激光器类型

rookie 2023-10-04 发布于北京

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Gas
Liquid
Semiconductor
Solid-State
Fiber

激光器通常以其增益介质来识别，以产生受激辐射的辐射物质进行分类。这些辐射物质包括稀薄气体中的原
子和分子，以相对较低的浓度溶解在液体溶液中的有机分子，半导体材料，以及晶状固体或者掺杂高浓度离子的玻璃类的介电材料。这些激光器通常被称为气体、液体、半导体和固体激光器。正如第I.A.1 节所述，辐射物质的浓度对介质能级的形成有重要作用。转之，这些能级会决定光学泵浦跃迁、粒子数反转结构、激光辐射波长以及增益带宽（见图7）。图16 所示为每种激光器类型的典型能级图和粒子数反转过程。各种不同的激光介质中引起粒子数反转的特定相互作用将在下文中详细讨论。

各种不同的介质中产生的激光，其输出特性有很大不同。仅仅列出所有商业化激光系统和那些特定应用领域
的清单就能编成一本书。本节的重点是讨论常见的商业化激光器。表2 列出了这些激光系统的名称（基于激光器介质）及其标称特性和参数。后续各个激光器类别的讨论可参考此表。

Typical inversion processes in gases, liquids, solids, and semiconductors

图16 气体、液体、固体、半导体中典型的反转过程[3]（SPIE 出版，经许可再版）。

激光器	Type	Wavelength	CW or Pulsed	Output Power	应用
ArF, Krf, XeCl, Xef	Gas (excimer)	193 nm, 248 nm, 308 nm, 353 nm	ns	10 W	紫外光刻，激光手术，LASIK，激光退火
Nitrogen	Gas	337 nm	ns	100 mW	染料激光器泵浦，测量大气污染
Dye	Liquid	400-1000 nm	CW-fs	1 W	光谱学，激光医疗
GaN	Semiconductor	410 nm	CW, ns	50 mW	光盘（蓝光）读取/ 记录
Argon-ion	Gas	488 nm	CW	10 W	显微镜，视网膜光线疗法，光刻
HeNe	Gas	632.8 nm	CW	10 mW	干涉测量，全息，条形码扫描
AlGalnP, AlGaAs	Semiconductor	630-900 nm	CW, ms	10 mW, 10 W	光盘（CD，DVD）读取/ 记录，激光笔，固体激光器泵浦，加工
Ti:Saph	Solid-state	650-1100 nm	CW-fs	10 W	光谱学，激光雷达，非线性频率转换，多光子显微镜
Yb:YAG	Solid-state	1030 nm	CW-ps	W-kW	材料加工，光学制冷，激光雷达
Yb-glass	Fiber	1030 nm	CW-fs	W-kW	材料加工，超短脉冲研究，激光雷达
Nd:YAG	Solid-state	1060 nm	CW-ps	W-kW	材料加工，测距，外科手术，去除纹身 / 脱毛，泵浦其他固体激光器
ND:glass	Fiber	1060 nm	CW-fs	W-kW	材料加工，泵浦其他固体激光器，激光聚变用功率/ 能量极高的系统
InGaAs, InGaAsP	Semiconductor	1100-2000 nm	CW, ms	mW-W	通信，固体激光器泵浦，加工，医疗
Er-glass	Fiber	1530-1560 nm	CW	10 W	通信用光学放大器
Tm:YAG, Ho:YAG	Solid-state	2000-2100 nm	μs, ns	W	组织消融，肾结石移除，牙科学，激光雷达
Cr:ZnSe	Solid-state	2200-2800 nm	CW, fs	10 W	MWIR 激光雷达，导弹攻防对抗，超快和高分辨率光谱学，频率计量
CO₂	Gas	10600 nm	CW, μs	kW	材料加工，外科手术，牙科激光，军事激光

表2 常见激光器的特性和参数，按照波长增加的顺序[2, 17]。输出功率仅代表典型值。

气体激光器

对于气体激光器[1, 2, 14]，粒子数反转通常经过对包含低压气体或者气体混合物增益介质的玻璃管或者陶
瓷管两端施加电压来实现（见图17）。电压在管内产生电场，电场产生电流。电子与气体原子发生碰撞，将其激发到更高能级，这将作为激光上能级。较低的激光能级通常比上能级更快地衰减到基态，从而在二者之间产生粒子数反转（见图16）。辐射物质非常稀薄，因此，产生的激光跃迁具有非常窄的光谱带宽并且工作在特定的波长上。由于气态介质种类繁多，工作波长的变化范围可以从准分子激光器的紫外波长（UV），经氩离子和氦氖激光器的可见波段（VIS），到二氧化碳激光器的中红外波段（MIR）。气体激光器历来广泛应用于多种领域，但是除了特定应用之外已经被固体激光器和激光二极管大规模取代。二氧化碳激光器和准分子激光器是例外，它们在激光加工和医学眼科手术中仍发挥着重要作用。

Direct current and radio-frequency discharge currents are used for pumping gas lasers.

图17. 直流（上左）或者射频放电电流（上右）用于气体激光器的泵浦[1]。脉冲激发的商业化染料激光器中一些染料的调谐曲线（下方）。

液体激光器

某些有机染料分子具有足够长的上能级寿命，能够从上能级辐射能量而不是因为碰撞失去能量，所以可以作
为产生激光的辐射物质。为了确保辐射物质的浓度适当，染料分子（通常是粉末状）以约一万分之一的浓度溶解在溶剂中。这种溶液形式的系统被称作液体染料激光器[1, 15]。染料激光器由闪光灯或者其他激光器光学泵浦。每个染料分子，由于其重叠的电子/ 旋转/ 振动跃迁，具有30—50 nm 量级均匀展宽的宽增益谱。通过使用许多不同的染料分子，激光器可以在紫外（UV）、可见光（VIS）和近红外（NIR）的宽光谱范围内进行调谐（见图 17）。将这种宽增益带宽与频率选择元件相结合，可以实现宽调谐和窄光谱带宽。因此，染料激光器一般用于各种光谱学领域。由于染料在溶剂中溶解后会发生分解，染料激光器需要有效的维护。因此，DPSS 激光器与非线性频率转换（见第I.A.6 节）相结合，在许多应用领域中已经大量取代染料激光器。

半导体激光器

半导体激光器通常称作激光二极管，因为其工作原理与二极管相似，电流沿结的正向流动，将电荷载流子注
入由结所限定的空间区域，可以发生复合辐射。如果注入电流足够强，即可实现粒子数反转，发生受激辐射。由于半导体材料和空气之间折射率差很大，半导体晶体表面可以有足够的反射率来充当其自身的谐振腔。电泵浦和紧凑的激光器设计这两个特点，外加成熟的半导体制作工艺，使得激光二极管相比于其他类型的激光器具有许多优势，包括高功率和高效率，小尺寸以及与电学元件兼容。不出所料，激光二极管是当今使用的最重要的激光器类别之一，不仅仅是因为它们应用于光学数据存储和光纤通信，还因为它们可以用作固体激光器的泵浦源。半导体激光器将会在第I.B 节中进行非常详细的讨论。

固体激光器

固体激光器的增益介质是由作为杂质加入光学透明基体材料（通常是晶体或者玻璃）中的活性离子物质构成
的[10, 11]。如第I.A.1 节和第I.A.2 节所述，激光工作材料应当有窄光谱的强跃迁截面，泵浦强吸收带，以及长寿命的亚稳态。在内部不完整电子壳层之间有光学跃迁的离子通常具备这些特性。然而，这些离子必须被保护起来或者与其他离子隔离，以免损失这些想要的特性。这是通过将离子加入到固体基体材料中来实现的，这些基体材料的晶格可使离子增益介质中有足够的掺杂浓度，同时将离子彼此隔离。根据第I.A.2 节，固体激光器通过光泵浦实现其粒子数反转，可以使用闪光灯或者另一种激光源（比如激光二极管或者半导体泵浦固体激光器系统）直接泵浦来实现。

分子式	名称
晶体
Y₃AI₅O₁₂	Yttrium Aluminum Garnet, YAG
Gd₃Ga₅O₁₂	Gadolinium Gallium Garnet, GGG
AI₂O₃	Sapphire
LiSrAIF₆	LiSrAIF6
Mg₂SiO₄	Fosterite
YLiF₄	Yttrium Lithium Fluoride or YLF
YVO₄	Yttrium Vanadate, YVO
玻璃
Silicate-based	e.g. Si0₂ or fused silica
Phosphate-based

图18 表格所示为各种晶体和玻璃固态基体介质的分子式和常用名。图片所示为典型的固态介质棒[23]。
图片由Quantel Lasers 公司提供。

固态增益介质的基体材料必须既有独特的微观晶格特性，又有适当的宏观力学、热学和光学性能。这些基体
材料可以是有机物、陶瓷、晶体和玻璃，后两种类别更为常见。图18 给出了最常见的晶体和玻璃固态基体材料。晶体基体材料有许多优点，其激光谱线宽度较窄，激光阈值较低，因此可以采用较低浓度的掺杂，热导率较高。与晶体相比，玻璃基体材料有许多独特的优点：它们的熔融温度较低，因而能够以较低成本和较大尺寸制作；它们拥有高光学性能，能够以较高的浓度均匀掺杂。但玻璃的热导率比晶体低，因此主要用在以高峰值功率和低重复频率工作的系统中。固体激光器中的线宽展宽行为通常由基体材料决定，晶体基体材料产生均匀展宽，玻璃基体材料产生非均匀展宽。

大多数用于固态激光介质中的掺杂离子是过渡金属和镧系金属（或者稀土）离子[1, 2, 14]。最常使用的过
渡金属是钛(Ti) 和铬(Cr)，最常使用的镧系金属是钕(Nd)、镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm) 和钬(Ho)。掺杂离子通常
会以一定浓度（通常在百分之一左右）在基体中扩散，浓度取决于掺杂度、基体材料和应用。这些离子中有一些电子被 “屏”（来自基体材料的电子）包围，这些被“屏”保护的电子不会与相邻掺杂离子产生相互作用。因此，离子能够辐射能量，而不是通过碰撞衰减，类似于有机染料分子在液体溶剂中的行为。当这些离子吸收光时，能量最终到达激发态能级，作为激光上能级。凭借基体材料提供的屏障，这个上能级在以辐射形式衰减之前有很长的寿命。由于较低激光能级没有得到上能级那样的保护，会与相邻原子碰撞，导致粒子数迅速减少，因此会发生粒子数反转（见图16）。

Laser gain bandwidths for common solid-state laser materials.

图19. 常见固体激光材料的激光增益带宽。

得益于大量可用的基体材料以及掺杂离子，固体激光器有很多种类。图19 中给出了某些较为常见的固体激
光器及其增益带宽。可明显看出，固态介质能够拥有大的增益带宽以及宽波长调谐的可能性，或者具有单色线宽的窄增益带宽。除了图19 中给出的激光波长范围之外，固体激光器可以通过第A.1.6 节中讨论的方法实现频率和波长的调谐。在这种光谱灵活性之外，增益介质的变化使系统展现出许多不同的特性，例如，高输出功率，低功率但极好的空间光束质量，功率稳定性出色的连续波（CW）输出，或者具有ps 或fs 脉宽量级的超短脉冲。这种灵活性使固体激光器具有广泛的应用，包括多光子显微技术，激光雷达（LIDAR），材料加工/ 打标/ 切割甚至激光聚变。

光纤激光器

当固态增益介质制作成光纤且集成谐振腔时，就形成了光纤激光器[1, 24]。由于光纤独特的光波导性能，比
如在长距离上的高空间限光能力，光纤激光器通常与上述讨论的“块状”固体激光器分开处理；更多细节在第III. B 节给出。光纤激光器定义为光纤本身作为增益介质的激光器，这就能够与仅仅耦合到一根光纤中的其他类型激光或者增益介质区别开来。激光活性离子通常掺杂在以玻璃为基体材料的光纤的纤芯中。最常见的掺杂离子是稀土元素镱（Yb）、铒（Er）和铥（Tm），其激光增益带宽如图19 所示。实际上，所有的光纤激光器都是通过激光二极管或者其他光纤激光器进行光学泵浦的。为了有效地将空间模式质量较低的激光二极管耦合到光纤中，通常使用双包层光纤[25]，如图20 所示。有不同的方法将谐振腔集成到光纤激光器几何结构中，包括简单地把光耦合进光纤并通过一个普通腔镜将其反射，形成一个光纤环形镜，或者使用直接制作在光纤中（见第III.D 节）的光纤布拉格光栅（FBG）（见图20）。光纤激光器可以实现高输出功率，既可以连续模式也可以脉冲模式工作，产生高质量输出光束，能够工作在大部分近红外（NIR）和中红（MIR）
光谱区域。这是光纤激光器具有广泛应用领域的原因，包括光纤通信、激光医疗、激光雷达和激光测距，或作为其他更高功率激光器的种子源。光纤激光器还主导着高功率连续波材料加工市场。更多关于上述讨论的各类型激光器（除了在第I.B 节中要讨论的半导体激光器）的内容，可参考文献