已有激光光源的归纳总结
激光光源总结报告
已有激光光源的归纳总结
1.固体激光器
固体激光器通常是指以绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。基本结构如下图所示。
图1 固体激光器的基本结构
固体激光器大致可分为三大类，其中包括：可调谐固体激光器、高功率固体激光器和二极管泵浦固体激光器。
可调谐固体激光器包括：
（1）终端声子激光器，其特点是以过度金属离子作为激活中心，激光跃迁的终态是与晶格相联系的电子振动能级。伴随电子跃迁发生一个或多个晶格声子的发射。终端声子激光晶体有掺钛蓝宝石（Ti3+:Al2O3），掺钴氟化镁（Co2+:MgF2）等；
（2）色心激光器，以晶体中存在的点缺陷—色心作为发光中心的可调谐固体激光器，如Li:F2-和NaClF2+激光器等；
（3）5d-4f跃迁激光器，掺在合适基质中的稀土离子Ce3+，Er3+和Sm2+的5d-4f跃迁有可调谐特性，例如Ce3+:LiYF4, Ce3+:LaF3和Sm2+ :CaF2等。
高功率固体激光器是指：
（1）输出功率在数百瓦以上的连续或重复频率脉冲工作的固体激光器，典型例为用于工业材料加工的Nd:YAG固体激光加工机，高功率板条固体激光器等；
（2）作为惯性约束聚变和相关物理实验用的高能量、高峰值功率、短脉冲固体激光驱动器；
（3）太瓦（TW，1012W）和拍瓦（PW，1015W）级超短脉冲高亮度源。
二极管泵浦固体激光器又包括：
（1）单频和可调谐二极管泵浦固体激光器，利用短腔选纵模，腔内法卜利-珀洛（F-P）标准具和扭转模腔等方法都可在增益线宽中心频率附近选纵模，实现单频工作；
（2）二极管泵浦调Q、倍频和锁模固体激光器；
（3）中小功率二极管泵浦固体激光器；
（4）高功率二极管泵浦固体激光器。
2.气体激光器
气体激光器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，常见的有二氧化碳激光器、He-Ne激光器、氮气分子激光器等。
在研究领域里：
2011年，俄罗斯科学家RAZHEV A.M. 和CHURKIN D.S研究了一种新的放电方法:脉冲圆筒型电感放电。该放电方法基于不同原子和分子的粒子数反转机理，研制了用于气体中的脉冲诱导圆筒放电(脉冲感应耦合等离子体)激励系统, 并对其进行了实验研究。首次实现了基于原子和分子不同激发模式的4 种脉冲诱导激光器, 其激励特性是光束发散角小,不同脉冲间的非稳定性在1%以内。首先研制出了基于F原子电子激发模式的红光激光器, 这一激光器使用脉冲感应圆筒放电;通过在2.66～46.55kPa气压下激励He-F2(NF3,SF6)混合气获得了在624～755nm 波段的8种波长的输出;FI激光器的脉冲能量为2.6mJ,脉冲持续时间为80ns,光束发散角为
0.4mrad。同时研制出了基于基态CO2分子传能的10.6μm 远红外激光器,该感应激光器在脉冲持续时间(FWHM)为160s时,获得的最大能量为152mJ。另外,研制出了近远红外区的基于氢气分子中电子传能的脉冲感应放电氢气激光器, 激射谱线为0.835,0.89,1.116和1.122μm ,脉冲持续时间为20ns时获得的脉冲峰值功率为11kW。最后成功研制了波长为337.1nm和357.7nm的基于束缚电子激发过程C3Πu→ B3Πg 的脉冲感应紫外氮气激光器,在低压为133Pa的感应氮气激光器中获得的最大能量输出为4.5mJ,峰值功率为300kW,脉冲持续时间为(15±1)ns,测得的感应氮气激光器的光束发散角为0.3mrad。
图2 能级跃迁图
而现今已投入生产使用的产品举例：
3.染料激光器
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”。
激光染料就是指在激光光源(即抽运源)的作用下，能产生出新的可调谐波长激光的染料，是染料激光器的工作介质。染料是一种碳氢化合物。染料分子中参与光的吸收或激光辐射的电子处于分子的共轭双键中，其结构如下图所示。由于染料是一种有机化合物，分子系统复杂，通常是由数十个原子所组成，因此很难把染料发出的荧光归结为哪一对原子所发射，要精确计算能级非常困难，目前采用了一种模仿简单的双原子分子模型得出的能级图 (亦即近似图)，如下图。根据电子自旋状态的不同，染料分子的电子态可以分成单态和三重态两种，分别用S 和T表示，T1、T2为三重态，S0、S1、S2为单态；其中除S0为基态外，其余均为激发态。辐射跃迁主要发生在单态之间或者三重态之间，而单态和三重态之间的跃迁是禁戒的。染料分子的能级系统属于四能级系统，S1态的最低能级为激光跃迁的上能级，染料分子几乎都集中在这上面，而作为激光跃迁的下能级S0态则有很多能级，而上面的粒子数几乎都是空的，因此很容易实现粒子数反转，所以染料激光器的振荡阈值比较低。
图3 染料分子能级图
目前已获得运转的激光染料达500余种，但是在闪光灯抽运作用下能够获得有效的激光行为的只有以下几类：咕吨类染料、香豆素类染料、恶嗪染料、花菁类染料、闪烁体染料。
表2 激光染料之间的对比
其中的一个典型结构如下图所示，采用的是氮分子激光横向抽运的脉冲液体染料激光器的机构图。氮分子激光器输出波长：3371埃；输出能量：2mJ/puls；脉冲宽度：4ns，重复频率：1-30次/s；发散角：72.7mrad，染料溶液置于染料池中，M1与李特洛光栅构成谐振腔。M2做90°转向，再经柱面镜聚焦至染料池中横向抽运染料，其中采用李特洛光栅调协。
图4 氮分子激光横向抽运的脉冲染料激光器
1－N
2激光器，2－反射镜M
2
，3－柱面镜4－染料池，5－宽带介质膜反射镜M
1
，6－扩束镜，7－李
特洛光栅，8－光栅台，9－鼓轮。
4.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。
在研究领域，以半导体锁模激光器为例：
随着近些年来对半导体锁模激光器以及光放大器的脉冲激光动态过程的深入研究，出光功率和脉冲能量迅速增长，例如在400nm波段已达到300W的峰值功率，因此半导体锁模激光器正在逐渐取代前述的固体脉冲激光光源，成为小型化、效率高、可携带和节能环保的新型脉冲光源。典型的两段式单片半导体锁模激光器由增益区和可饱和吸收区两部分构成，两段中间的部分是电隔离槽，然而光波导在两段中间是连续的。在工作时，增益区加正向电流形成增益，而吸收区加反向偏压来控制可饱和吸收恢复时间，从而获得较窄的脉冲输出。产生超短脉冲的一种简单有效的方法是被动锁模。这种模式锁定方法的基本原理是利用放在激光谐振腔内的。下表所列是750-900nm波段的半导体锁模激光器的性能对比。
表3 750-900nm波段半导体锁模激光器性能对比
表4 Volunteer系列特性表
表5 常见激光器归纳总结
表6 常见激光光源种类波长归纳总结
最新型激光器的介绍
光纤激光器
1.基本工作原理
光纤激光器典型基本结构如下图所示，主要由三部分组成:产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激发增益介质的泵浦源。其中,增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。当泵浦光从反射镜1(或光栅1)入射到掺杂光纤芯中时,会被所掺杂的稀土离子吸收。吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁,实现粒子数反转，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态,并释放出能量,从反射镜2(或光栅2)输出。
图5 典型光纤激光器的基本结构
2. 光纤激光器优点：
(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好
(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输系统
(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好 (4)体积小,携带方便
(5)光纤激光器可以作为光孤子源,实现光孤子通信。
3. 光纤激光器国内外研究现状
2005年R. Selvas 等人通过改变多模光纤之后反射镜的位置制备出了输出功率为500mW 输出波长在1088-1097nm 波段的具有8nm 调谐范围激光器，并且功率转换效率可达26%，激光器结构如下图所示。
2010年J.E.Antonio-Lopez 等人提出并设计了基于多模干涉的新型可调谐激光器，通过改变折射率匹配液的容量从而改变整个MMF 的长度，继而实现了从1535nm-1565nm 的30nm 波长可调谐范围，覆盖了全C 波段，而且3dB 带宽仅为0.4nm 。
图7 基于多模干涉可调谐激光器结构示意图
2013年潘玉寨等人利用SMF-MMF-Flat mirror 制作了多模干涉光纤反射器结构，并结合三米长的大模场面积掺镱双包层单模光纤，组合成了一个线形腔结构如下图所示。通过移动平面反射镜的位置，实验上实现了1038.82-1071.06nm 的不同激光波长输出，可调谐范围宽达32nm 。
图6 可调谐光纤激光器结构示意图
Laser output
Pigtailed output from laser diode pump
Dicroic mirror HT 915nm HR>1060nm
Double-clad Ytterbium-doped
fiber
Single-mode
fiber
Mirror
Multimode fiber
除上述光纤激光器之外，在此技术上进而发展的太赫兹量子级联激光器、量子点激光器、纳导星激光器等方面的研究也有了很好的进展。
参考文献：
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图8 可调谐双包层光纤激光器结构示意图
Pump source at 974 nm
Double lens coupling
LMA double-cladding fiber
Pigtailed fiber
Dielectric mirror
Flat mirror
Moving stage