激光器件实习报告分解.docx

1、激光器件实习报告分解学 院： * 专 业: * 班 级： * 姓 名： * 学 号： * 指导老师： * 设计日期：2013年*月*日至2013年*月*日 激光器英文名称：Laser（Light amplification by the stimulated emission of radiation). 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，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.霍耳等人创制了砷化

2、镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。 激光器原理 ：是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。 激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。 激光器可以分为：一：按物质分类，二：按激励方式分类，三：按运转方式分类，四：按输出波段范围分类。 一：按物质可以分为，固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 自由电子激光器 。 二：按激励方式可以分为：光泵式激光器 电激励式激光器 化学激光器 核泵浦激光器。 三： 按运转方式可以分为

3、：连续激光器 单次脉冲激光器 重复脉冲激光器调激光器 锁模激光器 单模和稳频激光器 可调谐激光器， 四：按输出波段可以分为：远红外激光器 中红外激光器 近红外激光器可见激光器 近紫外激光器 真空紫外激光器 X射线激光器一：按工作物质分类根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：固体激光器（晶体和玻璃），这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等

4、；液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐

5、射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。二、按激励方式分类光泵式激光器。指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。电激励式激光器。大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。化学激光器。这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。核泵浦激光器。指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量

6、来激励工作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。三、按运转方式分类由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。连续激光器，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免。 激光器的性能特点及主要用途：固体激光器： （1） 红宝石激光器（ Cr 3+ : Al 2 O3 ） 红宝石是由蓝宝石（ Al2O3 ）中掺入少量的氧化铬（Cr3O2）而形成。红宝石

7、激光器的工作物质是 Cr 3+ : Al2O3 ，其中， Al2O3 作为基质晶体， Cr 3+ 是发光的激活粒子，光谱特性与 Cr3+ 的能级结构有关，它是三能级系统。在室温情况下， 红宝石激光器一般输出 694.3nm 的红光。工作物质：Cr 3+ : Al2O3，Al2O3作为基质晶体，Cr3+是发光的激活粒子泵浦方式：用氙灯照射能级结构：红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了氙灯发射的光子而被激发到E3能级。输出波长：694.3nm （红光）主要用途：波长694nm的激光能被黑色素选择性吸收，而血红蛋白对该波长几乎不吸收，调Q脉冲红宝石激光被黑色素选择性吸收的特性使其成为去除纹身最

8、好的激光器。与对组织灼烧炭化的治疗机理不同，调Q脉冲高能量瞬间作用于皮损部位使色素团块被击碎成为细小的颗粒，细小的色素颗粒通过人体自身免疫系统被巨嗜细胞吞噬，从而达到治疗目的，因此红宝石治疗色素病变不会产生疤痕，是一种安全有效的治疗手段。我国天津大学研制的TD-98型调Q红宝石激光治疗仪，激光脉冲小于30ns，输出峰值功率可达100兆瓦。可以治疗各种色素病变，尤其是治疗纹身和胎记的效果非常好。非调Q红宝石激光去除毛发具有良好的疗效，尤其在欧美用激光去除毛发受到重视。1997年美国FDA已批准几种以红宝石激光为基础的系统用于去毛发应用。性能特点：红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好，高

9、功率密度，大尺寸晶体，亚稳态寿命长，高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。（2）掺钕钇铝石榴石激光器 Nd 3+ : YAG 激光器是迄今为止使用最为广泛的固体激光器。在固体基质中掺入了激活粒子 Nd 3+ ，基质钇铝石榴石（英文缩写为 YAG） 具有优良的光学、力学和热学性能，是目前能在室温下连续工作的唯 一实用的固体工作物质。在室 温下， Nd 3+ : YAG 一般输出的激光波长为 1.064m。工作物质：激活粒子Nd 3+泵浦方式：光照输出光波：1.064m主要用途：（1）、激光元件加工: 片状, 方柱, 圆棒, 布儒斯特角

10、端面等, 可按用户要求加工镀膜:（2）、不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用,可以获得良好的疗效。医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛,特别是治疗皮肤色素性疾病,有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点。性能特点：YAG 能级结构 Nd 3+ : YAG 激光器几乎没有什么缺点，突出优点是阈值低和优良 的热学性能。目前对 Nd 3+ : YAG 的应用远超过其他固体工作物质。（3） 掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG） Er : YAG 激光器的出现是激光在医疗领域的一大突破。它的基本结构与 N

11、d 3+ : YAG 激光器基本结构相似，通常采用脉冲氙灯泵浦，聚光腔为镀银的单椭圆柱腔或双椭圆柱腔，但是其光学元件必须与水蒸气隔离（不隔离激光束将破坏），因此需要将激光器密闭 在干燥的容器之中。其输出的波长为 2.94m。现今， Er : YAG 激光器的最大平均功率已达到3W，最大脉冲输出 已达到 5J，是迄今为止输出功率最大、效率最好的长波长固体激光器； 泵浦方式：脉冲氙灯泵浦输出光波：2.94m主要用途：Er:YAG激光输出294m的波长,正好与水吸收光谱的峰值吻合,吸收系数为 13000cm-1,在现有医疗激光器中为最高。此吸收系数对应的光学穿透深度为1m,相比于其他医疗用激光器而言

12、,穿透深度非常浅,因此十分适合用在眼科、血管等精密医疗领域。此外,由于Er:YAG激光对含水组织的破坏属于水蒸发所引起的机械损伤,不会留下灼伤疤痕,也不会存在类似准分子激光器对细胞DNA的破坏从而导致基因变异的潜在危险,因此是非常安全实用的医疗用激光光源。（4）、可调谐固体激光器 可调谐固体激光器的出现可以说是固体激光器的重大发展。它是指在一定范围内，可以连续改变输出波长的固体激光器。我们可以将它分为两：一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。色心激光器的阈值较低，容易实现单模运转，并且光束质量好，特别是调谐范围覆盖 0.83

13、.9m。工作物质：正负离子或过渡族金属离子泵浦方式：光照输出光波：0.83.9m主要用途：国防应用：快速信息获取和传递目标指示/测距，激光雷达（成像），跟踪/信标，陆海空天通讯武器精确控制激光制导，激光引信，激光干扰/光电对抗，激光硬杀伤；天文应用：自适应光学信标空间探测；能源应用：激光惯性约束聚变（IFE）电站；激光投影显、示大屏幕激光显示等。 气体激光器：气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器。它们工作在很宽的波长范围，从真空紫外到远红外,既可以连续方式工作,也可以脉冲方式工作。 （1）原子气体激光器 包括各种惰性气体激光器和各种金属蒸气激光器，如氦氖激

14、光器和铜蒸气激光器。其中氦氖激光器是最早研究成功的，并且仍在普遍使用。它的工作物质是混有氦的氖。在这种混合气体中放电，部分氦原子被激发到亚稳激发态21S或23S。这部分氦原子与基态氖原子碰撞时,能导致能量转移激发，使氖原子处于激发能级上，从而实现氖原子的粒子数反转分布。氖原子在谐振腔中通过受激发射过程主要发出三个波长（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。氦氖激光器输出的激光功率只有几毫瓦到100毫瓦，效率约为0.1。但是，氦氖激光器具有单色性好、方向性强、使用简便、结构紧凑坚固等优点，因而在精密测量、准直和测距中得到广泛的应用。激光器名称：氦氖激光器工作物质：氖原子泵浦方式：电刺激

15、能级结构：四能级系统输出光波：它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15m及3.39m红外光。632.8nmHe-Ne激光器最大连续输出功率可达到1W，寿命也达到10Kh以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005，十分钟内的误差为0.015的功率稳定度；发散角仅为0.5毫弧度。He-Ne激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。He-Ne激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。主要用途：在瓜果照射的应用机理，激光作为一种在生

16、物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，农业的实际应用上取得了良好效果。可以应用于测量、激光照排、激光治疗。（2）分子气体激光器 工作物质是中性分子气体，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波长范围很广，从真空紫外、可见光到远红外。其中以二氧化碳激光器最为重要，其特点是效率高，大约在1025范围内，可以获得很高激光功率,连续输出功率高达万瓦,脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.4微米和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。 激光器名称：CO2激光器工作物质：CO2泵浦方式：高压电激能级结构：4能级结构输出光波：CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.

17、6m波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。主要用途：二氧化碳激光器分为普通低气压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和高气压连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。这些激光器可用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可调谐的激光器，特别适用于激光通信和高分辨光谱学。 CO2激光治疗外伤性面部瘢痕1）、色素沉着的问题：对于这个问题可以选择色素类的激光及强脉冲光来进行治疗，或者是现在较流

18、行的点阵激光也可以（只是要注意它只是用于陈旧性的瘢痕色素的问题起作用，对新鲜瘢痕不建议使用）。 在治疗时应该根据瘢痕表面的色素的深浅（指瘢痕表面色素细胞的多少以及色素所在瘢痕的层次的深浅）、形成色素的时间长短来选择治疗参数，特别是强脉冲光的参数设置上应该选择脉宽、波长较短有利于色素细胞吸收的治疗参数，以免造成新的色素沉着，甚至新的瘢痕。 2）、瘢痕表面凹凸不平的问题：针对这个问题的解决首选应该是激光磨削。用于激光磨削的仪器目前有新型的超脉冲CO2激光和铒激光，当然点阵激光严格来说也应该属于这一类激光，只是说相对而言它的损伤较小、恢复较快。 作用机理上新型高能超脉冲CO2激光和铒激光它们采用高峰

19、值短脉冲技术，能使激光在整个短脉冲期保持高峰值能量，可在瞬间准确地汽化瘢痕组织，且其作用于瘢痕组织的时间短于向周围组织的热弛豫时间，因此可最大限度地减少组织热损伤这是从根本上不同于以往的普通CO2激光。超脉冲CO2激光和铒激光对真皮的热作用还能引起真皮胶原收缩、再生和重塑，从某种角度上说激光对瘢痕的磨削治疗可以使瘢痕在创伤后会向更好的方向上发展。 3）、瘢痕外伤性的问题：这主要是见于皮肤搽伤及煤炭等异物经爆炸所形成的外伤性文身，针对这个问题主要是运用Q开关Nd:YAG激光来治疗，病变位置比较深，病变体积较大的皮损可以配合超脉冲CO2激光及手术进行治疗。激光治疗原理同于色素激光对太田痣等的治疗原

20、理。 4）、普通外科缝合后遗留的针眼瘢痕的问题：可以采用激光磨削的方式就可以完全解决了针眼的问题，至于中间瘢痕的问题要看情况有没有必要手术了。对于新鲜的伤口建议尽快进行激光治疗以及必要的NA物治疗，让针眼瘢痕消失在萌芽状态。（4）准分子激光器 在医学领域中使用的激光器种类非常多,常用于眼科治疗的主要有红宝石(rudy)激光、氩离子(Ar+)激光、氪离子(Kr+)、染料(dye)激光、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光和氟化氩(ArF)准分子激光等固体、气体和液体的激光器，用连续的、脉冲的和调Q的方式，治疗眼底部色素膜和屈光间质等部位的数十种有关眼部疾病。 眼科使用的准分子激光, 是以氩气(Ar

21、gon) 和氟气( Fluoride) 为工作气体产生的激光。所谓准分子激光，是指受激二聚体（惰性气体和卤素两种元素）所产生的激光，波长范围为157353nm，所属紫外激光波段。现在用于临床的氟化氩(ArF)混合物产生的波长为193nm的超紫外冷激光.。波长为193nm的ArF准分子激光，进行屈光手术的机理就是光化学效应。准分子激光单个光子的能量大约是6.4eV，而角膜组织中肽键与碳分子键的结合能量仅为3.6eV。当其高能量的光子照射到角膜，直接将组织内的分子键打断，导致角膜组织碎裂而达到消融切割组织的目的，并且由于准分子激光脉宽短（1020nm），又是光化学效应切除。因此，对切除周围组织的机

22、械损伤和热损伤极小（0.30m）。 用这种刀施行光切术,其切割精度可达到m级,其刀口损伤范围仅达nm级,而且由于无热效应而不会损伤邻近组织。所以现已运用于角膜手术，如角膜屈光手术、角膜疤痕去除等。半导体激光器：半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化

23、镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。种类：（1）异质结构激光器 （2）条形结构激光器 （3）GaAIAs/GaAs激光器

24、（4）InGaAsP/InP激光器 （5）可见光激光器 （6）远红外激光器 （7）动态单模激光器 （8）分布反馈激光器 （9）量子阱激光器 （10）表面发射激光器 （11）微腔激光器 性能特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。 主要应用：半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于）1Gh/。局域网，1300nm -1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统.半

25、导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途.半导体激光器的问世极

26、大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.GaAs/GaAlA。双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB一LD).半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出.（参考网址

27、 可加入军事方面的应用，以及性能参数。） 激光产生条件：（1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； （2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转； （3）有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。特别要注意的是，光的传播方向要严格的垂直两放射镜的表面，这样才能减少光的损失，才会形成激光。 电源介绍（以氦氖激光器电源为例）：氦氖激光器电源的结构图各部分的功能说明：调整输入电压模块：由于室电不一定稳定在220V，该模块用于是输入电压稳定在某一

28、个设定的特定值。变压器：由于激光器需要很高的电压驱动，这里的变压器用于升压，将输入的电压值升高。滤波电路：将电容和电阻并联就可以组成滤波电路，降低输出电压中的脉动成分，保留其中的直流成分。多倍整流电路：倍压整流电路多用于电流小而电压较高场合，这里的多倍整流电路起到升高电压和整流的作用，一举两得。其原理用3倍压整流原理说明：三倍压整流电路如图,在u2 的第一个半周时，u2 的极性是上正下负（即a端为正，b 端为负），D1 在正向电压作用下导通，此时电容C1 充电后的电压约等于u2 的最大值 U2（u2 为变压器次级绕.组感应的交流电压，U2 为次级交流电压有效值）。在第二个半周，u2 的极性反过

29、来（a 端为负、b 端为正），D1 截止、D2 导通，电压U2 加上C1 上的 U2 向电容C2 充电，C2 充电后的电压约为2 U2。在第三个半周时，U2 的极性又是a 端为正，b 端为负，D1 又导通，已充电到2 U2 的C2上的电压加到e、d 两点使D2 截止，但D3 导通，于是电容C3 就被充电到与C2 一样高的电压2 U2。若负载接在a、b 两端，就可获得三倍压（3 U2）的直流输出电压。每只二极管承受的最大反向电压为2 U2，电容C1、C2 和C3 承受的电压分别为2U2、2 U2 和2 U2。根据相同的道理，可以组成n（多）倍压整流电路。当n 为奇数时，输出电压从下端的相应两点（

30、B、C）取出；当n 为偶数时，输出电压从上端相应两点（A、D）取出。输出直流电压的平均值，空载时为n U2，负载时为n1.2U2。电容C1 上的电压为U2，其余电容上的电压均为2 U2，每个整流元件承受的反向电压都是2 U2。 常见激光器参数：气体激光器 介质是气体的激光器，此种激光器通过放电得到激发。 氦氖激光器：最重要的红光放射源（632.8 nm）。 二氧化碳激光器：波长约10.6 m（红外线），重要的工业激光。 一氧化碳激光器：波长约6-8 m（红外线），只在冷却的条件下工作。 氮气激光器：337.1 nm (紫外线)。 氩离子激光器：具有多个波长，457.9 nm (8%)丶476.

31、5 nm (12%)丶488.0 nm (20%)丶496.5 nm (12%)丶501.7 nm (5%)丶514.5 nm (43%)（由蓝光到绿光）。 氦镉激光器：最重要的蓝光（442nm）和近紫外激光源（325nm）。 氪离子激光器：具有多个波长，350.7nm丶356.4nm丶476.2nm丶482.5nm、520.6nm丶530.9nm丶586.2nm丶647.1nm (最强)丶676.4nm、752.5nm丶799.3nm (从蓝光到深红光)。 混合气体激光器：不含纯气体，而是几种气体的混合物（一般为氩丶氪等）。 准分子激光器：比如KrF (248 nm)丶XeF (351-353 nm)丶ArF (193 nm)、XeCl (308 nm)丶F2 (157 nm) (均为紫外线)。 金属蒸汽激光器：比如铜蒸汽激光器，波长介於510.6-578.2 nm之间。由於很好的加强性，可以不用谐振镜。 金属卤化物激光器：比如溴化铜激光器，波长介於510.6-578.2 nm之间。由於很好的加强性，可以不用谐振镜。 化学激发激光器是一种特殊的形式。激发通过媒介中的化学反应来