光纤激光器原理及其应用
耿文学，耿京
(北京交通大学，北京100081)
1光纤激光器的出现与工作原理
1870年代人们通过观察酒桶中流出的酒水能
把灯光弯弯曲曲地传输，悟出了光线能在芯部折算
率高外层折算率低的透明介质中弯曲传输的道理，用石英或玻璃做出了光导纤维，用于胃镜等。但长 距离的应用受到了透明度的限制。1966年33岁的 中国电气工程师高锟(1933-)提出了减少材料中的 杂质就能提高透明度，看似雕虫小技，但使光纤应 用迅速开展。高锟获得2009年诺贝尔奖。
上世纪五十年代就有不只一个国家的科学家 提出了激光器的预言，1960年6月美国休斯公司 33 岁的梅曼 T.H.maiman(1927-2007)做出了第一台 激光器。输出的光，像整齐排列的队伍（普通光是自 激辐射，激光是受激辐射）单色性纯、亮度高、方向 准。受到重视，1980年5月第一次国际激光大会在 北京召开。邓小平接见了与会人员。1961年美国光 学公司的E.Snitzer就提出了光纤激光器的设想，近年来光纤激光器面市了，它阈值低、增益高、散热 好，受到欢迎。目前输出功率从10W到100kW以上。作为工业应用，现已成为输出功率最高的激光 器。应用领域正在迅速扩大。
传统的固体激光器一样。光纤激光器也是由泵 浦源、增益介质、谐振腔三个基本部分组成。泵浦源 一般采用高功率发光二极管，增益介质是搀有钕 (Nd)等稀土元素的光纤，光纤两端的反射镜就做成 了谐振腔。
双色镜聚焦准直
图1光纤激光器的基本结构示意图
2 光纤激光器的应用
2.1光纤激光器在工业方面的应用
光纤激光器其结构紧凑、光转换效率高、预热 时间短、受环境影响小、容易维护，组合方便。可用 于激光打标、激光焊接、激光切割等。由于光纤激 光器具有较高的光束质量和定位精度，在打标系统 中正取代效率不高的二氧化碳激光器和氙灯泵浦 的Nd:YAG激光器。仅在日本，每月的需求量就超 过百台。我国对光纤激光打标机的需求每年超过上 千台。大功率光纤激光器可应用于激光焊接和切 割。如德国宝马汽车公司已用于车门焊接生产线 上。
2.2光纤激光器在传感器方面的应用
光纤激光器用作传感器光源，效率高，可控制、稳定性好，紧凑小巧、重量轻，维护方便和光束质量 好。与现有的光纤器件容易耦合。现在超导磁悬浮 技术中的温度.位置.速度检测都可以应用光纤激光 器。1933年德国物理学家迈斯纳发现物体冷却进
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光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉
冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为10，后者为1，那么，1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而1 秒钟发出1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)，T = 0.1 秒，那么，平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t 激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外
激光器激励原理 —固体激光器 1311310黄汉青 1311343张旭日辅导老师：
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 1引用 世界上第一台激光器—红宝石激光器（固体激光器）于1960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。 固体激光器从其诞生开始至今，一直是备受关注。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。 未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展： a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量 现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 2激光与激光器
2.1激光 2.1.1激光（LASER） 激光的英文名——LASER，是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写[1]。2.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件[2]： 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，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 3固体激光器 3.1工作原理和基本结构 在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。 如图1所示,固体激光器的基本结构（有部分结构没有画出）。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：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：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）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。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)
摘要：本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器；基本原理；基本结构；应用； Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可
编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application
Rdie aarlh doped siide-rrirMte core single-mode signal Multi-mode pumplighrt 光纤激光器原理： 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器， 掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。 泵浦源由一 个或多个大功率激光二极管阵列构成， 其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介 质的掺稀土元素光纤， 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收， 形成粒子数反转，受激发射 的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好， 无需 庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。并且，光纤激光 器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、 免维护、高稳定性的优点； 超长的工作寿命和免维 护时间，平均免维护时间在 10万小时以上。 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输岀的激光是一个一个脉冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如 说10 ns （纳秒），一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用 t 表示。这种激光器可以发出一 连串脉冲，比如，1秒钟发出10个脉冲，或者有的就发出 一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复 （频）率 前 者为10,后者为1，那么，1秒钟发出10个脉冲，它的脉冲重复周期为 0.1秒，而1秒钟发出1个 脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为 E ，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如，E =50 mJ （毫焦），T = 0.1 秒，那么， 平均功率 P 平均=50 mJ/0.1 s = 500 mW 。 如果用E 除以t ，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率 （peak power ），例如，在前面的 例子中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P 峰值=50 X 10A （-3）/[10 X10A （-9）] = 5 X 10A 6 W = 5 MW （兆瓦），由于脉冲宽度 t 很小，它的峰值功率 很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间 T=1s/2k= ?秒 平均功率 P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P 峰值功率 =E/t
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能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可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
光纤激光器原理与特性详解 一、简介 光纤激光器，英文名称为Fiber Laser，是一种以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质来产生激光输出的装置。光纤激光器可在光纤放大器的基础上进行开发，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，因此在泵浦光作用下，光纤内部功率密度高，使得激光能级出现“粒子数反转”现象，在此基础上，再通过正反馈回路构成谐振腔，便可在输出处形成激光振荡。
二、结构 光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构成，如下图所示。其中，泵浦源一般为高功率的半导体激光器，增益介质为掺稀土元素的玻璃光纤，谐振腔由耦合器或光纤光栅等构成。 三、原理 在上图中，由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经
过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。 四、特点 特点一：由于光纤纤芯直径小，在纤芯内容易形成高功率密度，因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽、且可方便高效的实现与当前光纤通信系统的连接。 特点二：由于光纤具有很好的柔绕性，因此光纤激光器具有小巧灵活、结构紧凑、性价比较高、且更易于系统的集成的特点。 特点三：与传统的固体激光器、气体激光器相比，光纤激光器的能量转换效率较高、结构较紧凑、可靠性高、且适合大批量的生产。 特点四：与半导体激光器相比，光纤激光器的单色性较好、调制时可产生较小的啁啾和畸变、且与光纤的耦合损耗较小。
和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。 对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点： (1)阈值应越低越好; (2)输出功率与抽运光功率的线性要好; (3)输出偏振态; (4)模式结构; (5)能量转换效率;
激光器的原理及分类 一、基础原理 量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很
长，就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子，在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转 通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。 三、光放大过程
CO2激光器原理及其应用 课程激光原理与技术 班级光信息121801班 学号 0126 姓名曾庆苏 指导教师杨旭东 完成日期
目录 前言 (1) 激光器简介 (1) 一、CO 2 激光器分类 (2) 二、CO 2 三、CO 激光器输出特性及其缺点 (3) 2 激光器结构 (3) 四、CO 2 激光管 (4) 光学谐振腔 (4) 电源及泵浦 (4) 激光器原理 (5) 五、CO 2 CO 分子的的能级结构 (5) 2 分子的振转跃迁 (5) CO 2 CO 激光器激光上能级的激发过程 (6) 2 激光器激光下能级的弛豫 (7) CO 2 CO 激光器激光产生 (7) 2 激光器的应用 (8) 六、CO 2 工业应用 (8) 医疗应用 (8) 军事应用 (9) 环境应用 (9) 激光器发展特点 (10) 七、CO 2 发展历史 (10) 发展现状 (10) 发展前景 (11)
八、结束语 (11)
前言： 二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为μm。因为这是一种非常有效率的 激光，作为商业模型来说其转换效率达到10%，所以二氧化碳激光广泛用于激光切割，焊接，钻孔和表面处理。作为商业应用激光可达45千瓦，这是目前最强的物质处理激光。二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光，它发展较早，商业产品较为成熟，被广泛应用到材料加工、医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域，是用最广泛的激光器之一。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。 论文首先介绍了应用型CO 2 激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用 型CO 2 激光器在军事、医疗、工业和环境四个主要领域的应用，最后介绍应用型 CO 2激光器的发展历史、现状、以及前景。通过这些介绍使得大家能够加深对CO 2 激光器的了解和认识。 一、CO2激光器简介 1964年，Patel等人首先发现了用CO 2 气体观察到大约微米的连续波激光作 用，（其中还有微米）经过多年对CO 2 气体激光的研究，今天它已经成为产品，广泛用于各种领域。 CO 2 激光器是分子气体激光器，分子气体由碳和氧组成(最常用)，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种激光器，实现高效率与高功率 输出。CO 2分子气体激光器中主要物质为CO 2 ，辅助气体有氮气，氦气等。它的 光电转换效率(输出激光功率与输出电功率之比)较高，一般为15%左右，输出功 率从瓦级直到万瓦级。由于CO 2 结构类型差异很大，它应用于不同的领域，其中 应用最为广泛的当属激光医学，CO 2 激光器输出波长为，是不可见的红外光，它极易被人体组织200pm内的表层所吸收，稳定性较好，是医学上应用最为广泛的一种气体激光
激光器件与技术期中论文 光纤激光器浅谈浅谈光纤激光器以及我国光纤激光器研究现状
摘要： 光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。 关键词：光纤激光器应用扩展发展前景 abstract: Fiber laser as a light source in the field of optical communication has been widely used, and as the dual-protection layer of high-power fiber lasers appear, its application is toward to the laser processing, laser ranging, laser radar, laser art of imaging, security and bio-medical laser rapid expansion of a wider area. The following article outlines the principles of fiber lasers, characteristics, applications and prospects for development. Keywords: fiber laser applications development prospects.
摘要: 本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。 关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源工作物质光纤通信WDM 激光技术; 半导体激光 一、半导体激光器 1.什么叫激光 激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation. 就是通过受激 发射实现光放大。 光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放 大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、 准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。 激光器有很多种类型，但他的必要组成部 分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。 2、半导体激光器的工作原理 2.1基本条件： （1）有源区载流子反转分布 （2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡 （3）满足阈值条件，使增益>损耗，有足够的注入电流。 2.2工作原理 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既 利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两 个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、 产生光的辐射放大，输出激光。 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。 理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导 体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德—— 杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电 子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振 荡并得到放大，最后产生相干激光输出。 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激 光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激 光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即 粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分
激光器原理及其应用 应用化学0402班宋彬 0120414450201 摘要由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。关键词激光器激光工作物质激励(泵浦系统光学共振腔分类及应用 正文： 激光器 laser 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，并指出了产生激光的方法。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镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X 射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q 和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X 射线波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。
蓝光光纤激光器的原理及发展 一、前言 蓝光波段激光在高密度数据存储、海底通信、大屏幕显示(需要蓝绿光构造全色显示、检测、生命科学、激光医疗等领域有着广泛的应用价值。目前商业化的固体激光器激光波长主要在近红外和红外波段。在固体激光器中欲获得蓝色激光输出,主要有以下三种方法: (1利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器; (2利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频; (3利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。对于可 见波段的半导体激光二极管(LD,蓝光LD的研制需要昂贵的设备和衬底材料,同时LD的光束质量不尽人意,在许多应用领域受到了限制。由LD泵浦的倍频固体激光器,需要非线性晶体材料进行频率转换,虽然光束质量很好,输出功率也很高,但系统较复杂。 近年来,人们利用发光学中的频率上转换机制,大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料,所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。另外,与稀土掺杂的玻璃和晶体相比,光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。近两年来,国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃,并且其商业化进程也相当迅速。 二、工作原理 蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机理,即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀土离子的样品时,发射出波长小于激发光波长的光。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。蓝光上转换光纤的输出波长一般在450~490nm之间,目前能获得蓝光输出稀土离子主要有 Tm3+,Pr3+两种,但大多数情况下,为了提高泵浦吸收效率和上转换发光效率,往往采
光纤激光器原理： 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。并且，光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点；超长的工作寿命和免维护时间，平均免维护时间在10万小时以上。 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为10，后者为1，那么，1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而 1 秒钟发出 1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如，E = 50 mJ(毫焦)，T = 0.1 秒，那么， 平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t
皮秒激光器的原理及应用 * 激光技术对国民经济及社会发展的重要作用：激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备等领域都起到重要作用。激光产业在我国发展了五十多年，已经与多个学科形成了不同类型技术应用，比如光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。 激光器及其配件在激光产业的整个产业链中占有非常重要的地位，属于技术和专业性都很强的产业。 激光通信、激光存储和激光显示主要应用在信息领域。激光加工（包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用广泛。 超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工厂的地板上发现这些应用的工业副产物。在工业应用中，除去质量因素以外，可重复生产性和每个零件的成本也是很重要的标准。 激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。每个零部件的成本基本上和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。高附加值，高重复率的生产力，可靠的技术等所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。 皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在The Photonics West2005上被报道。20ps脉冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。不同的同心圆环形成一个园盘，去除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。在过去几年中，绝大多数超快激光器制造商集中精力在飞秒激光器的开发上。这些激光器需要一种复杂的CPA技术来保持峰值功率密度在某一个损伤阈值下的放大阶跃内。用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限制在几KHZ。比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是有利的。柴油机的注入喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要进一步的清洁处理。 LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器STACCATO。因为它的脉冲时间在皮秒范围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。激光工作物质Nd：YVO4允许用激光二极管直接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频率。STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚焦。 * 与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。在紫外光谱区域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。从STACCATO发出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激光波长532nm，355nm和266nm。当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲打到材料上时冷切除被触发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。因此对一个好的结果而言，不但超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。据证明像开孔这样的工艺对微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当的使用辅助气体和真空喷嘴也很重要。热引起的裂纹，液化点可以通过使用适当的加工策略避免。图2左右分别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离子体的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设计得理想。
激光器 一、固体激光器。 1.Nd：YAG 图1 固体激光器Nd：YAG 的组成图 图2固体激光器Nd：YAG 的工作原理图
图3 激光腔的构造 b. Nd：YAG激光的光学特性 图4 Nd：YAG激光的光学特性 图5 Nd：YAG激光脉冲的相关参数
图6 激光聚焦的光学特性（聚焦一） 图7 激光聚焦的光学特性（聚焦二） 二、DFB(Distributed Feedback Laser):分布式反馈激光器，属于侧面发射的激光器。 其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。
优点：DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一 个纵模输出，此类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信。多用在1550nm波长上，速率为2.5G以上。 DFB芯片设计：芯片分为P极和N极，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。 DFB激光器有以下性能参数： 工作波长：激光器发出光谱的中心波长。 边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。 -20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。 阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。 三、FP激光器 FP激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。这类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信。 FP激光器有以下性能参数： 工作波长：激光器发出光谱的中心波长。 光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽。 阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。 光接入网络是由OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）和ONU（Optical Network Unit , 光网络单元）以及ODN（Optical Distribution Network , 光分配网络）三部分组成；其中OLT和ONU是光接入网络的核心部件。PON（Passive Optical Network , 无源光网络）