(能量)不同, 可分为高功率和中小功率YAG激光器等。形形色色的YAG 激光器 , 成为固体激光器中最重要的一个分支。

(五)半导体激光器 

半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器,发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固,特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期,由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN 结或PIN 结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs )、砷化锢(InAs)、氮化镓(GaN)、锑化锢( InSb)、硫化锅( cds )、蹄化福(CdTe )、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe )、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.。

半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注人式、光泵式和高能电子束激励式.。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人,即给Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管,因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值,这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在0.3 -34um之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaA:双异质结激光器,其输出波长为750 - 890nm.。世界上第一只半导体激光器是1962 年问世的,经过几十年来的研究,半导体激光器得到了惊人的发展,它的波长从红外、红光到蓝绿光,被盖范围逐渐扩大,各项性能参数也有了很大的提高,其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE),气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺.其激射闭值电流由几百mA 降到几十mA,直到亚mA,其寿命由几百到几万小时,乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到在常温下连续工作,输出功率由几毫瓦提高到千瓦级 (阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%).便于直接调制、省电等优点,因此应用领域日益扩大。目前,固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首,某些重要的应用领域过去常用的其他激光器,已逐渐为半导体激光器所取代。

半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展,半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平,而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展,发挥更大的作用.

(六)液体激光器

常用的是染料激光器,采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中(乙醇、丙酮、水等)中使用,也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光(在可见光范围)。染料激光器一般使用激光作泵浦源,例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调,且覆盖面宽是它的优点,使它也得到广泛应用。

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