激光器件与技术(上册):激光器件

第1章激光器件概论 本章简述激光器件分类、结构组成、各部件的功能作用、典型器件举例、器件的工作效率及其工作机理等。 1.1激光器件的分类 激光的发展已经历了5个重要阶段。①早期理论发展阶段。以1917年A.Einstein（爱因斯坦）首先提出了原子也存在受激辐射过程为标志。②微波量子放大器阶段。1954年，由美国的C.H.Townes、I.P.Gorden、H.J.Zeiger共同研制成功世界上**台氮分子气体微波量子放大器。③1960年5月Maiman（梅曼）制成世界上**台红宝石激光器，揭开激光发展划时代的一幕，共振受激辐射光放大器件正式诞生。④1967年自发辐射的光放大器件－氮分子等一类器件诞生，使激光的产生机理和概念得到进一步拓展。⑤1997年物质波（原子）激光器的诞生，使激光从电磁波范畴跨越拓展到物质波领域，开始激光发展的新纪元，是激光发展过程中的里程碑。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称中科院长春光机所）王之江领导的小组于1961年制成了中国**台红宝石激光器，其结构与梅曼研制的略有不同。1964年12月，在全国第三届光受激辐射学术会议上，根据钱学森教授的提议，将Laser正式意译为“激光”光电子由信息光电子和能量光电子两部分组成，而激光器及其激光设备既是能量光电子的核心产品，又是信息光电子的重要设备。自从1960年世界上**台红宝石激光器诞生至今，人们已在几千种物质中获得了激光发射。激光的单脉冲能量和功率分别达到几十万焦和1016W，连续输出功率已达到几万瓦以上。超短脉冲的宽度已经压缩至阿秒量级（1as=10_18s），而人们期望获取更短光脉冲，向仄秒（lzs=10—21s）迈进，原子核内的质子和中子正是在这一时间尺度上运动。因此，仄秒脉冲将为人类打开实时探索核过程的大门。各种激光器虽然在结构和运转方式上各不相同，但其基本结构都可归结为以下三个部分，如图1.1.1所示。 （1）工作物质。它是实现激光物质能态中粒子数反转分布并产生激光的物质基础和场所。 （2）激励系统。激光系统能源的供应者，并以一定方式促成激光工作物质处于粒子数反转状态。 （3）光学谐振腔。它的作用包括：其一，提供光学反馈；其二，选择和限制激光形成过程中的电磁场的时空分布形态——振荡波型和光束输出特性。 激光器的分类方式多种，按工作物质划分，可分为固体、气体、液体、半导体、光纤激光器、化学、自由电子、X射线、物质波（原子）和光子晶体激光器等。 按运转方式划分，可分为连续式运转激光器、单脉冲式运转激光器、重复频率式运转激光器、Q突变式运转激光器、波型（模式）可控式运转激光器等。波型（模式）可控式运转激光器包括单波型（选纵模、选横模）激光器、稳频激光器、锁模激光器、变频激光器等。 按激励方式划分，可分为光泵式激光器（泵浦灯激励和激光激励，又分端面泵浦、侧面泵浦）、电激励式激光器、化学反应式激光器、热激励式激光器及核能激励式激光器等。 按激光器输出的中心波长所属波段划分，又可分为微波段激光器、太赫兹段激光器、远红外段激光器、中红外段激光器、近红外段激光器、可见光段激光器、紫外段激光器（近紫外、真空紫外，又可分为紫外和深紫外）及X射线段激光器等。 按谐振腔类型划分，可分为稳定腔激光器、临界腔激光器和非稳腔激光器等。 按谐振腔尺度划分，可分为可视尺度的宏观谐振腔激光器（激光器腔长在104～10μm量级）、显微尺度的谐振腔激光器（激光器腔长在10～100μm量级）、介观尺寸的微腔激光器（microcavity-laser，激光器腔长在1叫量级，激光器腔长与激光波长可比拟，遵从介观物理学规律，属于受限小量子系统）等。宏观谐振腔激光器，如CO2激光器、He-Ne激光器、Ar+激光器、He-Cd激光器等；显微尺度的谐振腔激光器，如半导体激光器，其操作必须借助显微镜进行。微光学腔的概念早期就有人提出，然而在半导体量子阱垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emittinglaser，VCSEL）得到重大突破后，微光学腔的研究才进入有实用前景的应用阶段。微光学腔对自发辐射场的量子化调制，微光学腔中光子寿命的明显缩短，微光学腔的单一模式运作使微光学腔激光器的阈值响应和噪声特性大大优化，微光学腔激光器可使功耗大大降低，因而使高密度激光器面阵集成成为可能。同时微光学腔光子器件可能还蕴藏着许多有待研究开发的新功能，其贡献不亚于场效应管（MOS）器件在微电子学中的地位，将成为发展光子集成的新起点。 1.2典型激光器件简介 对于激光器*常用的划分方式是按工作物质分类。按工作物质划分，激光器可分为以下几大类。 1.固体激光器 激光器件运转时，工作物质以固体状态呈现，固体激光工作物质是以高质量的光学晶体、透明陶瓷、光学玻璃等为基质，在其内掺入具有发射激光能力的金属离子。目前已发现能用来产生激光的晶体有几百种，玻璃材料几十种，*常用的有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石、铝酸钇、钒酸钇及有机物质固体激光器等。 固体激光器一般采用光泵激励方式，固体激光器的特点是输出的功率较大，结构牢固，体积较小，多用于机械加工、测距、通信及快速全息照相等领域。 2.气体激光器 当激光器件运转时，工作物质以气体状态呈现。气体激光器运转时，工作物质的状态可分为原子气体、分子气体、离子气体和准分子气体，因此分别称为原子气体激光器（如He-Ne等）、分子气体激光器（如CO2等）、离子气体激光器（如Ar+等）和准分子气体激光器（XeF、XeCl、KrF、ArF、KrCl等）。图1.2.1为气体激光器示意图。 气体激光器是目前应用*广泛的激光器之一，它的单色性比其他类激光器优良，而且能长时间稳定地工作，常应用于精密计量、定位、准直、全息照相、近距离通信、水下探测、工业加工及医用激光等。 3.半导体激光器 工作物质是半导体材料，如砷化镓、碲锡铅、硫化镉、锑化铟等。半导体激光器的特点是器件体积小、质量小、效率高、结构紧凑、运行寿命长，理论上可用约100万小时（即120年）。一般气体，固体激光器长度可从几厘米到几米甚至上百米，而半导体激光器不足1mm，只有针孔那么大，质量不超过2g。 4.液体激光器 激光运转时，工作物质呈现液体状态，可分为有机液体激光器和无机液体激光器。无机液体激光器，其工作物质是由无机液体掺入稀土离子构成的。有机液体激光器工作物质，是由某些分子结构呈笼状的有机化合物溶于有机液体溶剂中而形成的。目前*普遍使用的液体激光器是各种染料激光器。它的*大优点是输出的激光波长可在较大范围内连续调谐，所以常用作泵浦源，在各种光谱测量技术中有特殊重要的应用价值。 5.光纤激光器 以光学纤维作为激光工作物质的器件。光纤激光器（fiberlasers，FL）是一种有源光纤器件，其主要类型有三种：晶体光纤激光器、掺杂光纤激光器、利用光纤非线性光学效应制作的光纤激光器。 光纤激光器的主要特点是：①光纤的纤芯很小（单模光纤的芯径只有1～10pm），芯内易形成高功率密度激光，激光与泵浦光可充分耦合，因此转换效率高，激光阈值低；②输出的激光谱线多，且荧光谱线的线宽很宽，易于调谐；③光纤的柔性极好，激光器可设计得小巧灵活。经过20多年的研究，现在光纤激光器已经成为材料加工（特别是微加工）、医用激光的*佳选择对象之一。在印刷工业中，光纤激光器可用于内鼓扫描系统，它不仅要求高功率，而且要求光束具有衍射极限的光束质量。在微加工领域，光纤激光器可用于磁存储和光存储、半导体、电子工业的切割、焊接弯曲、准直、应力释放、热处理等。在打标领域，也越来越多地釆用光纤激光器，特别是半导体工业，用光纤激光器在塑料和陶瓷包装上打标。在通信领域，研究人员正在研究大于1W的高功率光纤激光器在密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）组件和系统中的应用，还研究如何将光纤激光器用于高速调制器的激光雷达等。 6.化学激光器 基于化学反应所产生的能量来建立粒子数反转分布，从而产生受激辐射的器件。 7.自由电子激光器 它是利用相对论电子束与电磁场的相互作用产生相干电子束的激光辐射器。 8.X射线激光器 X射线波段激光的开拓研究，是激光科学发展中的重大前沿领域之一，中国以类锂离子和具有类似电子结构的类钠离子三体复合泵浦方案为主攻方向，多次在国际上获得短波长的X射线激光跃迁。这不仅在激光与等离子体相互作用研究、X射线激光光谱研究方面积累了大量的经验，而且在软X射线激光增益实验研究方面也取得了重要数据。 9.物质波（原子）激光器 物质波激光器是大量同态微观粒子辐射物质波装置。它是继微波激射器（maser）、光激射器（laser）、自发辐射放大器之后的第四类激射器，是由激光脉冲轰击原子而产生激光的器件。1995年，原子气体玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate，BEC）实验成功，促使了1997年原子激光器的诞生。BEC的实现和原子激光器的诞生，是20世纪末物理学的重大进展，有可能对今后科学技术的发展产生重大影响。这一成果，不仅是物理学的又一重大进步，也为物理学的基础理论研究，如量子论、相对论等提供了实验支撑；同时对相关领域，如精密测量、空间科学、地学、表面探测、微电子技术也有重大的推动作用。 10.光子晶体激光器 1999年，美国加州理工学院的A.Scherer领导的研究组首次报道了可工作在室温下且运转在1550nm的光子晶体激光器。目前，美国贝尔实验室、英国斯温顿的巴斯大学、丹麦CrystalFiberA/S公司等都在大力研究这种新型的激光器。A.J.Danner等提出的双缺陷光子晶体垂直腔面发射激光器更是集以上两种激光器的优势于一体。在我国，深圳市激光工程重点实验室于2006年开发出了功率达15W的光子晶体激光器。 下面介绍几种常用的激光器。 1）掺钕钇铝石榴石激光器（Nd3+:YAG） Nd+3:YAG是固体激光器的典型代表，它的工作物质机械强度高，导热性能好，可以重复脉冲或连续工作。1999年，中国Nd3+:YAG单棒连续输出已达700W，Nd3+:YAG板条激光器输出达数百瓦。激光波长为1.06^m，可用光纤传输，被广泛应用于热加工、测距、制导和医疗等方面。 2）半导体激光器 半导体激光器具有超小型、效率高、寿命长、价格低、结构简单以及便于调制等优点。目前，半导体激光器的种类较多，应用*多的是双异质结半导体激光器、量子级联激光器、量子阱激光器和垂直腔面发射半导体激光器。 （1）*成熟的双异质结半导体激光器是GaAlAs/GaAs、InP/GaInAsP双异质结器件，它们已在激光电视、唱片、光盘存储、激光打印、激光通信、短程测距和光电自动监控等方面得到广泛的应用。 （2）量子阱激光器。单量子阱激光器基本上是把普通的双异质结激光器的有源层厚度做到数十纳米以下的一种激光器。这种器件有源层太薄，对非平衡载流子的收集能力较弱，所以阈值电流密度大，为此，人们又采用多量子阱组成有源层。目前，量子阱激光器的激光阈值电流密度已从*初的103A/cm2降低到10—4A/cm2量级，已达到了实用的程度。1999年，中国研制成功低阈值和高超短光脉冲的量子阱激光器，采用脉冲碰撞锁模技术和四棱镜群速补偿技术，直接获得了21fs的超短激光脉冲，当时居国际领先水平。 （3）量子级联（quantum cascade，QC）激光器诞生于1994年。量子级联激光器摒弃了二极管激光器运行的关键原理。其装置是单极，即