激光器的原理及应用 * 姓名：xx 学号：xx 导师：xx 光电子技术 主要内容 n激光器的原理 n典型激光器 n激光器的应用 激光器的原理 激光器的基本结构： 1、工作物质 2、泵浦源 3、谐振腔增大光波在增益介质中的传播 距离 激光器的原理 激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激 辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它 们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气 体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质 的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较 大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用 过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有 合适的能级结构和跃迁特性。 激光器的原理 激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子 数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激 光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装 置，常见的有以下四种。光学激励(光泵)。是利用外界 光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个 激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚 光器组成。气体放电激励。是利用在气体工作物质内发 生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通 常由放电电极和放电电源组成。化学激励。是利用在工 作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通 常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。核能激 励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子 或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 激光器的原理 光学共振腔 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性 的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：提供光 学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干 的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限 制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。共振腔 作用，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射 面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用，则是由 给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有 不同的选择性损耗特性所决定的。 激光器分类 n按激光工作介 质： n固体激光器 (光纤激光器 ） n气体激光器 n半导体激光器 n染料激光器 n自由电子激光 器 按化学组成： 原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器 准分子激光器 激光运转方 式: 连续 脉冲 单脉冲 重复频 率 准连续 激光调制方式 自由运转 调Q 锁模 典型激光器 典型激光器 1. 固体激光器 分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。 目前已实现激光振荡的不同基质掺杂体系的 工作物质有200多种，但是，性能好，使用广泛的主 要有下面三种。 （1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕 做工作物质 = 1.053 m 由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可 制成大型器件，获得高能量和功率的激光，现已制 成输出功率1014W激光器。 （2）红宝石激光器 工作方式：连续、脉冲 发 散 角 ： 10-3rad，一般为多模输出； 泵浦功率阈值1020%单模 工作物质：红宝石晶体 输出波长： 输出线宽： 典型激光器 （3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG） 工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。 典型激光器 Applications Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究 （4）连续波可调谐钛蓝宝石激光器 3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser 输出波长从675到1100nm 由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦 TEM00输出功率可达3.5W cw The high-performance, tunable, solid state IR laser 典型激光器 2. 气体激光器 工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm4mm) 工作方式：连续运转（大多数） 多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。 原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。 典型激光器 （1）氦-氖激光器 工作物质：氦氖混合气体 激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件 ，提高激光器输出功率的作用。 输出波长：常用的为 =632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。 （=3.39m ；=1.15m） 典型激光器 （2）CO2 激光器 工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射，其它气体协助改善 激光器的工作条件， 提高激光器输出功率 水平和使用寿命。 输出波长： =10.6m CO2 激光器是输出功 率最高的气体激光器 ，有连续输出50kW； 脉冲输出1012W的激光 器。 典型激光器 （3）氩离子气体激光器 输出波长： =488nm； =514.5 nm ； 在可见光区输出功率最高 输出功率从几瓦几百瓦 。 氩/氪离子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser 典型激光器 氦-镉激光器 以镉金属蒸气为发光 物质，主要有两条连续谱线， 即波长为325nm的紫外辐射 和441.6nm的蓝光，典型输 出功率分别为125mW和 1100mW。主要应用领域包 括活字印刷、血细胞计数、 集成电路芯片检验及激光诱 导荧光实验等。 俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器 典型激光器 铜蒸气激光器 一般通过电子碰撞激励， 两条主要的工作谱线是波长 510.5nm的绿光和578.2nm的 黄光，典型脉冲宽度1050nS， 重复频率可达100KHz。当前 水平一个脉冲的能量为1mJ左右。 这就是说，平均功率可达100W， 而峰值功率则高达100KW。 典型激光器 氮分子激光器VSL-337ND -S Nitrogen Laser 脉冲放电激励输出紫 外光，峰值功率可达数十兆 瓦，脉宽小于10nS，重复频 率数十Hz数千Hz，主要用 作染料激光器的泵浦源， 也可用于光谱分析、检测、 医学及光化学方面。常见 波长：337.1nm、357.7nm （3）氮分子激光器 典型激光器 3. 半导体激光器 特点：体积最小、重量最轻 ， 使用寿命长，有效使用时间 超过10万小时。 输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。 由不同组分的半导体材料做成 激光有源区和约束区的激光器。 典型激光器 DFB半导体激光器示意图 DBR半导体激光器示意图 典型激光器 垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL） 量子级联激光器 (quantum cascade lasers, QCLs) 基于电子在半导体量子阱中导 带子带间跃迁和声子辅助共振 隧穿原理的新型单极半导体器 件。 典型激光器 光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激光器件 ProLite型光纤耦合单发射激光器 典型激光器 1. 工业应用 精密测量(距离、位移) 激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻) 光谱分析 2. 医学应用 眼科 普通外科 牙科 皮肤科 激光原理 . 绪论 激光器的应用 激光器的应用 3. 军事应用 激光制导 激光测距激光侦察大气激光通信 4. 日常应用 激光打印机电脑光驱条形码扫描器 激光防伪激光霓虹灯 激光武器 5. 通信领域的应用 空间激光通信光纤通信 激光武器的杀伤机理 n一是烧蚀效应-局部高温 n二是激波效应- n三是辐射效应-强电磁场 激光武器的优点 n1无需进行弹道计算 n2无后座 n3操作简便，机动灵活，使用范围广 n4无放射性污染，性价比高 光通信原理示意图 n光通信用的激光器差不多全部是半导体 激光器，只有少量的CATV系统采用 1310纳米或1550纳米LD泵浦固体激光 器。 n通信用的激光器主要有两类：光纤放大 器用的泵浦光源和发射机用的信号光源 。 n应用于自由空间光通信（FSO）的激光 器有850nm和1550nm两种 激光测距 利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精 度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。 激光焊接 高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起 。 激光快速成型 激光雕刻 激光核聚变 这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料 样品上，引发核聚变。 激光医疗 由于光波的频率比电波的 频率高好几个数量级，一 根极细的光纤能承载的信 息量，相当于图片中这么 粗的电缆所能承载的信息 量。 激光通讯 激光武器 激光展示 谢谢观赏！