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                  各類激光器工作原理應用范圍大全

                  2022-05-11

                  激光器工作原理   除自由電子激光器外,各種激光器的基本工作原理均相同,產生激光的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大過損耗,所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(或抽運)源、具有亞穩態能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發到激發態,為實現并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。激光器中常見的組成部分還有諧振腔,但諧振腔(見光學諧振腔)并非必不可少的組成部分,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方向性和相干性。而且,它可以很好地縮短工作物質的長度,還能通過改變諧振腔長度來調節所產生激光的模式(即選模),所以一般激光器都具有諧振腔。   激光工作物質   是指用來實現粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系,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,并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。   激光器的種類是很多的??梢詮募す夤ぷ魑镔|、激勵方式、運轉方式、輸出波長范圍等幾個方面進行分類,在《各類激光器工作原理應用范圍大全(一)》講了固體激光器、半導體激光器、CO2激光器、準分子激光器,本文接下來介紹光纖激光器、超快激光器、量子級聯激光器和太赫茲。   一、光纖激光器   光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器,光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發出來:在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度,造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”,當適當加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。   光纖激光器應用范圍非常廣泛,包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設,作為其他激光器的泵浦源等等。   按照光纖材料的種類,光纖激光器可分為:   1、晶體光纖激光器。工作物質是激光晶體光纖,主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+:YAG單晶光纖激光器等。  2、非線性光學型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。   3、稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質材料是玻璃,向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活,而制成光纖激光器。   4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而制成光纖激光器。   光纖激光器的應用   光纖激光器十分適合在連續波或準連續波運轉下放大到更高功率,來滿足微電子方面的應用需求。在這些應用中,光束質量、精度以及穩定性至關重要。在許多應用中,控制、改變激光加工能量和功率輸入,對加工過程起著決定性作用。   在焊接方面的應用:利用光纖激光優秀的光束質量,獲得較長的工作焦距,這就可以通過普通二維振鏡系統獲得很大的工作范圍,這不但簡化了設計,同時降低了成本。激光焊接降低了對材料內部組件的應力影響,從而整體大大地提高了產品的合格率。   在激光打標方面的應用:由于脈沖寬度極短,因此采用低脈沖能量容易抵達極高峰值激光強度。由于強度極高以及激光與物質的交互作用時間極短,熱擴散受限制于極小的區域,聚集的激光器能量密度構成材料快速汽化。因此,脈沖光纖激光器可以在激光打標應用中的選擇材料表面消融優質、精密的圖案。由于沿著掃描途徑的兩個激光打標點之間的距離與掃描儀速度成正比,與脈沖重復率成反比,因此,當激光掃描儀由數字狀態空間伺服機構控制時,高重復率脈沖光纖激光器是設計優質、高速激光打標系統的一個重要部分。   在工業鉆孔中的應用:激光器通過脈沖波形控制實現了很大的靈活性,能在鉆孔應用中大顯身手。更大的振幅意味著更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脈沖能量,能產生更大直徑的孔。改變頻率,峰值功率和脈沖能量隨之改變,孔徑也隨之變化。因此微米級的不同孔徑,能通過激光器的頻率和脈沖特征加以改變。   在巖石及泥土材料處理中的應用:光纖激光在施工現場的應用方面明顯優于任何其它種類的激光,包括在開礦、隧道開鑿、切割和巖石及混凝土鉆孔等方面。光纖激光能夠通過很長的光纖將足夠的能量傳輸到遠程的目標。光纖激光超高的電光轉換效率(30%),良好的光束質量,車載機動性及設備的穩定性和免維護性等特點使得它在此類應用領域里成為最佳的選擇。   今天,密集波分復用和光時分復用技術的飛速發展及日益進步加速和刺激著多波長光纖激光器技術、超連續光纖激光器等的進步。同時,多波長光纖激光器和超連續光纖激光器的出現,則為低成本地實現Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現的技術途徑來看,采用EDFA放大的自發輻射、飛秒脈沖技術、超發光二極管等技術也已出現。   隨著光通信及相關領域技術的飛速發展,光纖激光器技術正在不斷向廣度和深度方面推進;技術的進步,特別是以光纖光柵、濾波器、光纖技術等為基礎的新型光纖器件等的陸續面市,將為光纖激光器的設計提供新的對策和思路??梢灶A見,光纖激光器必將在未來光通信、軍事、工業加工、醫療、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領域中發揮重要作用。光纖激光器作為第三代激光技術的代表,具有其他激光器無可比擬的技術優越性。在短期內,光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖激光器的普及,成本的降低以及產能的提高,最終將可能會替代掉全球大部分高功率二氧化碳激光器和絕大部分YAG激光器。   二、超快激光器   超快激光器是基于SESAM鎖模技術的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飛秒激光器開發的激光器。   Amberpico系列皮秒激光器具有超短脈沖寬度(小于15ps)、高單脈沖能量(最大單脈沖能量30mJ)、高重復頻率(1kHz以上)和值得信賴的優良輸出性能,Amberfemto系列飛秒激光器脈沖寬度小于200fs,重復頻率1Hz—100kHz可選,具有優異的空間模式和卓越的功率穩定性??梢詫崿F高效的二倍頻、三倍頻、甚至四倍頻光的輸出。波長范圍遍及紅外、綠光、紫外,波長最短可以達到266/263nm。二者是衛星測距、激光精細微加工、非線性光學、激光光譜學、生物醫學、強場光學、凝聚態物理學等科研領域強有力的研究工具。 三、量子級聯激光器   量子級聯激光器(quantumcascadelasers,QCLs)是基于電子在半導體量子阱中導帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導體器件。不同於傳統p-n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制,QCL受激輻射過程只有電子參與,激射波長的選擇可通過有源區的勢阱和勢壘的能帶裁剪實現。QCL引領了半導體激光理論、中紅外和THz半導體光源革命,是痕量氣體監測和自由空間通信的理想光源,在公共安全、國家安全、環境和醫學科學等領域有重大應用前景。量子級聯激光器(QCL)是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段單極光源,其工作原理與通常的半導體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態,在這些激發態之間產生粒子數反轉,該激光器的有源區是由耦合量子阱的多級串接組成(通常大于500層)而實現單電子注入的多光子輸出。量子級聯激光器的出現開創了利用寬帶隙材料研制中、遠紅外半導體激光器的先河,在中、遠紅外半導體激光器的發展史上樹立了新的里程碑。1994年FedericoCapasso和同事卓以和等人在貝爾實驗室率先發明量子級聯激光器。這被視為半導體激光領域的一次革命。2000年,我國科學家李愛珍(現任美國科學院院士)的課題組在亞洲率先研制出5至8微米波段半導體量子級聯激光器,從而使中國進入了掌握此類激光器研制技術的國家行列。   由于量子級聯激光器是集量子工程和先進的分子束外延技術于一體,與常規的半導體激光器在工作原理上不同,其特點優于普通激光器,因技術含量很高,相關產品的開發具有重要的社會和經濟價值。據了解,量子級聯激光器是一個高難度的量子工程,特點是工作波長與所用材料的帶隙無直接關系,僅由耦合量子阱子帶間距決定,從而可實現對波長的大范圍剪裁。   許多基于量子級聯激光器的可調諧中紅外激光器(脈沖和紅外)在國外已經進入工業化,是各國爭相研究的高新技術產業。   量子級聯激光器集量子工程和分子束外延技術于一體,是國家納米及量子器件核心技術的真正體現,這方面的技術突破將激活我國的民用市場。它在紅外通信、遠距離探測、大氣污染監控、工業煙塵分析、化學過程監測、分子光譜研究、無損傷醫學診斷等方面具有很急迫的應用前景。   四、太赫茲   THz波(太赫茲波)或稱為THz射線(太赫茲射線)是從上個世紀80年代中后期,才被正式命名的,在此以前科學家們將統稱為遠紅外射線。太赫茲波是指頻率在0.3THz到3THz范圍的電磁波,波長大概在0.1mm(100um)到1mm范圍,介于微波與紅外之間。實際上,早在一百年前,就有科學工作者涉及過這一波段。在1896年和1897年,Rubens和Nichols就涉及到這一波段,紅外光譜到達9um(0.009mm)和20um(0.02mm),之后又有到達50um的記載。之后的近百年時間,遠紅外技術取得了許多成果,并且已經產業化。但是涉及太赫茲波段的研究結果和數據非常少,主要是受到有效太赫茲產生源和靈敏探測器的限制,因此這一波段也被稱為THz間隙。   太赫茲的獨特性能給通信(寬帶通信)、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像(無標記的基因檢查、細胞水平的成像)、無損檢測、安全檢查(生化物的檢查)等領域帶來了深遠的影響。由于太赫茲的頻率很高,所以其空間分辨率也很高;又由于它的脈沖很短(皮秒量級)所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時,由于太赫茲能量很小,不會對物質產生破壞作用,所以與X射線相比更具有優勢。另外,由于生物大分子的振動和轉動頻率的共振頻率均在太赫茲波段,因此太赫茲在糧食選種,優良菌種的選擇等農業和食品加工行業有著良好的應用前景。太赫茲的應用仍然在不斷的開發研究當中,其廣袤的科學前景為世界所公認

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