6-1 固体激光器特性

实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究

固体激光器是指以某些晶体或特种玻璃为工作物质的激光器。目前，世界上找到的能产生激光的固体物质有几十种，但应用比较成熟的只有钇铝石榴石（YAG：Nd3+）红宝石、钕玻璃等。

固体激光器有连续和脉冲两种工作方式。连续激光器能长时间持续输出稳定的激光，功率从几毫瓦到几百瓦，脉冲激光器又可分为单脉冲激光器及重复频率激光器。前者几秒钟发射一个脉冲，后者一秒钟发射几个到几十个脉冲，激光持续时间为毫秒级，功率为千瓦级。

在脉冲激光器上加一个调Q装置就成为巨脉冲激光器，它可以使激光脉冲缩短到纳秒（10-9s）数量级，从而大大提高了脉冲功率（兆瓦数量级）。近年来出现的锁模技术的激光器——锁模激光器，其激光脉冲为皮秒（10-12s），甚至达到飞秒（10-15s）数量级，脉冲功率有很大增加。

固体激光器能输出连续激光或功率高的激光脉冲，从而产生用通常方法难以达到的局部超高温、超高压，因而应用越来越广泛。在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。以固体激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上。科学研究上常用固体激光器作为强光源实现动态全息摄影。大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，前景十分广阔。

激光技术的飞速发展和广泛应用使得激光已成为高校中越来越多的学科、专业学习和研究的重要课题。激光器的结构、工作原理，激光的形成条件及其性能和基本参数的检验与测定是非常必要的。

【实验目的】

1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。

2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。

3、测定激光器输出光束的发散角。

【实验原理】

（一）固体激光器的基本结构和工作原理

激光，其英文为Laser，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation，全名译为辐射的受激发光放大。这很好地概括了激光产生的机制。激光器就是根据激光产生的机制而设计的。它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。实验所用Y AG激光器的结构如图6-1-1所示。

1、工作物质

要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布。粒子数反转分布的条件是

11

22

1>N g N g (6-1-1) 式中1N 一下能级的粒子数密度；

2N 一上能级的粒子数密度；

21,g g 一下能级1E 和上能级2E 的统计权重。

YAG 脉冲固体激光器采用掺钕钇铝石榴石（Y AG ：Nd 3+）作为工作物质，它具有四能级系统，其简化能级图如图6-1-2所示。

2、泵浦系统

本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。触发器接通后，立即发出一

个一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到234F 能级上。在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。当粒子跳回低能级上时发光。比如在实现29344I F →、2112344I F →、213344I F →的能级间的跃迁时，

产生中心波长约为m μ914.0、m μ06.1和m μ35.1的荧光谱线。在通常的条件下，以m μ06.1的荧光谱线为主。

为了提高氙灯光能的利用率，要把氙灯和工作物质一起装在聚光腔内。聚光腔一般做成椭圆或圆柱形，也有双椭圆或球形的，内表面镀银或镀金，并精密抛光。为了利于散热和减少有害的紫外线辐射，灯和工作物质棒通常装在玻璃套管内，套管内充以0.3％的重铬酸钾水溶液。

3、光学谐振腔

为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。在忽略介质内部损耗的情况下，阈值条件为

1221≥l e r r G (6-1-2)

式中：21,r r 一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；

l —激活介质的长度；

G —激活介质的增益系数，定义为：

()dz

z I z dI v G v v .)

()(=

(6-1-3)

即频率为ν的单色光在激活介质中传播单位距离所增加的光强的百分比。

谐振腔除了造成高的光子密度，满足激光的阈值条件外，还起到了选择作用，即只有光在垂直腔镜的多次反射下才能输出激光，所以激光的方向性好，且腔越长，方向性越好。

（二）YAG 激光器输出特性 1、输出特性曲线

输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。见图6-1-3。

当改变激光电源中储能电容的充电电压或电容时，就得到了不同的输入能量，其大小由下式计算

()

222

1剩充U U C E -=

λ （6-1-4） 式中C 为储能电容器的电容，单位为F ，充U 为充电电压，单位为V ，剩U 为电容器放电后的剩余电压值。输入能量入E 的单位是J 。

激光器的输出能量出E 由能量计读出。由图6-1-3可知，对于每一台激光器，都存在着一个最小能量值min E ，当输入激光器的能量等于或小于min E 时，激光器停止振荡，min E 叫做激光器的光泵能量阈值，这是指已调好的激光器能够正常输出激光所需要的最小输入能量值。

对于输出特性曲线上的每一个点，都对应一个输出能量出E 与输入能量入E 的比值，用η来表示，叫做激光器的绝对效率，具体表示为

%100?=入

出E E

η

（6-1-5）

对于不同的点，η的值是不同的。

在输出特性曲线上，有一直线区间，它表示激光器在这一区间工作时，其输出能量与输入能量的变化成比例，通常引人斜效率斜η来描写这一特性。即

B

A B

A E E E E 入入出出斜--=

η （6-1-6）

A 、

B 为直线部分上的任意两点。

入斜—、E ηη曲线与输出特性曲线的对应关系如图6-1-4所示。

测定一台激光器的min E 和对于了解该激光器的性能，掌握它的最佳工作参数，改进激光器的设计，都是有意义的。

2、发散角

激光束虽有极好的方向性，但也不是绝对严格的平行，即使是理想的平行平面谐振腔，由于输出的是有限宽度的平面波，也因衍射效应而使光束具有一定的发散性。因而在光束的传播过程中，光束的横截面将越来越大，其发散度可用图6-1-5所示的平面发散角θ'（或立体发散角Ω）描述。激光束发散角的大小是判断光束方向性优劣的一个重要参数。

按照几何光学原理，严格的平行光束在消像差透镜L 的像平面上将形成一无穷小的像点；然而具有发散角θ'的光束在透镜像平面上则形成一圆形光斑，如图6-1-6所示，相应光斑的直径D 由下式确定：

f D ''=θ2 (6-1-7)

式中f '为透镜的焦距，显然，若将照相机物镜先调焦于无穷远，再对欲测定其发散角的激光束拍摄一照片，测出底片上摄得的激光圆斑的直径，即可由（6-1-7）式计算其发散角。

固体激光器的发散角为“毫弧度”数量级，而且固体激光器的能量较强，上述测发散角方法中的拍摄照片的底板可以改用黑色相纸。即在激光器前面适当位置放一长焦距（>100mm ）透镜，而在它的焦平面上放置一张黑色相纸，发射一个激光脉冲，在相纸上就出现一个聚焦后的烧蚀斑点。测出其直径D ，就可算出发射角。测量发散角装置如图6-1-7所示。 【实验仪器】

YAG 固体激光器、能量计、He 一Ne 激光器，读数显微镜，直流电源等。 【实验内容】

1、调整激光器的谐振腔

要求全反镜、输出镜及工作物质棒的两个端面（一共四个平面）严格保持平行，从而使谐振腔有最佳的品质。激光器的输出跟谐振腔凋整的精度有关，如调整不好，输出显著减少、甚至不输出激光。因此，这步工作必须仔细做好，才能输出好的激光束。

本实验采用He —Ne 激光器辅助调节法调整固体激光器。调节前，须将He —Ne 激光管水平放置，并使其轴线与固体激光器谐振腔的光轴大体一致，两者距离约1.5m ，在He-Ne 管前放一白色小孔屏，让激光束通过小孔射出，作为基准光线。调整固体激光器的基座，使He-Ne 激光能穿透两块镜片和工作物质棒，见图6-1-8。

第一步：将全反镜连同框架一起卸掉或使其明显偏离标准位置，并用纸挡住半反镜，调节基座，使棒的两个端面反射回来的光斑恰好进入白色小孔屏的小孔，这时棒的端面已经与激光垂直（因棒的两端面是平行的，所以通常只看到一个反射斑。

第二步：取掉挡住半反镜的纸片，调节半反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光斑也进入小孔。 第三步：轻轻装上全反镜，用纸片挡住工作物质，再调节全反镜框架上的螺丝，使它反射回来的光也进入小孔。

这时，激光器已进入工作状态。将氙灯的电极与激光电源背后的输出接线往相连，并接通触发高压。在激光器的输出端放入一张黑色相纸，开启电源，按下“充电”按钮，选择适当的充电电压，然后按“触发”按钮，此时在黑色相纸上如能打出一个烧蚀斑，即表示已有激光输出，如打不出烧蚀斑，则可能是激光太弱，可适当加大输入能量（不能过高）再试，若仍打不出烧蚀斑，就需要重新检查激光器是否调好。如果调整比较好，应该打出与棒的直径相仿的均匀的烧蚀斑。当然，对烧蚀斑的分析是复杂的，它不仅取决于谐振腔调节的精度，还取决于工作物质的光学均匀性及发光离子的分布情况等。并不是所有激光器总能调成一个圆形的烧蚀斑，因此，在实验中，烧蚀斑只要近似圆形就算基本上可以工作了，而且，在打烧蚀斑过程中，也可以再微调输出镜，使其输出达到最大。

2．测量输入、输出能量

激光器处于工作状态后，就可以用能量计来测量输出激光能量了。充电电压可以从900V 或950V 开始，逐次下降，每隔50V 测一个点，分别计算输入能量入E 、输出能量出E ，以入E 为横坐标、出E 为纵坐标，画出出E 一入E 曲线，从而计算出绝对效率η和斜效率斜η，并画出η一出E 及斜η一入E 曲线。

数据记录表如下：

表6-1-1 输入、输出能量测量

工作物质 Y AG ：Nd 3+

3、测量发散角

输出激光经透镜聚焦，在透镜的焦平面上放置一屏，上面固定一张黑色相纸。在调节好位置后，打出三个聚焦烧蚀斑点，用读数显微镜测出斑点直径D ，用公式f D =θ算出发散角。数据表如下：

表6-1-2 发散角的测量

【注意事项】

1、电源工作时绝对不能用手触摸储能电容器或氙灯两极，关闭电源后，因电容器中尚有残余电压，手也不能触摸，以防触电！

2、激光器工作时，切不可将眼睛对着输出镜，否则会严重烧伤眼睛，造成不可挽救的后果。

3、He 一Ne 激光器完成辅助调节任务后，即应关闭，然后再试固体激光器的激光输出。

【参考资料】

1、周炳琨，激光原理，北京：国防工业出版社，1995.

【附录6-1-1】

PE—1型能量计使用说明

PE—1型能量计是专为物理实验室设计的激光脉冲能量测试装置。它由光电转换头、数字显示两部分组成。主要性能：

（1）通光口径Φ30mm。

（2）最大探测能量为2000mJ，其分三个量程：20mJ、200mJ、2000mJ。

（3）具有保持功能，可保持该次测量光脉冲能量的最大值。

（4）电源为50Hz、200V±10％、功耗10VA。

（5）具有对电网峰涌的抗干扰装置。

仪器的面板如图6-1-9所示。

仪器的操作顺序为：

（1）打开光电转换头端

盖，使激光输出对准光电转换

头小孔的中央，并呈垂直位

置。

（2

管应有显示。

（3）根据激光输出能量

的大小，按下合适的量程按

钮，如果无法估计其大小，则

按下最大量程钮然后根

据测量结果再换用合适的量程。

（4000。

（5-000，则用按动复位钮，这时数码管可显示为-000。

如果数码管仍不显示为-000-000（或具有一个很小的数值如001～005，则可不必再调节，只要在测量结果中减去初始值即可）。

（6）操作激光电源使激光器输出激光，这时显示屏上显示的数字即为该次测量的光脉冲能量。

（7-000，即可进行下次测量。注意：要完全回复至-000，可能需要很长的时间，故有时为简单起见，待数字回复到001～005时，即可进行下次测量。测量结果应为显示值减去初始值。

注意：

（1）小量程的数字可能跳动比较频繁，这是正常的。但如果发现在调零时跳动不停，则转换头与仪器的连接线未接好，应仔细检查。

（2）转换头与仪器之间的连接必须注意十、一，不能接反。

固体激光器原理固体激光器

固体激光器原理-固体激光器 固体激光器发展历程 固体激光器发展历程 固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。 这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：

具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉 、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；http://具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

工作物质 固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。 玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。 晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943

6-1 固体激光器特性

实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究 固体激光器是指以某些晶体或特种玻璃为工作物质的激光器。目前，世界上找到的能产生激光的固体物质有几十种，但应用比较成熟的只有钇铝石榴石（YAG：Nd3+）红宝石、钕玻璃等。 固体激光器有连续和脉冲两种工作方式。连续激光器能长时间持续输出稳定的激光，功率从几毫瓦到几百瓦，脉冲激光器又可分为单脉冲激光器及重复频率激光器。前者几秒钟发射一个脉冲，后者一秒钟发射几个到几十个脉冲，激光持续时间为毫秒级，功率为千瓦级。 在脉冲激光器上加一个调Q装置就成为巨脉冲激光器，它可以使激光脉冲缩短到纳秒（10-9s）数量级，从而大大提高了脉冲功率（兆瓦数量级）。近年来出现的锁模技术的激光器——锁模激光器，其激光脉冲为皮秒（10-12s），甚至达到飞秒（10-15s）数量级，脉冲功率有很大增加。 固体激光器能输出连续激光或功率高的激光脉冲，从而产生用通常方法难以达到的局部超高温、超高压，因而应用越来越广泛。在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。以固体激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上。科学研究上常用固体激光器作为强光源实现动态全息摄影。大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，前景十分广阔。 激光技术的飞速发展和广泛应用使得激光已成为高校中越来越多的学科、专业学习和研究的重要课题。激光器的结构、工作原理，激光的形成条件及其性能和基本参数的检验与测定是非常必要的。 【实验目的】 1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。 2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。 3、测定激光器输出光束的发散角。 【实验原理】 （一）固体激光器的基本结构和工作原理 激光，其英文为Laser，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation，全名译为辐射的受激发光放大。这很好地概括了激光产生的机制。激光器就是根据激光产生的机制而设计的。它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。实验所用Y AG激光器的结构如图6-1-1所示。

第一台激光器——红宝石固体激光器

第一台激光器——红宝石固体激光器摘要：本文主要回顾了第一台激光器的研制历程，介绍了红宝石激光器的工作原理和它的发明者梅曼先生。 一、发展历程 1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”( Light amplification by the stimulated emission of radiation )。爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到. 1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。 1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。 1934年，克赖克汤和威廉}i} i}i}于振荡器发现了电磁波和分a:.的相互作用。这是最旱期的电磁波谱学实验。 30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础. 1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础. 1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备.他们开始着手进行微波波谱学山研究。当时，韦伯(Webber )、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫(11po1。二。。)以及汤斯("l}ow'nes)等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。这是激光理论发展的重要起点. 1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。 关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。这是哥伦比亚大学的兰姆( Larnb)和另一同事的共同成果。他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。 作为激光的物理基础—受激辐射早在1917年就为人所知.可是，从1917年到1950年30多年来，在实验上却一直没有人去证明这个过程的存在.人们以为，要想在小于一亿分之一秒的时间里进行原子受激发射的宏观观察是难于做到的。但在后来激光器制成后.实验工作并不象人们最初所设想的那样艰难。从1940年观察到离子数反转到激光器，这中间仅仅一步之差，可是这“一步”却一直走了20年. 人类对电磁波的利用和无线电技术的发展，使社会和生产急需把这种利用由无线电波段向微波波段扩展，这就导致了微波放大理论及其器件的产生. 1951年，美国的汤斯提出了利用受激辐射获得放大的原理首先获得微波放大的设想.同年，普塞耳(I'urcell)和庞德(Pound)用核磁共振所进行的一次实验，造成了粒子数反转，进一步确认了受激辐射过程，给微波放大器的产生带来了希望。其后，汤斯进行了两年半的艰苦工作，干1953年末和果尔登(Gordon )、

固体激光器原理及应用

固体激光器原理及应用

————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：

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 ............................................................................... 错误!未定义书签。关键词 ........................................................................... 错误!未定义书签。Abstract ....................................................................... 错误!未定义书签。Kｅy words ................................................................... 错误!未定义书签。1引用2? 2激光与激光器 ........................................................ 错误!未定义书签。 2.1?激光 ........................................................................ 错误!未定义书签。 2.2激光器 ............................................................... 错误!未定义书签。３?固体激光器 .............................................................. 错误!未定义书签。３．1?工作原理和基本结构 ........................................ 错误!未定义书签。３．2?典型的固体激光器?错误!未定义书签。 ３.３典型固体激光器的比较?错误!未定义书签。 3.4固体激光器的优缺点?错误!未定义书签。 4固体激光器的应用?错误!未定义书签。 4.1?军事国防?错误!未定义书签。 4．2?工业制造?错误!未定义书签。 4.3医疗美容?错误!未定义书签。 5结束语 .................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ....................................................................... 错误!未定义书签。

固体激光器原理及应用

固体激光器原理及应用 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。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五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激光与激光器 1.1激光 1.1.1激光（LASER） 激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 1.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件： 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。 1.1.3激光的特点 与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。

半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf=Eg f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ，h=6.628×10?34J ·s ，leV=1.60×10?19J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85μm 波段，InGaAsP-InP 材料适用于1.3~1.55μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th 表示。当激励电流II th 时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I 曲线是线性变化的。对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。 阈值电流主要与下列影响因素有关： a) 晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。 b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。 c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。 d) 温度越高，阈值电流越大。 2）外微分量子效率 ) (th d th I I e hf P P -+=ηλ c =f

激光器激励原理资料

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：

Gb激光器各供应商性能比较总结

当前生产40Gbps EML器件的厂商主要有OKI、Cyoptics、MITSUBISHI、Eudyna。其中有三家（OKI、MITSUBISHI、Eudyna）满足XLMD-MSA标准，即是双GPPO高频同轴接口和14个pin脚的蝶形器件。Cyoptics 虽然不满足XLMD MSA但其满足ITU and MSA标准，其的特点是EA偏置可以单独调节，给最后整个模块的调试带来极大的方便。还有其监测电流最小为0.4μA。OKI （JOG-01401）其EA的偏置是和驱动输出在一起，这样给调节带来极大的困难。MITSUBISHI的EA的偏置可以调节但是是与LD偏置在一起调节，想对于OKI来说比较方便，但是调节还是存在一定的困难。在TEC功耗方面OKI （JOG-01401）和Eudyna （HS/ETM5401NF）比较低正常工作时为1.3W，这就为其他器件腾出了更大的功耗容量。激光器的阈值电流多家公司为35mA,其中MITSUBISHI（FU-697SEA-1M1）只有20 mA，但其输出光功率最大可达3 dBm。在驱动内置的三家公司中，OKI （JOG-01401）和Eudyna（HS/ETM5401NF）驱动控制引脚为6pin，MITSUBISHI （FU-697SEA-1M1）为5pin，但其X-Point控制电压绝对值最小，并且没有X-Point控制电压参考电压。在高频输入信号电压方面，差分输入信号的范围为0.2到1Vpp之间，其中Eudyna（HS/ETM5401NF）输入的差分信号最小为0.2to 0.5 Vpp，并且驱动芯片为差分输入，其高频输入电压是单端输入的一半左右。各个厂商的具体参数见下表 小结：1）.以上各厂商共同的缺点是驱动前没有DC-BLOCK这就需要在器件外增加额外的设计上，使得模块的密度过高。2）.对于我们自己设计来说，最后单独空余一个pin脚来单独控制EML芯片的EA偏置，这样会给以后模块的电路调节带来极大的方便。3）.在TEC的选型方面，可以参考上述厂商，选择功耗比较低的，给其他器件腾出了更大的功耗容量，如正常工作时为1.3W。4）.驱动IC的控制引脚一般为5到6脚，并且其一般都含有X-Point Control Voltage，driver Supply Voltage ，Output Amplitude Control Voltage(current)，Output Bias Control Voltage等引脚。5）.在选择驱动IC时最好选择差分输入，这样可以降低高频同轴输入的信号电压。

第二章、激光器输出特性的改善.

第二章、激光器输出特性的改善 在精密测量中，普通激光器输出的激光束，往往不能满足实际要求。比如在激光准直测量中，要求激光束发散角尽可能小，这就要求激光器为单横模（TEM 00）输出;在激光干涉测量中，要求激光频率单色性要好，这就要求激光器单横模、单纵模输出；在地卫测距中，要求激光器输出高脉冲能量窄脉冲宽度（调Q 脉冲输出或锁模脉冲输出）等。这就要求对激光器进行某些改善。下面介绍几种常见的激光输出改善反法。 §1. 激光器输出光束的模式选择 一、 激光器横模选择 在激光谐振腔中，只有衍射损耗的大小与横模的阶次有关，且各横模的衍射损耗相差比较大，所以可以通过改变衍射损耗来实现横模选择。由于高阶横模的衍射损耗很大，所以在不采取措施的情况下，激光器一般工作在低阶横模（TEM 00、TEM 10、TEM 01）。基模（TEM 00）衍射损耗最小，其他高阶横模的衍射损耗随横模阶次的增大而迅速增大。激光器的横模选择就是基于这一原理。最常见的方法就是小孔选模。 小孔选横模示意图如右图。 激光器单基横模TEM 00运转的充分（振荡）条件为： 1)1(00210 00≥-δr r e L G （单程增益大于单程损耗） （2-1-1） 其中---0 00G TEM 00模的小信号增益，r 1、r 2---两反射镜的发射系数，--00δTEM 00模的单 程衍射损耗。 激光器单基横模TEM 00运转的必要条件为：衍射损耗高于基横模TEM 00的横模（其中TEM 10是除TEM 00外所有横模中衍射损耗最小的）不能振荡。故应有： 1)1(10210 10 δ-r r e L G （TEM 10模的单程增益小于单程损耗，不能起振） （2-1-2） 其中--10δTEM 10模的单程损耗。 激光谐振腔的衍射损耗完全由谐振腔参数和菲涅尔数N 来决定。 在共焦腔中，0/121=-==?=R L g g R L ，此时N 不变，0010/δδ最大； 而在共心腔 [] 1)/21(,2/2121-=-======R R g g g L R R R 和平行平面腔 []1/1,2121=∞-==∞===L g g R R R 中，在N 不变情况下， 0010/δδ最小。

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。

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

固体激光器的应用

固体激光器的应用 所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。距今已有整整五十年了，在这五十年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。固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。 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。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我们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。 一、固体激光器的类别： 固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：Al2O3)、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd：YAG）、掺钛的铝酸忆（Nd：Y ALO）、掺钛的氟化忆锂（Nd：YLF）等多种。它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694．3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。 二、固体激光器的构造及原理： 在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。 固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激励，会发射出各种不同波长的激光。 早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器，来完成激光工作物质内原子的受激辐射过程的，这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电能直接转化为激光的能量，一直是人们梦寐以求的事情。近年来，科学家成功地研制出了半导体激光器，一旦接通电源，便会发出激光。选用不同的半导体材料和不同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出

半导体激光器主要性能参数定义

半导体激光器 1．P-I 特性及阈值电流 P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。 典型的激光器P-I曲线 由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。 ?当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。 ?随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光， 称为“超辐射”状态。

? 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光 谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。 2．激光器线宽 半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？ 线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。该参数与激光本身的波长由关系。 例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位： GHz v 5.261065.21.01064101031029 8=?=???=? 3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或 CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。

边模抑制比示意图 4.振荡腔 HR AR 谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。 光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。 5.三种类型的QCL 按振荡腔设计的差异，QCL可以分为三大类：

激光器种类及其特点调研

激光器种类及特点调研 *激光器基本结构：工作物质、泵浦源和光学谐振腔 工作物质：激光器核心，是激光器产生光的受激辐射放大作用的源泉 泵浦源：为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源 光学谐振腔：为激光振荡的建立提供正反馈，同时谐振腔的参数影响输出激光束的质量 *激光器的分类及输出特性 1、按工作物质分 1)气体激光器 激励方式：一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等，使得发生不同能量状态之间跃迁从而产生激光 波长范围：真空紫外——远红外波段 特点：激光谱线上万条，具有输出光束质量高（方向性级单色性好）、连续输出功率大（如CO2激光器）等输出特性、器件结构简单，造价低廉 2）固体激光器 固体工作物质通常是在基质材料，如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子（激活离子），激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间 波长范围：可见光——近红外波段 特点：激光谱线数数千条，具有输出能量大、运转方式多样等特点，器件结构紧凑、牢靠耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输 3）液体激光器 波长范围：紫外——近红外波段（300nm—1.3μm） 特点：激光波长连续可调谐，但稳定性比较差 4）半导体激光器 波长范围：近红外波段（920nm—1.65μm），其中1.3μm与1.55μm为光纤传输的两个窗口 特点：能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命长 5）化学激光器 6）自由电子激光器 工作物质是通过电子加速器加速的高能电子，将相对论电子束的动能转变为激光辐射能 特点：具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐 7）X射线激光器 8）光纤激光器 工作物质：以掺入某些激活离子的光纤，或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器 分类：晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非线性光学效

固体激光器的特点及应用

第一章引言 激光是人类在上个世纪所创造的最杰出的技术成就之一。自上世纪60年代，梅曼发明了全球首台激光器以来，激光技术的发展至今已经硕果累累，并且已经在人类社会的各行各业中普遍应用。 从固体激光器的出现到今天，一直都特别的备受大家的关注。因为它具有峰值功率高，输出能量大，以及结构紧凑耐用等特点，所以在各个方面都有广大的用途，具有不可估量的价值。有了这些优异的特点，固体激光器在科学研究、国防军工、工业生产、医疗健康等领域获得了大量的运用，使我们的日常生活越来越美好。 目前激光器的研究重点方向是使器件的体积愈来愈小、器件的重量愈来愈轻、效率愈来愈高、光束质量愈来愈好、可靠性愈来愈高、寿命愈来愈长、运转愈来愈敏捷的全固态激光器。全固态激光器的应用扩展到了我们生活的各个领域，它是应用领域中基础的、特别重要的核心器件，已经成为了我们日常活动中不可或缺的帮手。它的结构、输出功率、转换效率以及光束质量都取得了非常大的进步，具有强大的生命力。 全固态激光器汇聚了半导体激光器和固体激光器的特点，具有体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、运转灵便等优点，所以是前途光明的激光研究方向,它通过变频获得宽波段输出、便于模块化和电激励等应用优势，已经在科研、医疗、工业加工、军事等领域获得了广泛的应用，是新一代性能卓越的绿色、节能光源[1]。 现如今，激光技术在各个领域的广泛应用，已经是企业向信息化转型的不可缺少的推动力量，而且推动了一个完整的高新技术链条的有序成长。根据国外的相关资料统计，国外的激光产业发展状况呈现出繁荣昌盛的景象，市场需求不断上涨，每年以百分之二十以上的速度上升。如今，我国的激光市场发展稳定、增长速度飞快。根据统计报告，我国的激光产品在1999年的市场销售额仅为14.13亿，2005年达到了47.75亿。所以固体激光器的发展呈现出非常好的趋势，具有非常广阔的市场，有很大的发展空间。

各功率激光的特点

常见激光技术总结 目前常见的激光器按工作介质分气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器5大类，近来还发展了自由电子激光器。大功率激光器通常都脉冲方式输出已获得较大的峰值功率。 单脉冲激光指的是几分钟才输出一个脉冲的激光，重频激光指的是每分钟输出几次到每秒输出数百次甚至更高的激光。 一、气体激光器 1.He-Ne激光器：典型的惰性气体原子激光器，输出连续光，谱线有63 2.8nm（最常用），1015nm，3390nm，近来又向短波延伸。这种激光器输出地功率最大能达到1W，但光束质量很好，主要用于精密测量，检测，准直，导向，水中照明，信息处理，医疗及光学研究等方面。 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内氩原子电离并激发，在离子激发态能级间实现粒子数反转而产生激光。它发射的激光谱线在可见光和紫外区域，在可见光区它是输出连续功率最高的器件，商品化的最高也达30-50W。它的能量转换率最高可达0.6%，频率稳定度在3E-11，寿命超过1000h，光谱在蓝绿波段（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疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。 3.CO2激光器：波长为9~12um（典型波长10.6um）的CO2激光器因其效率高，光束质量好，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中最重要的，用途最广泛的一种激光器。主要用于材料加工，科学研究，检测国防等方面。常用形式有：封离型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，输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns，重复频率为数十至数千赫，作可调谐燃料激光器的泵浦源，也可用于荧光分析，检测污染等方面。 5.准分子激光器：以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。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。准分子激光物质具有低能态的排斥性，可以把它有效地抽空，故无低态吸收与能量亏损，粒子数反转很容易，增益大，转换效率高，重复率高，辐射波长短，主要在紫外和真空紫外（少数延伸至可见光）区域振荡，调谐范围较宽。它在分离同位素，紫外光化学，激光光谱学，快速摄影，高分辨率全息术，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，生物学以及泵浦可调谐染料激光器等方面已获得比较广泛的应用，而且可望发展成为用于核聚变的激光器件。 二、固体激光器 1.YAG激光器：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激光器：固体激光器，1064nm，Nd-YAG目前综合性能最为优异的激光晶体，连续激光器的最大输出功率1000W，广泛用于军事、工业和医疗等行业。若采用连续的方式运转，采用一级振荡可以获得400W的多模输出，若要输出在百瓦级的激光器，采用单灯单棒，200W以上的采用双灯单棒结构。Nd-YAG激光器不仅适合连续，而且在高重频下运转性能也很优越。重频可达100~200次/s，最高平均功率可400w。采用多级串联来实现高功率输出，目前平均功率最高可达到上600~800瓦，重频可达80~200次/s，单脉冲能量可达80J。 Ce-Nd-YAG激光器：在Nd-AG晶体的基础上添加Ce离子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce离子能对紫外光谱区光子能量产生很好的吸收，并且将能量以无辐射跃迁的方式传递给Nd离子，从而增加了光谱的利用率，因此效率高、阈值低、重复频率特性好。 Yb-YAG激光器：Yb3＋掺入YAG基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体，其与Nd-YAG属于同一种基质，但由于掺杂不同而导致生长工艺有所不同。掺Yb-YAG由于量子效率高，晶体光谱简单，无激发态吸收和上转换，且无荧光浓度猝灭，掺杂浓度高，有较长的荧光寿命，吸收带带宽比Nd-YAG宽得多，能与二极管的泵浦波长有效耦合。在相同的输入功率下，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为优良，所以Yb-YAG已成为最引人注目的固体激光介质之一，LD泵浦的高功率Yb-YAG固体激光器成为新的研究热点，并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。