圖1：具有典型工作模式和增益介質(zhì)的普通商用激光器，其中CW代表連續(xù)波

激光器通常根據(jù)用于光放大的增益介質(zhì)進(jìn)行分類。常見的增益介質(zhì)類型有氣體、半導(dǎo)體(二極管)和固態(tài)。

常見工業(yè)激光器概述

圖1顯示了23種最常見的激光器及其波長、工作模式和典型的增益介質(zhì)。

氣體激光器，如氦氖(HeNe)，由于其高光束質(zhì)量和長相干長度，經(jīng)常用于計(jì)量應(yīng)用。其他類型的氣體激光器，如二氧化碳(CO2)激光器，經(jīng)常用于材料加工，因?yàn)樗鼈兛梢赃_(dá)到異常高的平均功率。

二極管激光器包含半導(dǎo)體p-n結(jié)作為增益介質(zhì)。它們往往具有最高的功率成本比，并受益于高功率轉(zhuǎn)換效率、高量子效率和廣泛的可用波長。二極管激光器用于許多應(yīng)用，包括電信、材料處理、條形碼掃描、醫(yī)用激光器和激光雷達(dá)系統(tǒng)。

固態(tài)激光器利用摻雜有過渡金屬或稀土離子的晶體或玻璃材料。它們通常用于高功率應(yīng)用，如材料加工和醫(yī)用激光器，因?yàn)樗鼈兛梢赃_(dá)到所有商用激光器中的一些最高峰值功率。然而，更難冷卻固態(tài)增益介質(zhì)，這限制了重復(fù)率和平均功率。

固態(tài)激光器的兩種特殊情況是量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)和帶間級(jí)聯(lián)激光器(ICL)。QCL是一種可調(diào)諧的半導(dǎo)體中紅外激光器，通過薄半導(dǎo)體層或“阱”的交替層中的子帶間躍遷工作。子帶間躍遷是導(dǎo)帶內(nèi)量子化能態(tài)之間的激發(fā)(圖2)。由于阱的尺寸極小，量子效應(yīng)占主導(dǎo)地位，發(fā)射波長作為阱厚度的函數(shù)而偏移。QCL可以通過量子和級(jí)聯(lián)效應(yīng)的結(jié)合在長波長下產(chǎn)生高功率。大多數(shù)市售的QCL的波長往往在4-11μm左右，但市售QCL的極端波長范圍在2.63-150μm之間。

ICL與QCL相似之處在于，它們使用分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和量子阱進(jìn)行中紅外激光發(fā)射，但光子是通過帶間躍遷而非子帶內(nèi)躍遷產(chǎn)生的(圖2)。它們能夠以比QCL更低的輸入功率進(jìn)行操作。

圖2：級(jí)聯(lián)激光器中(a)帶間躍遷和(b)子帶間躍遷的比較

光纖激光器是一種特殊類型的固態(tài)激光器，它使用摻有稀土離子的光纖作為增益介質(zhì)。它們最適合在高精度加工和醫(yī)療應(yīng)用中創(chuàng)建非常精細(xì)的特征，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰哂懈吖馐|(zhì)量的單個(gè)光學(xué)模式中包含高平均功率。

薄盤激光器是另一種特殊類型的固態(tài)激光器，其中增益介質(zhì)是固體材料的非常薄的盤。它們是光纖激光器和其他固態(tài)激光器之間的平衡，因?yàn)樗鼈儗?shí)現(xiàn)了高峰值功率和增益，同時(shí)利用了更容易冷卻的幾何形狀，提高了重復(fù)率和平均功率。然而，它們需要復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此比其他類型的激光器成本更高。

審核編輯 黃宇