各类激光器工作原理应用范围大全

激光器工作原理 　　除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。 　　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。 　　激光器的种类是很多的。可以从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类，在《各类激光器工作原理应用范围大全（一）》讲了固体激光器、半导体激光器、CO2激光器、准分子激光器，本文接下来介绍光纤激光器、超快激光器、量子级联激光器和太赫兹。 　　一、光纤激光器 　　光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。 　　光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。 　　按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为： 　　1、晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。 　2、非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 　　3、稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。 　　4、塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 　　光纤激光器的应用 　　光纤激光器十分适合在连续波或准连续波运转下放大到更高功率，来满足微电子方面的应用需求。在这些应用中，光束质量、精度以及稳定性至关重要。在许多应用中，控制、改变激光加工能量和功率输入，对加工过程起着决定性作用。 　　在焊接方面的应用：利用光纤激光优秀的光束质量，获得较长的工作焦距，这就可以通过普通二维振镜系统获得很大的工作范围，这不但简化了设计，同时降低了成本。激光焊接降低了对材料内部组件的应力影响，从而整体大大地提高了产品的合格率。 　　在激光打标方面的应用：由于脉冲宽度极短,因此采用低脉冲能量容易抵达极高峰值激光强度。由于强度极高以及激光与物质的交互作用时间极短，热扩散受限制于极小的区域，聚集的激光器能量密度构成材料快速汽化。因此，脉冲光纤激光器可以在激光打标应用中的选择材料表面消融优质、精密的图案。由于沿着扫描途径的两个激光打标点之间的距离与扫描仪速度成正比，与脉冲重复率成反比，因此，当激光扫描仪由数字状态空间伺服机构控制时，高重复率脉冲光纤激光器是设计优质、高速激光打标系统的一个重要部分。 　　在工业钻孔中的应用：激光器通过脉冲波形控制实现了很大的灵活性，能在钻孔应用中大显身手。更大的振幅意味着更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脉冲能量，能产生更大直径的孔。改变频率，峰值功率和脉冲能量随之改变,孔径也随之变化。因此微米级的不同孔径，能通过激光器的频率和脉冲特征加以改变。 　　在岩石及泥土材料处理中的应用：光纤激光在施工现场的应用方面明显优于任何其它种类的激光，包括在开矿、隧道开凿、切割和岩石及混凝土钻孔等方面。光纤激光能够通过很长的光纤将足够的能量传输到远程的目标。光纤激光超高的电光转换效率（30%），良好的光束质量，车载机动性及设备的稳定性和免维护性等特点使得它在此类应用领域里成为最佳的选择。 　　今天，密集波分复用和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看，采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术也已出现。 　　随着光通信及相关领域技术的飞速发展，光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进；技术的进步，特别是以光纤光栅、滤波器、光纤技术等为基础的新型光纤器件等的陆续面市，将为光纤激光器的设计提供新的对策和思路。可以预见，光纤激光器必将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上随光纤激光器的普及，成本的降低以及产能的提高，最终将可能会替代掉全球大部分高功率二氧化碳激光器和绝大部分YAG激光器。 　　二、超快激光器 　　超快激光器是基于SESAM锁模技术的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飞秒激光器开发的激光器。 　　Amberpico系列皮秒激光器具有超短脉冲宽度（小于15ps）、高单脉冲能量（最大单脉冲能量30mJ）、高重复频率（1kHz以上）和值得信赖的优良输出性能,Amberfemto系列飞秒激光器脉冲宽度小于200fs，重复频率1Hz—100kHz可选，具有优异的空间模式和卓越的功率稳定性。可以实现高效的二倍频、三倍频、甚至四倍频光的输出。波长范围遍及红外、绿光、紫外，波长最短可以达到266/263nm。二者是卫星测距、激光精细微加工、非线性光学、激光光谱学、生物医学、强场光学、凝聚态物理学等科研领域强有力的研究工具。 三、量子级联激光器 　　量子级联激光器(quantumcascadelasers,QCLs)是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。不同於传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，QCL受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。QCL引领了半导体激光理论、中红外和THz半导体光源革命，是痕量气体监测和自由空间通信的理想光源，在公共安全、国家安全、环境和医学科学等领域有重大应用前景。量子级联激光器(QCL)是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极光源，其工作原理与通常的半导体激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态，在这些激发态之间产生粒子数反转，该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成(通常大于500层)而实现单电子注入的多光子输出。量子级联激光器的出现开创了利用宽带隙材料研制中、远红外半导体激光器的先河，在中、远红外半导体激光器的发展史上树立了新的里程碑。1994年FedericoCapasso和同事卓以和等人在贝尔实验室率先发明量子级联激光器。这被视为半导体激光领域的一次革命。2000年，我国科学家李爱珍（现任美国科学院院士）的课题组在亚洲率先研制出5至8微米波段半导体量子级联激光器，从而使中国进入了掌握此类激光器研制技术的国家行列。 　　由于量子级联激光器是集量子工程和先进的分子束外延技术于一体，与常规的半导体激光器在工作原理上不同，其特点优于普通激光器，因技术含量很高，相关产品的开发具有重要的社会和经济价值。据了解，量子级联激光器是一个高难度的量子工程，特点是工作波长与所用材料的带隙无直接关系，仅由耦合量子阱子带间距决定，从而可实现对波长的大范围剪裁。 　　许多基于量子级联激光器的可调谐中红外激光器(脉冲和红外)在国外已经进入工业化,是各国争相研究的高新技术产业。 　　量子级联激光器集量子工程和分子束外延技术于一体，是国家纳米及量子器件核心技术的真正体现，这方面的技术突破将激活我国的民用市场。它在红外通信、远距离探测、大气污染监控、工业烟尘分析、化学过程监测、分子光谱研究、无损伤医学诊断等方面具有很急迫的应用前景。 　　四、太赫兹 　　THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.3THz到3THz范围的电磁波，波长大概在0.1mm(100um)到1mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。 　　太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短（皮秒量级）所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认