常用激光器稀土激光器

稀土激光材料的應(yīng)用器件

YAG∶Nd激光器

這是用量最多、最成熟的激光晶體，對(duì)其需求占激光晶體的90%左右，在未來(lái)5年內(nèi)仍為主體。材料加工是激光器巨大市場(chǎng)之一。CO2激光器與YAG∶Nd激光器在材料加工方面銷售量之比為2∶1 。

光存貯激光器

作為信息高速公路重要組成部分，市場(chǎng)潛力非常巨大，其中一部分屬于光存儲(chǔ)。提高存儲(chǔ)密度的方法是用更短波長(zhǎng)的激光，最佳選擇是808微米的LED泵浦YVO4∶Nd晶體 。

2微米激光器

Ho和Tm激光器有很大的市場(chǎng)潛力。由于Ho和Tm激光輸出波長(zhǎng)在2微米左右，與水的吸收峰相接近，有比較好的對(duì)人體組織切割和凝血效果，可以用普通光纖傳輸，是理想的手術(shù)激光光源。美國(guó)已批準(zhǔn)20多種2微米激光在醫(yī)療臨床使用?？芍委煻喾N疾病。2微米激光對(duì)人眼安全，大氣穿透好，可作為激光雷達(dá)光源，其綜合性能優(yōu)于YAG∶Nd和CO2激光器 。

LED泵浦的固體激光器

LED泵浦固體激光器其效率比燈泵浦提高10倍，全固體化可靠性提高100倍，在光存儲(chǔ)、微細(xì)加工、有線電視、遙感、雷達(dá)等科研方面有巨大市場(chǎng)。LED泵浦激光材料主要有YAG∶Nd、YAG∶Tm、YVO4∶Nd、Y2SiO5∶Nd等 。

下面僅是其中最常用和最有代表性的幾種分別為：

紅寶石激光器 　這是人們最早研制成功而到今仍被經(jīng)常采用的一種固體激光器。其工作物質(zhì)為紅寶石晶體，化學(xué)表示式為Al2O3:Cr3 ，是將作為發(fā)光中心的三價(jià)鉻離子(Cr3 )摻入剛玉(Al2O3)基質(zhì)中并經(jīng)人工生長(zhǎng)方法而成;整個(gè)晶體外觀呈暗紅色,并通常加工為圓棒狀。采用光泵方法激勵(lì)，室溫下輸出激光波長(zhǎng)約為6943埃。通常情況下,是采用發(fā)光亮度較高的脈沖氙燈進(jìn)行激勵(lì),可在較低重復(fù)頻率下進(jìn)行脈沖式運(yùn)轉(zhuǎn)；在某些特殊場(chǎng)合下，亦可采用連續(xù)光源激勵(lì)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

紅寶石激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是輸出可見光波段的激光，可在室溫下運(yùn)轉(zhuǎn),工作晶體抗激光破壞能力強(qiáng),器件尺寸可做得比較小，能獲得較大功率的脈沖激光輸出等；其不足之處是為產(chǎn)生激光振蕩所必需的光泵閾值水平較高，激光振蕩受工作晶體溫度變化影響較為明顯，晶體光學(xué)質(zhì)量不夠理想等。這種激光器主要用于激光測(cè)距、激光加工、激光全息技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)及實(shí)驗(yàn)室基本研究等方面。

摻釹釔鋁石榴石激光器（YAG 激光器） 這種激光器的工作物質(zhì)是摻有三價(jià)釹離子(Nd3 )的釔鋁石榴石晶體,其化學(xué)表示式為Y3Al5O12:Nd3 ,呈淺紫色,通常加工成圓棒狀。該種晶體的熱傳導(dǎo)性能較好，而且激光振蕩特性受晶體溫升變化又比較小，故這種激光器可在連續(xù)光泵（連續(xù)氪燈激勵(lì)）條件下進(jìn)行連續(xù)式運(yùn)轉(zhuǎn)，或者在較高重復(fù)脈沖（脈沖氙燈激勵(lì)）條件下進(jìn)行脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出激光波長(zhǎng)為1.064微米。

摻釹釔鋁石榴石激光器 (簡(jiǎn)稱為YAG激光器)的主要優(yōu)點(diǎn)是為產(chǎn)生激光振蕩所必需的光泵激勵(lì)閾值較低，器件的能量轉(zhuǎn)換效率較高，可在室溫條件下進(jìn)行較長(zhǎng)期的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或較高重復(fù)率（達(dá)每秒幾十次以上）脈沖式運(yùn)轉(zhuǎn);其不足之處是輸出激光為人眼看不見的近紅外光,因此在許多應(yīng)用場(chǎng)合下需采用倍頻(二次諧波)技術(shù)將1.06微米激光轉(zhuǎn)換為0.53微米的綠色激光；此外，工作晶體受人工生長(zhǎng)技術(shù)的限制不容易做得很大，且晶體本身抗激光破壞的能力不很強(qiáng)，因此不適于用來(lái)產(chǎn)生較高功率和較大能量的脈沖輸出。這種激光器主要應(yīng)用于激光測(cè)量、激光加工、激光治療、激光泵浦、非線性光學(xué)以及實(shí)驗(yàn)室基本研究等方面。

釹玻璃激光器工作物質(zhì)是摻有三價(jià)釹離子 (Nd3 )的優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃(常用者為硅酸鹽玻璃),呈淡紫紅色,通常情況下加工成圓棒狀，特殊要求場(chǎng)合下亦可成片狀或其他幾何形狀。采用光泵（脈沖氙燈）激勵(lì)，輸出激光波長(zhǎng)為1.06微米，可在室溫或高于室溫的較大范圍內(nèi)進(jìn)行單次脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)或較低重復(fù)率情況下的重復(fù)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)?！♀S玻璃激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本較低、器件的能量轉(zhuǎn)換效率較高，特別是用現(xiàn)有方法可制備大體積、高質(zhì)量、抗激光破壞能力強(qiáng)的釹玻璃工作物質(zhì)，故可制成較大尺寸的器件，用來(lái)獲得較高功率或較大能量（高于幾千焦耳）的近紅外脈沖激光輸出。其不足之處是玻璃工作物質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能較差，故不適于作連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或較高重復(fù)率的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。這種激光器主要應(yīng)用于激光加工、激光治療、激光測(cè)量、非線性光學(xué)與激光等離子體研究方面。

氦氖激光器 　是一種典型的原子氣體激光器，也是人們最早研制成功而且仍然是應(yīng)用最廣的一種氣體激光器。工作物質(zhì)為惰性氣體氦(He)與氖(Ne)的混合物，通常采用直流氣體放電進(jìn)行激勵(lì)，其中氦原子起能量轉(zhuǎn)移作用，而氖原子起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和發(fā)射激光的作用，通常輸出為6328埃的紅色可見激光，也可制成近紅外波段的激光輸出，工作狀態(tài)為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

氦氖激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單、成本低廉、操作簡(jiǎn)便、可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)以及輸出為單色性較好的可見激光等；其主要不足之處是連續(xù)輸出的激光功率水平較低（通常在毫瓦量級(jí)）。這種激光器主要用于激光準(zhǔn)直、激光顯示、精密測(cè)量與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、全息照相與激光通信等方面。

氬離子激光器 　這是一種典型的離子激光器，工作物質(zhì)為惰性氣體氬，工作氣壓一般在1托以下,以大電流直流放電進(jìn)行激勵(lì),在氬離子(Ar )的3p44p至3p44s電子組態(tài)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生相應(yīng)的多條可見激光譜線發(fā)射，其中最強(qiáng)的激光譜線波長(zhǎng)為4880埃和5145埃。

氬離子激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較高功率（幾十瓦以上）的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可見激光輸出；不足之處是器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、能量轉(zhuǎn)換效率較低等。這種激光器主要用于激光顯示、信息處理、激光泵浦、全息照相以及激光光譜學(xué)研究等方面。

二氧化碳激光器 　這是一種典型的分子氣體激光器，工作物質(zhì)為二氧化碳(CO2)分子氣體,通常情況下采用氣體放電進(jìn)行激勵(lì)；當(dāng)器件用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，工作物質(zhì)氣壓較低（10托以下），當(dāng)器件用于脈沖狀態(tài)時(shí)，工作物質(zhì)氣壓較高（大于大氣壓）；輸出激光波長(zhǎng)主要在10.6微米附近的中紅外光譜區(qū)。

二氧化碳激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是器件的能量轉(zhuǎn)換效率較高(可達(dá)20%)，在脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)情況下可獲得大能量（幾千焦耳以上）脈沖激光輸出。這種激光器主要用于激光加工、激光治療、激光通信、非線性光學(xué)激光光譜學(xué)與激光等離子體研究等方面。

氮分子激光器　是一種工作在紫外波段的脈沖氣體激光器。工作物質(zhì)為氮分子(N2)氣體，采用快速大電流脈沖放電進(jìn)行激勵(lì)，在氮分子的電子能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生波長(zhǎng)較短的激光發(fā)射，其輸出波長(zhǎng)主要分布在近紫外光譜區(qū)，其中以3371埃激光譜線為最常用；輸出激光脈沖的時(shí)間寬度較窄,一般為納(10-9)秒數(shù)量級(jí)；輸出激光的脈沖峰值功率也較高,可達(dá)兆瓦量級(jí)以上;輸出脈沖重復(fù)率可達(dá)每秒幾十到幾百次。

氮分子激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是輸出為近紫外激光，脈沖功率較高。困此適用于激光熒光分析、制造集成電路、激光育種、激光治療、探測(cè)污染、激光泵浦以及用于非線性光學(xué)方面的基礎(chǔ)研究等。

準(zhǔn)分子激光器 　這是一種特殊類型并且主要工作在紫外波段的氣體激光器，工作物質(zhì)為準(zhǔn)分子氣體。準(zhǔn)分子是一種不穩(wěn)定的處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)合分子，通常情況下它從產(chǎn)生到消失所經(jīng)歷的時(shí)間很短（幾十納秒量級(jí)）?？僧a(chǎn)生激光作用的準(zhǔn)分子氣體大體可分為三類：即惰性氣體準(zhǔn)分子(如Xe2、Ar2等),惰性氣體原子與鹵素氣體原子結(jié)合而成的準(zhǔn)分子（如XeF、KrF、XeCl等），以及金屬原子與鹵素原子結(jié)合而成的準(zhǔn)分子 (如HgCl、CUF等)。這種激光器采用快放電激勵(lì)或脈沖電子束注入激勵(lì)；輸出多條激光譜線且主要分布在光譜波段的近紫外區(qū)和真空紫外區(qū)。

準(zhǔn)分子激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是輸出激光位于近紫外與真空紫外區(qū)，可獲得較高功率和較大能量的脈沖激光輸出，器件的能量轉(zhuǎn)換效率較高。這種激光器的應(yīng)用范圍與氮分子激光器大致相同。

可調(diào)諧染料激光器　這是一種典型的液體激光器，工作物質(zhì)為有機(jī)染料溶液，可采用脈沖氙燈或由其他激光器發(fā)出的激光進(jìn)行光泵激勵(lì)；由于對(duì)選定的某種染料溶液而言，常常具有較寬的熒光發(fā)射譜帶和相應(yīng)的激光增益帶寬，因此在激光器內(nèi)采用適當(dāng)?shù)纳⒃?duì)振蕩頻率進(jìn)行選擇性控制之后，可在較寬光譜范圍內(nèi)（通?？蛇_(dá)幾百埃以上）獲得單色性較好的可調(diào)諧激光輸出；若進(jìn)一步變換所使用的染料媒質(zhì)的種類或組合方式，則可在更加寬廣的光譜范圍內(nèi)（可達(dá)千埃以上）實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光振蕩。染料激光器可分別采用連續(xù)或重復(fù)脈沖兩種方法運(yùn)轉(zhuǎn)，在以激光進(jìn)行光泵激勵(lì)的情況下，器件有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。在可見光譜區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)的染料激光器所使用的典型工作物質(zhì)為若丹明 6G、若丹明B等類染料溶液。

可調(diào)諧染料激光器主要應(yīng)用于激光光譜學(xué)和非線性光學(xué)研究領(lǐng)域;此外,在激光顯示、信息記錄與存儲(chǔ)、激光醫(yī)學(xué)與生物學(xué)研究等方面也有其特殊的應(yīng)用價(jià)值。

半導(dǎo)體二極管激光器 　這是人們最早研制成功的一種典型的半導(dǎo)體激光器。在本質(zhì)上，這種裝置類似于一種單向（正）偏壓發(fā)光二極管,在N區(qū)導(dǎo)帶的底部集居著電子,而在P區(qū)價(jià)帶的頂部集居著空穴；在正向偏壓作用下，電子由N區(qū)進(jìn)入P區(qū)，并在PN結(jié)（交界）區(qū)與空穴相復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光，發(fā)光光子能量約等于導(dǎo)帶與價(jià)帶之能量差；如果對(duì)PN結(jié)二極管施加的正向注入電流密度超過(guò)一定的閾值，使在PN結(jié)區(qū)由復(fù)合發(fā)光所決定的增益遠(yuǎn)大于各種可能的光損耗，就可以形成相干的激光振蕩；此時(shí)，光學(xué)共振腔，可由垂直于結(jié)平面的兩個(gè)平行晶體解理面構(gòu)成。

半導(dǎo)體PN結(jié)二極管激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、成本低、效率高和使用壽命長(zhǎng)。效果最好和使用最普遍的是雙異質(zhì)結(jié)型砷化鎵(GaAs/GaAlAs)二極管激光器，可在室溫條件下以較高重復(fù)脈沖率運(yùn)轉(zhuǎn)或連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出激光在0.8微米附近的近紅外區(qū),并可按一定方式在有限的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。

半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、信息存儲(chǔ)、處理與顯示、激光測(cè)距、制導(dǎo)、夜視及激光光譜學(xué)研究等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)值(見激光、激光器、激光單元技術(shù))。

與氦氖激光器不同，氬激光器工作于離子化原子的兩個(gè)能級(jí)間的躍遷。要使原子一次電離，也就是是要從每個(gè)氬原子去掉一個(gè)電子，必須供給氬氣相當(dāng)大的能量。因此，氬激光器的電源比氦氖激光器的既笨重又復(fù)雜，雖然它能輸出的功率要大得多。然而總效率是差不多的。

能在可見光范圍內(nèi)發(fā)射激光的離子氣體激光器有氬激光器和氪激光器。氬激光器能產(chǎn)生波長(zhǎng)為5145埃的綠光和波長(zhǎng)為4880埃的藍(lán)光。氪激光器能發(fā)射波長(zhǎng)為6472埃的紅光這兩種激光器輸出功率較大，可應(yīng)用于大屏幕激光彩色電視和攝制彩色全息照相。