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      激光器種類大全,激光器分類有哪些

      文章出處:人氣:638發表時間:2019/3/21 10:19:03

      激光器種類大全,激光器分類有哪些

       

      目前常見的激光器種類,激光器分類按工作介質分氣體激光器、固體激光器、半導體激光器、光纖激光器和染料激光器5大類,近來還發展了自由電子激光器。大功率激光器通常都脈沖方式輸出已獲得較大的峰值功率。

       

        單脈沖激光指的是幾分鐘才輸出一個脈沖的激光,重頻激光指的是每分鐘輸出幾次到每秒輸出數百次甚至更高的激光。

       

        一、氣體激光器

        1.He-Ne激光器:典型的惰性氣體原子激光器,輸出連續光,譜線有632.8nm(最常用),1015nm,3390nm,近來又向短波延伸。這種激光器輸出地功率最大能達到1W,但光束質量很好,主要用于精密測量,檢測,準直,導向,水中照明,信息處理,醫療及光學研究等方面。

        2.Ar離子激光器:典型的惰性氣體離子激光器,是利用氣體放電試管內氬原子電離并激發,在離子激發態能級間實現粒子數反轉而產生激光。它發射的激光譜線在可見光和紫外區域,在可見光區它是輸出連續功率最高的器件,商品化的最高也達30-50W。它的能量轉換率最高可達0.6%,頻率穩定度在3E-11,壽命超過1000h,光譜在藍綠波段(488/514.5),功率大,主要用于拉曼光譜、泵浦染料激光、全息、非線性光學等研究領域以及醫療診斷、打印分色、計量測定材料加工及信息處理等方面。

        3.CO2激光器:波長為9~12um(典型波長10.6um)的CO2激光器因其效率高,光束質量好,功率范圍大(幾瓦之幾萬瓦),既能連續又能脈沖等多優點成為氣體激光器中最重要的,用途最廣泛的一種激光器。主要用于材料加工,科學研究,檢測國防等方面。常用形式有:封離型縱向電激勵二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、軸快流高功率二氧化碳激光器、橫流高功率二氧化碳激光器。

        4.N2分子激光器:氣體激光器,輸出紫外光,峰值功率可達數十兆瓦,脈寬小于10ns,重復頻率為數十至數千赫,作可調諧燃料激光器的泵浦源,也可用于熒光分析,檢測污染等方面。

        5.準分子激光器:以準分子為工作物質的一類氣體激光器件。常用電子束(能量大于200千電子伏特)或橫向快速脈沖放電來實現激勵。當受激態準分子的不穩定分子鍵斷裂而離解成基態原子時,受激態的能量以激光輻射的形式放出。 準分子激光物質具有低能態的排斥性,可以把它有效地抽空,故無低態吸收與能量虧損,粒子數反轉很容易,增益大,轉換效率高,重復率高,輻射波長短,主要在紫外和真空紫外(少數延伸至可見光)區域振蕩,調諧范圍較寬。它在分離同位素,紫外光化學,激光光譜學,快速攝影,高分辨率全息術,激光武器,物質結構研究,光通信,遙感,集成光學,非線性光學,農業,醫學,生物學以及泵浦可調諧染料激光器等方面已獲得比較廣泛的應用,而且可望發展成為用于核聚變的激光器件。

       

       二、固體激光器

        1.YAG激光器:可分為:Nd-YAG晶體、Ce-Nd-YAG晶體、Yb-YAG晶體、Ho-YAG晶體、Er-YAG晶體。

        Nd-YAG激光器:固體激光器,1064nm,Nd-YAG目前綜合性能最為優異的激光晶體,連續激光器的最大輸出功率1000W,廣泛用于軍事、工業和醫療等行業。 若采用連續的方式運轉,采用一級振蕩可以獲得400W的多模輸出,若要輸出在百瓦級的激光器,采用單燈單棒,200W以上的采用雙燈單棒結構。Nd-YAG激光器不僅適合連續,而且在高重頻下運轉性能也很優越。重頻可達100~200/s,最高平均功率可400w。采用多級串聯來實現高功率輸出,目前平均功率最高可達到上600~800瓦,重頻可達80~200/s,單脈沖能量可達80J。

        Ce-Nd-YAG激光器:在Nd-AG晶體的基礎上添加Ce離子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce離子能對紫外光譜區光子能量產生很好的吸收,并且將能量以無輻射躍遷的方式傳遞給Nd離子,從而增加了光譜的利用率,因此效率高、閾值低、重復頻率特性好。

        Yb-YAG激光器:Yb3+摻入YAG基質中形成的一種產生1.03um近紅外激光的激光晶體,其與Nd-YAG屬于同一種基質,但由于摻雜不同而導致生長工藝有所不同。摻Yb-YAG由于量子效率高,晶體光譜簡單,無激發態吸收和上轉換,且無熒光濃度猝滅,摻雜濃度高,有較長的熒光壽命,吸收帶帶寬比Nd-YAG寬得多,能與二極管的泵浦波長有效耦合。在相同的輸入功率下,Yb-YAG泵浦生熱僅為Nd-YAG1/4。而且YAG基質的物化特性綜合性能最為優良,所以Yb-YAG已成為最引人注目的固體激光介質之一,LD泵浦的高功率Yb-YAG固體激光器成為新的研究熱點,并將其視為發展高效、高功率固體激光器的一個主要方向。

            Ho-YAG激光器:可產生對人眼安全的2097nm2091nm激光,主要適用于光通信,雷達和醫學應用。Ho-YAG激光器對冷卻和干燥度有嚴格的要求,水冷控制在10攝氏度以下。干燥裝置要確保沒有水蒸氣的影響。處于對人眼安全波段的范圍內,由于水吸收大,穿透深度非常淺,大大降低了對人體特別是對眼睛的意外傷害的可能性。

        Er-YAG激光器:輸出2.9um的波長,能被水吸收,主要應用在醫學中。該晶體主要吸收可見光和紫外光,所以光腔反射鏡的材料多使用又高反射的鋁和銀。目前Er-YAG激光器的最大輸出功率可達3瓦,最大脈沖輸出可達到5J。是迄今輸出功率最大的效率最高的長波長固體激光器。人體對2940nm的吸收是10640nm的十倍,所以激光外科和血管外科有很大的應用潛力。

        2.紅寶石激光器:紅寶石只能在低溫條件下實現連續輸出,而且閾值很高,所以至今還沒有造出在室溫下工作的輸出連續的紅寶石激光器。適合做單次或低重頻的脈沖激光器。單脈沖能量可達1~20J,重頻5~10,單脈沖能量可達1J左右。

        3.銣玻璃激光器:銣玻璃也在室溫下難以運轉。適合做單次或低重頻的脈沖激光器。重頻限制在5/s,單次脈沖能量可達10~80J。

       

       三、半導體二極管激光器

          半導體二極管激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生受激發射作用的器件。其工作原理是,通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現非平衡載流子的粒子數反轉,當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時,便產生受激發射作用。 發光波長隨禁帶寬度而改變。

        半導體激光器的激勵方式主要有三種:即電注入式,光泵式和高能電子束激勵式。

        電注入式半導體激光器一般是由GaAS(砷化鎵),InAS(砷化銦),Insb(銻化銦)等材料制成的半導體面結型二極管,沿正向偏壓注入電流進行激勵,在結平面區域產生受激發射。

        光泵式半導體激光器,一般用N型或P型半導體單晶(GaAS,InAs,InSb)做工作物質,以其他激光器發出的激光作光泵激勵。

        高能電子束激勵式半導體激光器,一般也是用N型或者P型半導體單晶(PbS,CdS,ZhO)做工作物質,通過由外部注入高能電子束進行激勵。

        目前最最常用的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極管激光器,常見為635紅光;氮化銦鎵 (InGaN) 二極管激光器,常見為532綠光和405藍光。二極管激光器發射的激光可以用高斯光束來進行描述,其特點是一個長條形的發射體,且在水平和垂直方向的發射角不同。通常在水平只有幾度,而垂直可達40度。在大多光耦合技術中,水平角忽略不計,將垂直的角作為而激光激光器的發散角。

        主要應用于電子信息。光纖通信、光傳感、光盤、激光打印、條形掃碼、集成光學領域。

        400~780nm應用用于條形掃描、檢測、光存儲、激光打印等。

        790~1020nm的應用于條形掃碼、激光打印、光存儲等領域。近年來大功率半導體激光器已經有長足的進步,連續輸出功率可達1~20w。

        1300 1550 分別在硅光纖零色散和最低損耗窗口,相應的半導體主要用于長距離大容量干線光通信。

      介于1300 1550之間的1480近年來輸出功率可達50~100mw。

       

        四、染料激光器

          其突出的優點是輸出波長可調諧,它不僅可以獲得從0.3~1.3um光譜內的可調諧的窄帶高功率激光,而且還可以通過混頻技術獲得從紫外到中紅外的可調諧相干光,因此目前主要用于光譜學研究。

       

       五、光纖激光器

          光纖激光器應用范圍非常廣泛,包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設等等。 玻璃光纖制造成本低、技術成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優勢;玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配,這是由于玻璃基質Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故; 玻璃材料具有極低的體積面積比,散熱快、損耗低,所以上轉換效率較高,激光閾值低; 輸出激光波長多:這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多; 可調諧性:由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。 由于光纖激光器的諧振腔內無光學鏡片,具有免調節、免維護、高穩定性的優點,這是傳統激光器無法比擬的。 光纖導出,使得激光器能輕易勝任各種三維任意空間加工應用,使機械系統的設計變得非常簡單。 勝任惡劣的工作環境,對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。 不需熱電制冷和水冷,只需簡單的風冷。

        高的電光效率:綜合電光效率高達20%以上,大幅度節約工作時的耗電,節約運行成本。高功率,目前商用化的光纖激光器可達六千瓦。

        六、自由電子激光器

          輸出的激光波長與電子的能量有關:故改變電子束的加速電壓就可以改變激光波長,這叫做電壓調諧,其調諧范圍很寬,原則上可以在任意波長上運轉。

        在現有的電子槍和加速器的實驗條件下,可以獲得從毫米波到光頻波段范圍內的連續調諧的相干輻射。自由電子激光器的輸出功率與電子束的能量、電流密度以及磁感應強度有關,它可望成為一種高平均功率、高效率(理論極限達40%)、高分辨率的具有穩定功率和頻率輸出的激光器件,采用它能夠避免某些工藝上的麻煩(如激光工作物質稀缺、有毒或腐蝕金屬、玻璃),另外,它基本上不存在使用壽命問題。 自由電子激光器在短波長、大功率、高效率和波長可調節這四大主攻方向上,為激光學科的研究開辟了一條新途徑,它可望用于對凝聚態物理學、材料特征、激光武器、激光反導彈、雷達、激光聚變、等離子體診斷、表面特性、非線性以及瞬態現象的研究,在通訊、激光推進器、光譜學、激光分子化學、光化學、同位素分離、遙感等領域,它應用的前景也很可觀。 美國機載激光武器系統機載激光武器系統所使用的就是高能化學碘氧自由電子激光器(COIL)。

       

       七、二極管泵浦固體激光器

          二極管激光器和二極管泵浦的固體激光器現已成為固體激光器發展的主流,合并轉換效率高,穩定性好,可靠性高,是至今唯一不需維護的激光系統,輸出質量高,體積小,結構緊湊等特點。二極管泵浦固體激光器的關鍵技術:光耦合技術,泵浦技術,冷卻技術與電源技術。這種激光器輸出功率可以大范圍變化,即從幾十瓦到幾千瓦,市場上商用最大的可達6000w.

        八、固體紫外激光

          目前主要有以下兩種方式:

       ?。?/span>1)直接倍頻LD輸出獲得紫外激光。 通過二次倍頻紅外得到紫外,具有較高的光光轉換效率,但要求LD不僅能夠輸出較高,而且還必須實現單頻運轉。

      2 LD泵浦,非線性光學頻率轉換的紫外激光器。該方法主要是利用激光二極管的發射帶與銣離子的吸收帶符合的很好,減少能量的內積,從而降低熱透鏡效應,改善光束質量,獲得很高的泵浦效率。

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