6 種最常見的激光發(fā)生器類型
激光技術(shù)已經(jīng)從方方面面進(jìn)入人們的生活，但是激光發(fā)生器的種類繁多，每種的波長不同，特性也不同，因此應(yīng)用的領(lǐng)域也各有不同。相信大多數(shù)人面對紛繁復(fù)雜的激光發(fā)生器類型都會感到有些頭疼。因此本文就各類激光發(fā)生器的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行一一歸納和講解。
根據(jù)工作介質(zhì)不同，激光發(fā)生器分為固體、氣體、染料、二極管、光纖、自由電子激光發(fā)生器六種類型，其中又有固體、氣體激光器的細(xì)分，除自由電子激光器外，各類激光器的基本工作原理相同，均由泵浦源、光學(xué)諧振腔和增益介質(zhì)組成。
固體激光發(fā)生器
在固體激光發(fā)生器中，一般采用光作為泵浦源，能產(chǎn)生光的晶體或玻璃稱為工作材料。工作材料由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)材料為激活離子提供適宜的生存和工作環(huán)境，激活離子完成激光的產(chǎn)生過程。常用的激活離子主要有過渡金屬離子，如鉻、鈷、鎳等離子和稀土金屬離子，如釹離子。鍍有介質(zhì)膜的反射鏡作為諧振腔鏡，其中一種為全鏡，另一種為半鏡。當(dāng)采用不同的激活離子、不同的基質(zhì)材料和不同波長的光激發(fā)時，就會發(fā)射出各種不同波長的激光。
紅寶石激光發(fā)生器輸出的激光波長為694.3nm，光電轉(zhuǎn)換率較低，僅為0.1%。但它的熒光壽命長，有利于儲能，能輸出較高的脈沖峰值功率。筆芯粗細(xì)、手指長的紅寶石棒產(chǎn)生的激光，可以輕易穿透鐵皮。在更高效的YAG激光系統(tǒng)出現(xiàn)之前，紅寶石激光系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于 激光切割 以及鉆孔。另外，694nm的光容易被黑色素吸收，因此紅寶石激光也用于色素性病變（皮膚斑點(diǎn)）的治療。
由于鈦寶石激光發(fā)生器的晶體特性，其可調(diào)諧范圍（也就是可調(diào)諧波長范圍）很寬，可以根據(jù)需要輸出波長為 660nm-1200nm 的光。再加上倍頻技術(shù)的成熟（可以將光的頻率提高一倍，也就是波長減半），波長范圍可以擴(kuò)展到 330nm-600nm。鈦寶石激光系統(tǒng)在飛秒光譜、非線性光學(xué)研究、白光產(chǎn)生、太赫茲波產(chǎn)生等方面都有應(yīng)用，在醫(yī)療美容方面也有應(yīng)用。
YAG是釔鋁石榴石的簡稱，是目前最優(yōu)良的激光晶體基質(zhì)，摻入釹（Nd）后可輸出1064nm光，最大連續(xù)輸出功率可達(dá)1000w。早期采用惰性氣體閃光燈作為泵浦源，但閃光燈泵浦方式光譜范圍寬，與增益介質(zhì)吸收光譜重合度差，熱負(fù)荷大，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換率低。所以現(xiàn)在采用LD（激光二極管）泵浦，可達(dá)到高效率、高功率、長壽命。Nd：YAG激光發(fā)生器可用于治療血管瘤，抑制腫瘤生長。但對組織的熱損傷是非選擇性的，在凝固腫瘤血管的同時，多余的能量也會損傷周圍的正常組織，手術(shù)后容易留下疤痕。因此Nd：YAG激光在外科、婦科、耳鼻喉科應(yīng)用較多，在皮膚科應(yīng)用較少。
Yb：YAG，將鐿（Yb）摻雜到Y(jié)AG中，可以輸出1030nm的光。Yb：YAG的泵浦波長為941nm，非常接近輸出波長，可以達(dá)到91.4％的泵浦量子效率，而泵浦產(chǎn)生的熱量被抑制到10％以內(nèi)（輸入能量大部分轉(zhuǎn)換成輸出能量，小部分變成熱量，意味著轉(zhuǎn)換效率很高），是Nd：YAG的25％～30％。Yb：YAG已成為最受關(guān)注的固體激光介質(zhì)之一，LD泵浦高功率Yb：YAG固體激光發(fā)生器已成為新的研究熱點(diǎn)，并被視為發(fā)展高效、高功率固體激光發(fā)生器的主要方向之一。
YAG除上述兩種外，還可摻雜鈥（Ho）、鉺（Er）等。Ho:YAG產(chǎn)生的是人眼安全的2097nm和2091nm激光，主要用于光通訊、雷達(dá)和醫(yī)療等應(yīng)用。Er:YAG輸出2.9μm的光，人體對此波長的吸收率較高，在激光手術(shù)和血管手術(shù)方面有很大的應(yīng)用潛力。
氣體激光發(fā)生器
氣體激光發(fā)生器是使用氣體作為增益介質(zhì)的激光系統(tǒng)，一般泵浦氣體放電。氣體種類包括原子氣體（氦氖、稀有氣體離子和金屬蒸氣）、分子氣體（氮?dú)夂投趸迹?、?zhǔn)分子氣體，并通過化學(xué)反應(yīng)提供。
氦氖激光發(fā)生器（HeNe）采用75%以上He和15%以下Ne的混合氣體作為增益介質(zhì)，根據(jù)工作環(huán)境不同，可發(fā)射綠光（543.5nm）、黃光（594.1nm）、橙光（612.0nm）、紅光（632.8nm）及近紅外光（1152nm、1523nm、3391nm）三種光，其中以紅光（632.8nm）最為常用。氦氖激光發(fā)生器輸出的光束呈高斯分布，光束質(zhì)量非常穩(wěn)定，雖然功率不高，但在精密測量領(lǐng)域有很好的表現(xiàn)。
常見的稀有氣體激光發(fā)生器有氬離子（Ar+）和氪離子（Kr+）。其能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)0.6%，可長期連續(xù)穩(wěn)定輸出30-50w的功率，壽命超過1000h。主要用于激光顯示、拉曼光譜、全息、非線性光學(xué)等研究領(lǐng)域，以及醫(yī)學(xué)診斷、印刷分色、計(jì)量材料加工和信息處理等。
金屬蒸氣激光發(fā)生器以銅蒸氣為例，銅蒸氣激光發(fā)生器主要輸出綠光（510.5nm）和黃光（578.2nm），平均功率可達(dá)100w，峰值功率可達(dá)100kw，其主要應(yīng)用領(lǐng)域是染料激光發(fā)生器的泵浦源，此外還可用于高速閃光攝影、大屏幕投影電視、材料加工等。
氮分子激光發(fā)生器采用氮?dú)庾鳛樵鲆娼橘|(zhì)，可發(fā)射337.1nm、357.7nm、315.9nm的紫外光，峰值功率可達(dá)45kw?？勺鳛橛袡C(jī)染料激光發(fā)生器的泵浦光源，在同位素的激光分離、熒光診斷、超高速攝影、污染檢測、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)育種等方面也有廣泛的應(yīng)用。由于其波長短，更容易聚焦得到微小的光斑，還可以用來加工亞微米級的元件。
使用的增益介質(zhì) CO2 激光發(fā)生器為二氧化碳與氦、氮混合氣體，可輸出以9.6μm、10.6μm波長為中心的遠(yuǎn)紅外光，該發(fā)生器能量轉(zhuǎn)換率高，輸出功率可從幾瓦到幾萬瓦，極高的光束質(zhì)量使得 CO2 激光發(fā)生器廣泛應(yīng)用于材料加工、科學(xué)研究、國防和醫(yī)學(xué)。您將會遇到不同的 CO2 激光切割機(jī) 和 激光雕刻機(jī) 用于在日常生活和商業(yè)中雕刻和切割木材、中密度纖維板、膠合板、織物、皮革、玻璃、塑料和丙烯酸。
準(zhǔn)分子是不穩(wěn)定的分子，在諧振腔內(nèi)充滿不同稀有氣體和鹵素氣體的混合物，可產(chǎn)生不同波長的激光。激發(fā)通常用相對論電子束（能量大于200keV）或橫向快速脈沖放電實(shí)現(xiàn)。當(dāng)激發(fā)態(tài)準(zhǔn)分子不穩(wěn)定分子鍵斷裂，解離為基態(tài)原子時，激發(fā)態(tài)的能量以激光輻射的形式釋放出來。在醫(yī)療、光通訊、半導(dǎo)體顯示、遙感、激光武器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
化學(xué)激光發(fā)生器是利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的一類特殊氣體激光系統(tǒng)。它們大多工作在分子躍遷模式，典型的波長范圍在近紅外至中紅外光譜區(qū)。其中最重要的是氫氟酸（HF）和氘氟化物（DF）裝置。前者可輸出15至2.6微米之間3.3條以上的譜線；后者在25至3.5微米之間約有4.2條譜線。這兩種裝置目前都能夠達(dá)到數(shù)兆瓦的輸出。由于其能量巨大，一般用于核工程和軍事領(lǐng)域。
染料激光發(fā)生器
染料激光發(fā)生器使用有機(jī)染料作為激光介質(zhì)，通常是液體溶液。染料激光發(fā)生器通常可以使用比氣態(tài)和固態(tài)激光介質(zhì)更寬的波長范圍。它們的寬帶寬使其特別適合可調(diào)諧和脈沖激光發(fā)生器。然而，由于其介質(zhì)壽命短、輸出功率有限，它基本上被鈦藍(lán)寶石等波長可調(diào)的固態(tài)激光器所取代。
二極管激光發(fā)生器
半導(dǎo)體激光發(fā)生器是利用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光系統(tǒng)。激發(fā)方式有電注入、電子束激發(fā)和光泵浦三種。體積小、價(jià)格低、效率高、壽命長、功耗低，可用于電子信息、激光打印、激光筆、光通訊、激光電視、小型激光投影機(jī)、電子信息、集成光學(xué)等領(lǐng)域。
光纖激光發(fā)生器
光纖激光發(fā)生器是指使用稀土元素?fù)诫s的玻璃光纖作為增益介質(zhì)的一類激光系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬的印刷、打標(biāo)、雕刻、鉆孔、切割、清洗、焊接（釬焊、水淬、熔覆和深焊）、軍事、國防和安全、醫(yī)療設(shè)備、大型基礎(chǔ)設(shè)施以及作為其他激光源的泵浦。您將會遇到 光纖激光雕刻機(jī) 個性化的文字和圖案， 光纖激光切割機(jī) 對于金屬制造， 光纖激光清洗機(jī) 用于除銹、脫漆和去除涂層， 光纖激光焊接機(jī) 適用于您生活中的金屬接頭。
自由電子激光發(fā)生器
自由電子激光發(fā)生器是一種不同于傳統(tǒng)激光發(fā)生器的新型高功率相干輻射源，它不需要?dú)怏w、液體或固體作為工作物質(zhì)，而是直接將高能電子束的動能轉(zhuǎn)換成相干輻射能。因此也可以認(rèn)為自由電子激光發(fā)生器的工作物質(zhì)就是自由電子。它具有高功率、高效率、寬范圍的波長調(diào)諧和超短脈沖的時間結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)異特性，除它以外，還沒有一種激光發(fā)生器能同時具備這些特點(diǎn)，在物理研究、激光武器、激光聚變、光化學(xué)、光通訊等領(lǐng)域有著相當(dāng)可觀的應(yīng)用前景。
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