激光器的分类介绍实际应用的激光器种类很多如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。

在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。

如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石NdYAG激光器。

气体型的激光器主要有He-Ne氦氖、CO2及氩离子激光器等。

由于工作物质不同产生不同波长的光波不同因而应用范围也不相同。

最常用而范围广的有CO2laser及NdYAG激光。

有的激光器可连续工作如He-Ne laser 有的以脉冲形式发光工作。

如红宝石激光。

而另一些激光器既可连续工作又可以脉冲工作的有CO2laser及NdYAG laser。

一、固体激光器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质即含有亚稳态能级的工作物质。

如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器分别称为晶体激光器和玻璃激光器通常把这两类激光器统称为固体激光器。

在激光器中以固体激光器发展最早这种激光器体积小输出功率大应用方便。

由于工作物质很复杂造价高。

当今用于固体激光器的物质主要有三种掺钕铝石榴石NdYAG工作物质输出的波长为1.06μm呈白蓝色光钕玻璃工作物质输出波长1.06μm呈紫蓝色光红宝石工作物质输出波长为694.3nm为红色光。

主要用光泵的作用产生光放大发出激光即光激励工作物质。

固定激光器的结构由三个主要部分组成工作物质光学谐振腔、激励源。

聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。

工作物质吸收足够大的光能激发大量的粒子促成粒子数反转。

当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。

工作物质有2条主要作用一是产生光二是作为介质传播光束。

因此不管哪一种激光器对其发光性质及光学性质都有一定要求。

二、气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体有的物质在通常条件下是液体如非金属粒子的有水、汞及固体如金属离子结构的铜镉等粒子经过加热使其变为蒸气利用这类蒸气作为工作物质的激光器统归气体激光器之中。

气体激光器中除了发出激光的工作气体外为了延长器件的工作寿命及提高输出功率还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。

气体激光器大多应用电激励发光即用直流交流及高频电源进行气体放电两端放电管的电压增压时可加速电子带有一定能量在工作物质中运动的电子与粒子气体的原子或分子碰撞时将自身的能量转移给对方使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转产生激光。

气体激光器与固体激光器相比较两者中以气体激光器的结构相对简单得多造价较低操作简便但是输出功率常较小。

因气体激光器中的工作物质不同。

因此分中性惰性原子、离子气体、分子气体三种激光器。

中性原子气体激光器这类激光器中主要充有以惰性气体氦、氖、氩、氪等的物质。

具有典型应用的就是He-Ne氦氖激光器。

首台He-Ne激光器诞生于1960年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1.15μm及3.39μm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。

He-Ne激光器结构大体可分为三部分既放电管、谐振腔和激发的电源。

现在临床上最常应用的为内腔式He-Ne激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流在电场作用下气体放电放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。

在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞电子的能量传给原子促使原子的能量提高基态原子跃迁到高能级的激发态。

这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰氦原子的能量传递给氖原子并从基态跃迁到激发的能级状态而氦原子回到了基态上。

因为放电管上所加的电压电流连续不断供给原子不断地发生碰撞。

这就产生了激光必须具备的基本条件。

在发生受激辐射时分别发出波长3.39μm632.8nm1.53μm三种激光而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外另二种是红外区的辐射光。

因反射镜的反射率不同只输出一种较长的光波632.8nm的激光。

He-Ne激光的放电管最外层是用硬质玻璃制成。

放电的内管直径约23mm管长几厘米到十几厘米放电管越长功率越大相应的放电电压就高。

管内主要按51101的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.663.99Pa。

管的一端装有铝圆筒作阴极其圆管状结构主要是为了减少放电测射另一端装有钨针作阳极放电管两端装有反射镜即一头为全反射镜出光一端为半反射镜。

这就构成了激光放电管。

在He-Ne激光器中采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。

一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。

在其中一端反射率为100另一端反射率由激光器的增益而定。

放电毛细管长度约1520cmHe-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.599.5。

谐振腔的轴线和放电毛细管 He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同不能使用光泵激励而采用电激励的方法。

把工作物质封入放电管中供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。

通过放电过程把能量传给工作物质促使气体中的离子、原子被激发。

医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。

大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。

三、分子气体激光器分子气体激光器与原子气体激光器不一样分子气体由碳和氧组成最常用其原则上是能够实现高效率与高功率输出。

分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。

只不过是工作物质为分子与原子的差别。

分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器。

CO2激光器效率高不造成工作介质损害发射出10.6μm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。

在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。

CO2激光器与其它分子激光器一样CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。

分子有三种不同的运动即分子里电子的运动其运动决定了分子的电子能态二是分子里的原子振动即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态三是分子转动即分子为一整体在空间连续地旋转分子的这种运动决定了分子的转动能态。

分子运动极其复杂因而能级也很复杂。

CO2分子为线性对称分子两个氧原子分别在碳原子的两侧所表示的是原子的平衡位置。

分子里的各原子始终运动着要绕其平衡位置不停地振动。

根据分子振动理论CO2有三种不同的振动方式①二个氧原子沿分子轴向相反方向振动即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值而此时分子中的碳原子静止不动因而其振动被叫做对称振动。

②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动且振动方向相同而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。

由于三个原子的振动是同步的又称为变形振动。

③三个原子沿对称轴振动其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反又叫反对称振动能。

在这三种不同的振动方式中确定了有不同组别的能级。

CO2激光器中主要的工作物质由CO2氮气氦气三种气体组成。

其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。

加入其中的氦可以加速010能级热弛预过程因此有利于激光能级100及020的抽空。

氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。

CO2激光器的放电管中通常输入几十mA或几百mA 的直流电流。

放电时放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。

这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞N2分子把自己的能量传递给CO2分子CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。

CO2激光器结构组成为①激光管是激光机中最关键的部件。

常用硬质玻璃制成一般采用层套筒式结构。

最里面一层是放电管第2层为水冷套管最外一层为储气管。

CO2激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。

放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应应根据管长而定。

管长的粗一点管短的细一点。

放电管长度与输出功率成正比。

在一定的长度范围内每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。

加水冷套的目的是冷却工作气体使输出功率稳定。

放电管在两端都与储气管连接即储气管的一端有一小孔与放电管相通另一端经过螺旋形回气管与放电管相通这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动放电管中的气体随时交换。

四、YAG 激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。

钇铝石榴石的化学式是Y3 Al5 O15 简称为YAG。

在YAG基质中掺入激活离子Nd3 约1就成为Nd:YAG。

实际制备时是将一定比例的Al2 O3、Y2 O3 和NdO3在单晶炉中熔化结晶而成。

Nd:YAG属于立方晶系是各向同性晶体。

由于Nd:YAG属四能级系统量子效率高受激辐射面积大所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。

又由于Nd:YAG晶体具有优良的热学性能因此非常适合制成连续和重频器件。

它是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质在中小功率脉冲器件中。

目前应用Nd:YAG的量远远超过其他工作物质。

和其他固体激光器一样 YAG 激光器基本组成部分是激光工作物质、泵浦源和谐振腔。

不过由于晶体中所掺杂的激活离子种类不同泵浦源及泵浦方式不同所采用的谐振腔的结构不同以及采用的其他功能性结构器件不同YAG激光器又可分为多种例如按输出波形可分为连续波YAG激光器、重频YAG激光器和脉冲激光器等按工作波长分为1.06μmYAG 激光器、倍频YAG激光器、拉曼频移YAG 激光器λ1.54μm和可调谐YAG 激光器如色心激光器等按掺杂不同可分为Nd:YAG激光器、掺Ho、Tm、Er等的YAG激光器以晶体的形状不同分为棒形和板条形YAG 激光器根据输出功率能量不同可分为高功率和中小功率YAG激光器等。

形形色色的YAG 激光器成为固体激光器中最重要的一个分支。

五、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。

目前较成熟的是砷化镓激光器发射840nm的激光。

另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。

激励方式有光泵浦、电激励等。

这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。

在70年代末期由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN 结或PIN 结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼GaAs 、砷化锢InAs、氮化镓GaN、锑化锢 InSb、硫化锅 cds 、蹄化福CdTe 、硒化铅PbSe、啼化铅PhTe 、铝稼砷A1xGa-As、锢磷砷In-PxAS 等.。