气体激光器
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2023年2月23日发(作者：干杯英语怎么说)1
激光器分类可以有两种方法对激光器进行分类。一种是从激活媒质的物质状态面分类。这样可分为气体、
液体、固体和半导体激光器。各类激光器各有特色。气体激光器的单色性强，如氦—氖激光器的单色性
比普通光源要高1亿倍，而且气体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。但是，
由于气体密度低，激光输出功率相应较小；固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质
种类较少，而且单色性差；液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光
器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合；半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，
但输出的功率较小，单色性也较差。另一种分类方式是按激活媒质的粒子结构来分类，可以分为原子、
离子、分子和自由电子激光器。氦——氖激光器产生的激光是由氖原子发射的，红宝石激光器产生的激
光则是由铬离子发射的。另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可以连续变化。而且可以覆盖很宽的
频率范围。各种激光器中激活媒质的方法也不尽相同。一般来说可分为三种方法：使用高强度的光，从
带电源来的电子，以及较少用的第三种方法——核辐射。
光纤通信所用的激光器在光纤通信中，所用的光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半
导体激光器。在实际的光纤通信系统中，通常选用前两种。而非半导体激光器，如气体激光器、固体激
光器等，虽然它们是最早制成的相干光源，但由于其体积太大，不适宜与体积小的光纤配合使用，只用
于一些特殊场所。
半导体激光器半导体激光器即为激光二极管，记作LD。它是前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明
的。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。半导体激光器的发光是利用
光的受激辐射原理。处于粒子数反转分布状态的大多数电子在受到外来入射光子激励时，会同步发射光
子，受激辐射的光子和入射光子不仅波长相同，而且相位、方向也相同。这样由弱的入射光激励而得到
了强的发射光，起到了光放大作用。但是仅仅有光放大功能还不能形成光振荡。正如电子电路中的振荡
器那样，只有放大功能不能产生电振荡，还必须设计正反馈电路，使电路中所损失的功率由放大的功率
得以补偿。同样，在激光器中也是借用电子电路的反馈概念，把放大了的光反馈一部分回来进一步放大，
产生振荡，发出激光。这种用于实现光的放大反馈的仪器称为光学谐振腔。半导体激光器的优点：尺寸
小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。
半导体发光二极管半导体发光二极管和半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN
结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED，是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N
层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.1～0.2μm左右。
半导体发光二极管的结构公差没有激光器那么严格，而且无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是
荧光。LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N区的电子将向正方向扩散，进入有源层，
P区的空穴也将向负方向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封
闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合
时，将产生自发辐射光。半导体发光二极管的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所
以在光电系统中的应用极为普遍。
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激光器分类的方法有很多，可以按照它切割的材料来分，可以按照它的功率的大小来分，可以
按照波段分。激光设备按照波段可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐。目前工业用红外及
紫外激光，例如CO2激光器10.64um红外激光,氪灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光,氙灯泵浦Y
AG激光器1.064um红外激光,半导体侧面泵浦YAG激光器1.064um红外激光。
激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型：
（1）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd:YAG激光
器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。
（2）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆
和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电
能直接转换为激光能，所以发展迅速。
（3）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用
广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用
广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。
（4）以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究
领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在500种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、
水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料
激光器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，
价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农
业。
（5）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐
射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。
（6）X射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；
生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能;用X射线激光拍
摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。
（7）化学激光器有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来
产生激光作用。
（8）自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机
制与众不同，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受
激辐射。（9）准分子激光器、光纤导波激光器等。
激光器原理概述及应用
Nancy(2009-06-0915:46:50)
激光器是能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958
年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年
T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人
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创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光
器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在
周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续
式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所
发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射
线波段的激光器也正在研究中。
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或
抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3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。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定向性和相干性。
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。①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。②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。③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。④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。
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：①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。②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①，是由通
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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②，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。
几种常见激光器及其用途介绍如下：
Nd：YAG激光器，1064nm，固体激光器，连续激光器的最大输出功率1000W，可用于激光切割金
属。
Ho：YAG，固体激光器，可产生对人眼安全的2097nm和2091nm激光，适用于雷达和医学应用。
He-Ne激光器，632.8nm，气体激光器，功率为几mW，用于准直，定位，全息照相等。
CO2激光器，气体激光器，输出波长10.6um，广泛用于激光加工，医疗，大气通信及其他军事应
用。
光行天下科技网-
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。
实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振
腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。因此，第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波
长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非
线性效应实现波长的变换和调谐（见非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频，光参量振荡）。属于第一种调谐方式的典
型激光器有染料激光器、金绿宝石激光器、色心激光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器。
可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。
其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基
于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通
过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于
温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）
技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL
（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。下面从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。
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基于电流控制技术
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基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光
纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱，通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选
择，从而产生需要的特定波长的激光。
一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR（SampledGratingDistributedBraggReflector）结构。
该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布喇格光栅区、激活区、相位调整区和后布拉格光栅区。其中前布喇
格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区分别通过不同的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布喇格光栅的
周期特性。
对于在激活区（Active）产生的光谱，分别在前布喇格光栅区和后布喇格光栅区形成频率分布有较小差异的光谱。
对于需要的特定波长的激光，可调谐激光器分别对前布喇格光栅和后布喇格光栅施加不同电流，使得在这两个区域产
生只有此特定波长重叠其他波长不重叠的光谱，从而使需要的特定波长能够输出。同时该种激光器还包含半导体放大
器区，使输出的特定波长的激光光功率达到100mW或者20mW。
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基于机械控制技术
基于机械控制技术一般采用MEMS来实现。一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs-DFB结构。
可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列、可倾斜的MEMs镜片和其他控制与辅助部分。
对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0nm内的间隔为25Ghz的特
定波长。通过控制MEMs镜片旋转角度来对需要的特定波长进行选择，从而输出需要的特定波长的光。
另一种基于VCSEL结构ML系列系列的可调谐激光器，其设计基于光泵浦垂直腔面发射激光器，采用半对称腔技
术，利用MEMS实现连续的波长调谐。同时通过此方法可得到大的输出光功率和宽光谱调谐范围，热敏电阻和TEC
封装在一起，以便在宽的温度范围内具有稳定的输出。为了精确频率控制一个宽带波长控制器被集成同一管壳内，前
端分接光功率检测器及光隔离器用于提供稳定的输出功率。这种可调激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光
功率。
对于这种原理的可调谐激光器主要缺点是调谐时间比较慢，一般需要几秒的调谐稳定时间。
基于温度控制技术
基于温度控制技术主要应用在DFB结构中，其原理在于调整激光腔内温度，从而可以使之发射不同的波长。
一种基于该原理技术的可调激光器的波长调节是依靠控制InGaAsPDFB激光器工作在-5--50℃的变化实现的。模
块内置有FP标准具和光功率检测，连续光输出的激光可被锁定在ITU规定的50GHz间隔的栅格上。模块内有两个独
立的TEC，一个用来控制激光器的波长，另一个用来保证模块内的波长锁定器和功率检测探测器恒温工作。模块还内
置有SOA来放大输出光功率。
这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽，一般只有几个nm，而且调谐时间比较长，一般需要几秒的调
谐稳定时间。
目前可调谐激光器基本上均采用电流控制技术、温度控制技术或机械控制技术，有的供应商可能会采用这些技术
的一种或两种。当然随着技术的发展，也可能会出现其他新的可调谐激光器控制技术。
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各种可调谐激光器
图1、图2为染料激光器的典型结构示意图和几种染料的典型调谐范围。图1中用Nd:YAG激光经过倍频之后产
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生的5320埃激光作为泵浦源去激励染料。在振荡器部分,条纹间距为d的衍射光栅和输出镜构成谐振腔。这时,只有波
长满足2dcosθ＝mλ,m＝0，1，2，…的光束才具有低的损耗，能形成激光振荡。因此，旋转光栅（改变θ角）,就能
改变输出激光的波长。在谐振腔内还插入一个放在压力室中的标准具。变压力室中的气压,可使标准具中气体的折射率
随之而变,从而获得输出波长的精细调谐。图中还有一级放大，以增加输出激光的功率。
一般染料激光器的结构简单、价廉，输出功率和转换效率都比较高。环形染料激光器的结构比较复杂，但性能优
越，可以输出稳定的单纵模激光。
染料激光的调谐范围为0.3～1.2微米，是应用最多的一种可调谐激光器。
金绿宝石激光器
一种固体可调谐的激光器。金绿宝石中Cr3+的能级见图3。发射激光的波长取决于哪个振动能级是激光跃迁的终
端。振动能级带与激光的可调谐范围相对应。金绿宝石激光器的阈值低，效率高，输出功率高,可在室温下工作,调谐范
围7000～8000埃。
可调谐激光
色心激光器
色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。已获得激光工作的色心主要FA(Ⅱ)、FB(Ⅱ).等,属四能级工作，由于晶
格振动的影响而有很宽的荧光线宽。色心激光器调谐范围宽(0.6～3.65微米)、线宽窄,但大都只能在低温下工作。
可调谐准分子激光器
准分子是一种在激发态复合成分子、在基态离解成原子的不稳定碲合物。由其能级示意图（图4）可以看出，
对应于核间距为R0的基态分子是极不稳定的，会很快分解成独立的原子。因此，在R0附近，激发态与基态之间很容
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易建立起粒子数反转而产生激光振荡。准分子激光器已实现了紫外波长可调谐输出。