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詳談激光發生器的種類與用途

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

激光器分類可以有兩種方法對激光器進行分類。一種是從激活媒質的物質狀態麵分類。這樣可分為氣體、液體、固體和半導體激光器。各類激光器各有特色。氣體激光器的單色性強,如氦—氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍,而且氣體激光器工作物質種類繁多,因此可產生許多不同頻率的激光。但是,由於氣體密度低,激光輸出功率相應較小;固體激光器則正好相反,能量高,輸出功率大,但工作物質種類較少,而且單色性差;液體激光器的最大特點是激光的波長可以在一定範圍內連續變換。這種激光器特別適合於對激光波長有著嚴格要求的場合;半導體激光器的特點則是體積小,重量輕,結構簡單,但輸出的功率較小,單色性也較差。另一種分類方式是按激活媒質的粒子結構來分類,可以分為原子、離子、分子和自由電子激光器。氦——氖激光器產生的激光是由氖原子發射的,紅寶石激光器產生的激光則是由鉻離子發射的。另外還有二氧化碳分子激光器,它的頻率可以連續變化。而且可以覆蓋很寬的頻率範圍。各種激光器中激活媒質的方法也不盡相同。一般來說可分為三種方法:使用高強度的光,從帶電源來的電子,以及較少用的第三種方法——核輻射。

光纖通信所用的激光器在光纖通信中,所用的光源有三種:半導體激光器、半導體發光二極管和非半導體激光器。在實際的光纖通信係統中,通常選用前兩種。而非半導體激光器,如氣體激光器、固體激光器等,雖然它們是最早製成的相幹光源,但由於其體積太大,不適宜與體積小的光纖配合使用,隻用於一些特殊場所。

半導體激光器半導體激光器即為激光二極管,記作LD。它是前蘇聯科學家H.Γ.巴索夫於1960年發明的。半導體激光器的結構通常由P層、N層和形成雙異質結的有源層構成。半導體激光器的發光是利用光的受激輻射原理。處於粒子數反轉分布狀態的大多數電子在受到外來入射光子激勵時,會同步發射光子,受激輻射的光子和入射光子不僅波長相同,而且相位、方向也相同。這樣由弱的入射光激勵而得到了強的發射光,起到了光放大作用。但是僅僅有光放大功能還不能形成光振蕩。正如電子電路中的振蕩器那樣,隻有放大功能不能產生電振蕩,還必須設計正反饋電路,使電路中所損失的功率由放大的功率得以補償。同樣,在激光器中也是借用電子電路的反饋概念,把放大了的光反饋一部分回來進一步放大,產生振蕩,發出激光。這種用於實現光的放大反饋的儀器稱為光學諧振腔。半導體激光器的優點:尺寸小,耦合效率高,響應速度快,波長和尺寸與光纖尺寸適配,可直接調製,相幹性好。

半導體發光二極管 半導體發光二極管和半導體激光器類似,也是一個PN結,也是利用外電源向PN結注入電子來發光的。半導體發光二極管記作LED,是由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層,以及中間的由雙異質結構成的有源層組成。有源層是發光區,其厚度為0.1~0.2μm左右。

半導體發光二極管的結構公差沒有激光器那麽嚴格,而且無諧振腔。所以,所發出的光不是激光,而是熒光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下,N區的電子將向正方向擴散,進入有源層,P區的空穴也將向負方向擴散,進入有源層。進入有源層的電子和空穴由於異質結勢壘的作用,而被封閉在有源層內,就形成了粒子數反轉分布。這些在有源層內粒子數反轉分布的電子,經躍遷與空穴複合時,將產生自發輻射光。半導體發光二極管的結構簡單,體積小,工作電流小,使用方便,成本低,所以在光電係統中的應用極為普遍。

激光器分類的方法有很多,可以按照它切割的材料來分,可以按照它的功率的大小來分,可以按照波段分。激光設備按照波段可分為可見光、紅外、紫外、X光、多波長可調諧 。目前工業用紅外及紫外激光,例如CO2激光器10.64um紅外激光, 氪燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光, 氙燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光, 半導體側麵泵浦YAG激光器1.064um紅外激光。 

激光器的種類很多,可分為固體、氣體、液體、半導體和染料等幾種類型:  

( 1 )固體激光器一般小而堅固,脈衝輻射功率較高,應用範圍較廣泛。如:Nd:YAG激光器。Nd(釹)是一種稀土族元素,YAG代表釔鋁石榴石,晶體結構與紅寶石相似。 

( 2 )半導體激光器體積小、重量輕、壽命長、結構簡單,特別適於在飛機、軍艦、車輛和宇宙飛船上使用。半導體激光器可以通過外加的電場、磁場、溫度、壓力等改變激光的波長,能將電能直接轉換為激光能,所以發展迅速。 

( 3 )氣體激光器以氣體為工作物質,單色性和相幹性較好,激光波長可達數千種,應用廣泛。氣體激光器結構簡單、造價低廉、操作方便。在工農業、醫學、精密測量、全息技術等方麵應用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學能、光能、核能等多種激勵方式。  

( 4 )以液體染料為工作物質的染料激光器於 1966 年問世,廣泛應用於各種科學研究領域。現在已發現的能產生激光的染料,大約在 500 種左右。這些染料可以溶於酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它們還可以包含在有機塑料中以固態出現,或升華為蒸汽,以氣態形式出現。所以染料激光器也稱為 “ 液體激光器 ” 。染料激光器的突出特點是波長連續可調。燃料激光器種類繁多,價格低廉,效率高,輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美,應用於分光光譜、光化學、醫療和農業。  

( 5 )紅外激光器已有多種類型,應用範圍廣泛,它是一種新型的紅外輻射源,特點是輻射強度高、單色性好、相幹性好、方向性強。

( 6 ) X 射線激光器在科研和軍事上有重要價值,應用於激光反導彈武器中具有優勢;生物學家用 X 射線激光能夠研究活組織中的分子結構或詳細了解細胞機能 ; 用 X 射線激光拍攝分子結構的照片 , 所得到的生物分子像的對比度很高。 

( 7 )化學激光器 有些化學反應產生足夠多的高能原子,就可以釋放出大能量,可用來產生激光作用。  

( 8 )自由電子激光器 這類激光器比其他類型更適於產生很大功率的輻射。它的工作機製與眾不同,它從加速器中獲得幾千萬伏高能調整電子束,經周期磁場,形成不同能態的能級,產生受激輻射。     

( 9 )準分子激光器、光纖導波激光器等。

激光器原理概述及應用

激光器是能發射激光的裝置。1954年製成了第一台微波量子放大器,獲得了高度相幹的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻範圍,並指出了產生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人製成了第一台紅寶石激光器。1961年A.賈文等人製成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創製了砷化镓半導體激光器。以後,激光器的種類就越來越多。按工作介質分,激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。近來還發展了自由電子激光器,其工作介質是在周期性磁場中運動的高速電子束,激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。按工作方式分,有連續式、脈衝式、調Q和超短脈衝式等幾類。大功率激光器通常都是脈衝式輸出。各種不同種類的激光器所發射的激光波長已達數千種,最長的波長為微波波段的0.7毫米,最短波長為遠紫外區的210埃,X射線波段的激光器也正在研究中。

除自由電子激光器外,各種激光器的基本工作原理均相同,裝置的必不可少的組成部分包括激勵(或抽運)、具有亞穩態能級的工作介質和諧振腔(見光學諧振腔)3部分。激勵是工作介質吸收外來能量後激發到激發態,為實現並維持粒子數反轉創造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩能級是使受激輻射占主導地位,從而實現光放大。諧振腔可使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向,從而使激光具有良好的定向性和相幹性。

激光工作物質 是指用來實現粒子數反轉並產生光的受激輻射放大作用的物質體係,有時也稱為激光增益媒質,它們可以是固體(晶體、玻璃)、氣體(原子氣體、離子氣體、分子氣體)、半導體和液體等媒質。對激光工作物質的主要要求,是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現較大程度的粒子數反轉,並使這種反轉在整個激光發射作用過程中盡可能有效地保持下去;為此,要求工作物質具有合適的能級結構和躍遷特性。

激勵(泵浦)係統 是指為使激光工作物質實現並維持粒子數反轉而提供能量來源的機構或裝置。根據工作物質和激光器運轉條件的不同,可以采取不同的激勵方式和激勵裝置,常見的有以下四種。①光學激勵(光泵)。是利用外界光源發出的光來輻照工作物質以實現粒子數反轉的,整個激勵裝置,通常是由氣體放電光源(如氙燈、氪燈)和聚光器組成。②氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質內發生的氣體放電過程來實現粒子數反轉的,整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學激勵。是利用在工作物質內部發生的化學反應過程來實現粒子數反轉的,通常要求有適當的化學反應物和相應的引發措施。④核能激勵。是利用小型核裂變反應所產生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質並實現粒子數反轉的。

光學共振腔通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為:①提供光學反饋能力,使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相幹的持續振蕩。②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限製,以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①,是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀(反射麵曲率半徑)和相對組合方式所決定;而作用②,則是由給定共振腔型對腔內不同行進方向和不同頻率的光,具有不同的選擇性損耗特性所決定的。

幾種常見激光器及其用途介紹如下:

Nd:YAG激光器,1064nm,固體激光器,連續激光器的最大輸出功率1000W,可用於激光切割金屬。

Ho:YAG,固體激光器,可產生對人眼安全的2097nm和2091nm激光,適用於雷達和醫學應用。

He-Ne激光器,632.8nm,氣體激光器,功率為幾mW,用於準直,定位,全息照相等。

CO2激光器,氣體激光器,輸出波長10.6um,廣泛用於激光加工,醫療,大氣通信及其他軍事應用。

N2分子激光器,氣體激光器,輸出紫外光,峰值功率可達數十兆瓦,脈寬小於10ns,重複頻率為數十至數千赫,作可調諧燃料激光器的泵浦源,也可用於熒光分析,檢測汙染等方麵。

實現激光波長調諧的原理大致有三種。大多數可調諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質。構成激光器的諧振腔隻在很窄的波長範圍內才有很低的損耗。因此,第一種是通過某些元件(如光柵)改變諧振腔低損耗區所對應的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(如磁場、溫度等)使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應實現波長的變換和調諧(見非線性光學、受激喇曼散射、光二倍頻,光參量振蕩)。屬於第一種調諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調諧高壓氣體激光器和可調諧準分子激光器。

可調諧激光器從實現技術上看主要分為:電流控製技術、溫度控製技術和機械控製技術等類型。

其中電控技術是通過改變注入電流實現波長的調諧,具有ns級調諧速度,較寬的調諧帶寬,但輸出功率較小,基於電控技術的主要有SG-DBR(采樣光柵DBR)和GCSR(輔助光柵定向耦合背向取樣反射)激光器。溫控技術是通過改變激光器有源區折射率,從而改變激光器輸出波長的。該技術簡單,但速度慢,可調帶寬窄,隻有幾個nm。基於溫控技術的主要有DFB(分布反饋)和DBR(分布布喇格反射)激光器。機械控製主要是基於MEMS(微機電係統)技術完成波長的選擇,具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率。基於機械控製技術的主要有DFB(分布反饋)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔表麵發射激光器)等結構。下麵從這幾個方麵可調諧激光器的原理進行說明。

基於電流控製技術

基於電流控製技術的一般原理是通過改變可調諧激光器內不同位置的光纖光柵和相位控製部分的電流,從而使光纖光柵的相對折射率會發生變化,產生不同的光譜,通過不同區域光纖光柵產生的不同光譜的疊加進行特定波長的選擇,從而產生需要的特定波長的激光。

一種基於電流控製技術的可調諧激光器采用SGDBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)結構。

該類型的激光器主要分為半導體放大區、前布喇格光柵區、激活區、相位調整區和後布拉格光柵區。其中前布喇格光柵區、相位調整區和後布喇格光柵區分別通過不同的電流來改變該區域的分子分布結構,從而改變布喇格光柵的周期特性。

對於在激活區(Active)產生的光譜,分別在前布喇格光柵區和後布喇格光柵區形成頻率分布有較小差異的光譜。對於需要的特定波長的激光,可調諧激光器分別對前布喇格光柵和後布喇格光柵施加不同電流,使得在這兩個區域產生隻有此特定波長重疊其他波長不重疊的光譜,從而使需要的特定波長能夠輸出。同時該種激光器還包含半導體放大器區,使輸出的特定波長的激光光功率達到100mW或者20mW。

基於機械控製技術

基於機械控製技術一般采用MEMS來實現。一種基於機械控製技術的可調諧激光器采用MEMs-DFB結構。

可調諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和其他控製與輔助部分。

對於DFB激光器陣列區存在若幹個DFB激光器陣列,每個陣列可以產生帶寬約為1.0nm內的間隔為25Ghz的特定波長。通過控製MEMs鏡片旋轉角度來對需要的特定波長進行選擇,從而輸出需要的特定波長的光。

另一種基於VCSEL結構ML係列係列的可調諧激光器,其設計基於光泵浦垂直腔麵發射激光器,采用半對稱腔技術,利用MEMS實現連續的波長調諧。同時通過此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調諧範圍,熱敏電阻和TEC封裝在一起,以便在寬的溫度範圍內具有穩定的輸出。為了精確頻率控製一個寬帶波長控製器被集成同一管殼內,前端分接光功率檢測器及光隔離器用於提供穩定的輸出功率。這種可調激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。

對於這種原理的可調諧激光器主要缺點是調諧時間比較慢,一般需要幾秒的調諧穩定時間。

基於溫度控製技術

基於溫度控製技術主要應用在DFB結構中,其原理在於調整激光腔內溫度,從而可以使之發射不同的波長。

一種基於該原理技術的可調激光器的波長調節是依靠控製InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的變化實現的。模塊內置有FP標準具和光功率檢測,連續光輸出的激光可被鎖定在ITU規定的50GHz間隔的柵格上。模塊內有兩個獨立的TEC,一個用來控製激光器的波長,另一個用來保證模塊內的波長鎖定器和功率檢測探測器恒溫工作。模塊還內置有SOA來放大輸出光功率。

這種控製技術的缺點是單個模塊的調諧的寬度不寬,一般隻有幾個nm,而且調諧時間比較長,一般需要幾秒的調諧穩定時間。

目前可調諧激光器基本上均采用電流控製技術、溫度控製技術或機械控製技術,有的供應商可能會采用這些技術的一種或兩種。當然隨著技術的發展,也可能會出現其他新的可調諧激光器控製技術。

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