激光發生器的種類及應用

激光分類 激光可按兩種方式分類。一種是從活化介質的物質狀態來分類。這可分為氣體、液體、固體和半導體激光器。各種類型的激光器都有自己的特點。氣體激光器的單色性很強。例如,氦氖激光器的單色性比普通光源高1億倍,而氣體激光器的工作物質種類繁多,因此可以產生多種不同頻率的激光。但由於氣體密度低,激光器的輸出功率也相應較小;固體激光器能量高,輸出功率高,但工作物質種類少,單色性差;液體激光器最大的特點是激光的波長可以在一定範圍內連續變換。這種激光器特別適用於對激光波長要求嚴格的場合;半導體激光器具有體積小、重量輕、結構簡單的特點,但輸出功率小,單色性差。另一種分類方法是按活性介質的粒子結構分類,可分為原子、離子、分子和自由電子激光器。氦氖激光器產生由氖原子發射的激光,紅寶石激光器產生由鉻離子發射的激光。還有二氧化碳分子激光器,其頻率可以連續變化。並且可以覆蓋很寬的頻率範圍。各種激光器激活介質的方法也不同。通常有三種方法:使用高強度光、來自帶電電源的電子,以及第三種不太常用的方法,即核輻射。

光纖通信中使用的激光器 在光纖通信中,光源主要分為三種:半導體激光器、半導體發光二極管和非半導體激光器。在實際的光纖通信系統中,通常選用前兩種。代替半導體激光器,如氣體激光器、固體激光器等,雖然是最早的相干光源,但由於體積較大,不適合與細小光纖一起使用,僅在一些特殊場合使用地方。

半導體激光器 半導體激光器是激光二極管,表示為 LD。它是由前蘇聯科學家H.Γ發明的。Basov 在 1960 年。半導體激光器的結構通常由 P 層、N 層和形成雙異質結的活性層組成。半導體激光器的發光是基於光的受激發射原理。大多數處於布居反轉分佈狀態的電子在受到外界入射光子激發時會同步發射光子。受激輻射光子和入射光子不僅波長相同,而且相位和方向也相同。這樣,弱入射光激發得到強發射光,起到了光放大的作用。但是光放大作用本身並不能形成光振盪。就像電子電路中的振盪器一樣,只有放大作用不能產生電振盪,必須設計一個正反饋電路,使電路中損失的功率可以通過放大後的功率來補償。同樣,在激光器中,也藉用了電子線路的反饋概念,將放大後的光的一部分反饋回去,進一步放大,產生振盪,發射激光。這種用於實現光的放大反饋的儀器稱為光學諧振器。半導體激光器的優點:體積小、耦合效率高、響應速度快、波長和尺寸與光纖尺寸相適應、直接調製、相干性好。

半導體發光二極管 與半導體激光器類似,半導體發光二極管也是PN結,也是利用外部電源向PN結注入電子來發光。半導體發光二極管簡稱LED,由P型半導體形成的P層、N型半導體形成的N層和中間的雙異質結形成的有源層組成。活性層為發光區,其厚度約為0.1~0.2μm。

半導體發光二極管的結構公差不像激光器那樣嚴格,而且沒有諧振器。所以,發出的光不是激光,而是熒光。LED 是在施加正向電壓的情況下工作的設備。在正向偏壓的作用下,N區的電子會向正方向擴散進入有源層,P區的空穴也會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被俘獲在有源層中,形成布居數反轉分佈。這些在有源層中具有粒子數反轉分佈的電子通過躍遷與空穴複合時會產生自發發射光。半導體發光二極管結構簡單、體積小、工作電流小、使用方便、成本低,因此在光電系統中得到廣泛應用。

激光器的分類方法有很多種,可按其切割的材料、按其功率、按頻段進行分類。激光設備按波段可分為可見光、紅外線、紫外線、X射線和多波長可調諧。目前工業紅外和紫外激光器,如CO2激光器10.64um紅外激光器、氪燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光器、氙燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光器、半導體側泵浦YAG激光器1.064um紅外激光器。

激光器的種類很多,可分為固體、氣體、液體、半導體和染料類型:

(1)固體激光器一般體積小、堅固,脈衝輻射功率高,應用範圍廣。如:Nd:YAG激光器。Nd(釹)是一種稀土元素,YAG代表釔鋁石榴石,其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,特別適用於飛機、軍艦、車輛和宇宙飛船。半導體激光器可以通過外界電場、磁場、溫度、壓力等改變激光的波長,可以直接將電能轉化為激光能,因此發展迅速。

(3)氣體激光器以氣體為工作物質,具有良好的單色性和相干性。激光波長可達數千種,應用廣泛。氣體激光器結構簡單、成本低、操作方便。廣泛應用於工農業、醫學、精密測量、全息技術等領域。氣體激光器有電能、熱能、化學能、光能、核能等多種激發方式。

(4)以液體染料為工作物質的染料激光器於1966年問世,廣泛應用於各個科研領域。大約有 500 種染料可以產生激光。這些染料可溶於酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它們也可以以固態形式包含在有機塑料中,或以氣態形式昇華成蒸氣。因此,染料激光器也被稱為“液體激光器”。染料激光器的突出特點是波長連續可調。有多種燃料激光器成本低、效率高,輸出功率可與氣體和固態激光器相媲美,適用於光譜學、光化學、醫療保健和農業等領域。

(5)紅外激光器種類多,應用範圍廣。是一種新型紅外輻射源,具有輻射強度高、單色性好、相干性好、方向性強等特點。

(6)X射線激光器在科學研究和軍事上具有重要價值,在激光反導武器方面具有優勢;生物學家可以使用 X 射線激光來研究活組織中的分子結構或了解更多有關細胞功能的信息;使用 X 射線激光拍攝分子結構的照片,從而產生高對比度的生物分子圖像。

(7) 化學激光器 有些化學反應產生足夠多的高能原子,釋放出很大的能量,可以用來產生激光作用。

(8) 自由電子激光器 這些類型的激光器比其他類型的激光器更適合產生非常高功率的輻射。它的工作機制不同。它從加速器獲得數千萬伏的高能調節電子束,通過週期性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。

激光原理概述及應用

激光器是發射激光的裝置。1954年製成第一台微波量子放大器,獲得高度相干的微波束。1958年,AL Xiaoluo和CH Townes將微波量子放大器的原理擴展到光頻率範圍,並指出了產生激光的方法。1960年TH Maiman等人製成第一台紅寶石激光器。1961年,A.嘉文等人製成氦氖激光器。1962年,RN Hall等人發明了砷化鎵半導體激光器。從那時起,激光器的種類越來越多。根據工作介質,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四大類。最近,還開發了自由電子激光器。工作介質是在周期性磁場中運動的高速電子束。激光波長可以覆蓋從微波到 X 射線的寬帶。按工作方式分為連續式、脈衝式、調Q式和超短脈衝式等幾種。高功率激光器通常是脈衝輸出。各種類型的激光器發出的激光波長有數千種。在微波波段最長波長為0.7毫米,在遠紫外波段最短波長為210埃。X 射線波段的激光也正在研究中。

除自由電子激光器外,各種激光器的基本工作原理是相同的,而裝置的基本組成部分包括激發(或泵浦)、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。激發是工質吸收外來能量後激發到激發態,為實現和維持布居數反轉創造條件。激發方法包括光激發、電激發、化學激發和核能激發。工作介質具有亞穩態能級,受激發射占主導地位,從而實現光放大。諧振器可以使腔內的光子具有相同的頻率、相位和運行方向,從而使激光器具有良好的方向性和相干性。

激光工作材料是指用於實現粒子數反轉並產生光的受激輻射放大的材料體系,有時也稱為激光增益介質,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。對激光工作材料的主要要求是在其工作粒子的比能級之間盡可能實現較大程度的粒子數反轉,並在整個激光發射過程中盡可能有效地保持這種反轉;為此,要求工質具有合適的能級結構和躍遷特性。

激發(泵)系統是指為實現和維持激光工作物質的粒子數反轉提供能量源的機構或裝置。根據激光器的工作材料和工作條件的不同,可以採用不同的激發方式和激發裝置,常見的有以下四種。① 光激發(光泵)。整個激發裝置通常由氣體放電光源(如氙燈、氪燈)和聚光器組成。②氣體放電激發。粒子數反轉是通過氣體工質中發生的氣體放電過程實現的。整個勵磁裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學誘因。粒子數反轉是利用工質內部發生的化學反應過程來實現的,通常需要合適的化學反應物和相應的引發措施。④核能獎勵。它利用裂變碎片、高能粒子或小型核裂變反應產生的輻射激發工作物質,實現粒子數反轉。

光學諧振腔通常由兩個具有一定幾何形狀和光學反射特性的反射鏡以特定方式組合而成。其作用是:①提供光反饋能力,使受激輻射光子在腔內來回多次,形成相干連續振盪。②限制腔內往復振盪光束的方向和頻率,以保證輸出激光具有一定的方向性和單色性。諧振腔①的作用由幾何形狀(反射面的曲率半徑)和通常構成諧振腔的兩個反射鏡的相對組合決定;不同頻率的光具有不同的選擇性損耗特性。

幾種常見的激光器及其用途介紹如下:

Nd:YAG激光器,1064nm,固態激光器,連續激光器最大輸出功率1000W,可用於激光切割金屬。

Ho:YAG,固態激光器,可為雷達和醫療應用產生人眼安全的 2097nm 和 2091nm 激光器。

He-Ne激光器,632.8nm,氣體激光器,功率數mW,用於准直、定位、全息等。

CO2激光器,氣體激光器,輸出波長10.6um,廣泛應用於激光加工、醫療、大氣通信等軍事領域。

N2分子激光器,氣體激光器,輸出紫外光,峰值功率可達幾十兆瓦,脈寬小於10ns,重複頻率幾十到千赫茲。可用作可調諧燃料激光器的泵浦源,也可用於熒光分析。、污染檢測等

實現激光波長調諧大致有3個原則。大多數可調激光器使用具有寬熒光線的工作物質。構成激光器的諧振器僅在非常窄的波長范圍內具有非常低的損耗。因此,首先是通過一些元件(如光柵)改變諧振腔低損耗區對應的波長來改變激光的波長。二是通過改變一些外參(如磁場、溫度等)來改變激光躍遷的能級。三是利用非線性效應實現波長轉換和調諧(參見非線性光學、受激拉曼散射、光倍頻和光參量振盪)。屬於第一種調諧方法的典型激光器包括染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調高壓氣體激光器和可調準分子激光器。

可調諧激光器在實現技術上主要分為:電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術。

其中,電控技術通過改變注入電流實現波長調諧。它具有ns級的調諧速度和較寬的調諧帶寬,但輸出功率較小。輔助光柵定向耦合反採樣反射)激光器。溫度控制技術通過改變激光器有源區的折射率來改變激光輸出波長。該技術簡單但速度慢,可調帶寬很窄,只有幾納米。基於溫度控制技術,主要有DFB(分佈式反饋)和DBR(分佈式布拉格反射)激光器。機械控制主要基於MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術完成波長選擇,可調帶寬大,輸出功率高。基於機械控制技術,主要有DFB(分佈式反饋)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔面發射激光器)等結構。下面分別從這幾個方面對可調諧激光器的原理進行說明。

基於電流控制技術

基於電流控制技術的一般原理是改變可調諧激光器中不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流,使光纖光柵的相對折射率發生變化,從而產生不同的光譜,即由光纖光柵的不同區域產生。不同光譜的疊加選擇特定的波長,從而產生所需的特定波長的激光。

基於電流控制技術的可調諧激光器採用SGDBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)結構。

這類激光器主要分為半導體放大區、前布拉格光柵區、有源區、相位調整區和後布拉格光柵區。前布拉格光柵區、相位調整區和後布拉格光柵區分別通過不同的電流改變該區域的分子分佈結構,從而改變布拉格光柵的周期特性。

對於有源區(Active)產生的頻譜,分別在前布拉格光柵區和後布拉格光柵區形成頻率分佈差異較小的頻譜。對於所需特定波長的激光,可調諧激光器分別對前布拉格光柵和後布拉格光柵施加不同的電流,使這兩個區域的光譜中只有特定波長重疊,其他波長不重疊,從而得到可以輸出所需的特定波長。同時,激光器還包括半導體放大區,使特定波長的輸出激光功率可達100mW或20mW。

基於機械控制技術

基於機械控制技術,一般採用MEMS來實現。基於機械控制技術的可調諧激光器採用MEMs-DFB結構。

可調諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜MEMs反射鏡以及其他控制和輔助部件。

對於 DFB 激光器陣列區域,有多個 DFB 激光器陣列,每個激光器陣列都可以在大約 1.0nm 的帶寬內以 25Ghz 的間隔產生特定的波長。通過控制MEMs透鏡的旋轉角度來選擇需要的特定波長,從而輸出需要的特定波長的光。

另一款基於VCSEL結構的可調諧激光器ML系列,其設計基於光泵浦垂直腔面發射激光器,採用半對稱腔技術,利用MEMS實現連續波長調諧。同時,該方法可以獲得大輸出光功率和寬光譜調諧範圍,熱敏電阻和TEC封裝在一起,可以在很寬的溫度範圍內穩定輸出。同一個封裝內集成了寬帶波長控制器進行精確的頻率控制,前端抽頭光功率檢測器和光隔離器用於提供穩定的輸出功率。這種可調諧激光器可以在 C 波段和 L 波段提供 10/20mW 的光功率。

基於該原理的可調諧激光器的主要缺點是調諧時間相對較慢,一般需要幾秒的調諧穩定時間。

基於溫控技術

基於溫度的控制技術主要用於DFB結構。其原理是調節激光腔內的溫度,使其可以發射不同的波長。

基於該原理技術的可調諧激光器的波長調節是通過控制InGaAsP DFB激光器工作在-5~50℃來實現的。模塊內置FP標準具和光功率檢測,連續出光的激光器可以鎖定在ITU規定的50GHz間隔的網格上。模塊中有兩個獨立的TEC,一個用於控制激光器的波長,另一個用於保證模塊中波長鎖定器和功率檢測器的恆溫工作。該模塊還內置了SOA,用於放大輸出光功率。

這種控制技術的缺點是單個模塊的調諧寬度不寬,一般只有幾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採用電流控制技術、溫度控制技術或機械控制技術,部分供應商可能採用其中一種或兩種技術。當然,隨著技術的發展,也可能會出現其他新的可調諧激光控制技術。
請註明出處。

發那奇專業激光焊接機&激光清洗機製造商。每週關注我們以獲取新的更新視頻!


發佈時間:Jul-26-2022

連接

給我們一個吶喊
獲取電子郵件更新