淺談激光器的類型

文章來源：睞芯科技LightSense

原文作者：LIG

本文介紹了氣體激光器、固體激光器以及半導(dǎo)體激光器。

氣體激光器

氣體激光器使用低壓氣體混合物作為活性介質(zhì)。大多數(shù)氣體激光器是通過使電流通過氣體來激發(fā)的，電流由放置在管兩端的電極輸送。氦氖激光器（或HeNe激光器）是一種常見的氣體激光器，產(chǎn)生波長為632.8nm的可見光譜光。氦氖激光腔包含氦氣和氖氣的混合物。氦原子被施加的電流激發(fā)，然后與氖原子碰撞，將它們激發(fā)到產(chǎn)生632.8nm輻射的狀態(tài)。HeNe激光器的亮紅色輸出和相對較低的成本使其非常適合教育和研究實(shí)驗(yàn)室中的許多低功耗應(yīng)用。

氣體激光器的其他示例包括二氧化碳（CO2）激光器，這是一種在紅外波段工作的高效激光器。二氧化碳激光器通常用于焊接和切割等高功率工業(yè)應(yīng)用。

準(zhǔn)分子激光器是一種氣體激光器，它依賴于“二聚體”分子的激發(fā)，如氟化氬，這些分子僅在激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。準(zhǔn)分子激光器于20世紀(jì)70年代中期首次被證明，能夠通過破壞分子鍵來去除極其精細(xì)的表面材料層，而不會燃燒或加熱周圍區(qū)域。因此，準(zhǔn)分子激光器非常適合塑料或半導(dǎo)體電路的精密蝕刻，以及LASIK等精細(xì)眼科手術(shù)。

氣體激光器相對于其他激光器類型的一個優(yōu)點(diǎn)是，氣體介質(zhì)往往既相對便宜，又具有很大的抗損傷性。然而，由于介質(zhì)密度低，氣體激光器通常也比其他類型的激光器大。近年來，氣體激光器的銷售額有所下降，因?yàn)樵谠S多商業(yè)應(yīng)用中，它們已逐漸被固態(tài)和半導(dǎo)體激光器所取代應(yīng)用。例如，氦氖激光器最初用于雜貨店的結(jié)賬掃描儀，但在很大程度上已被激光二極管所取代。

固體激光器

固態(tài)激光器使用由含有發(fā)光原子（活性物種）的固體晶體或玻璃棒（稱為基質(zhì)）組成的活性介質(zhì)。有史以來建造的第一臺激光器是使用合成紅寶石的固態(tài)激光器，紅寶石是剛玉（氧化鋁晶體），鉻是一種活性物質(zhì)。在大多數(shù)固態(tài)激光材料中，首先識別活性物種（通常通過其化學(xué)符號），然后是主體材料。例如，鈦寶石激光器由藍(lán)寶石晶體中的鈦原子組成?；钚晕锓N和宿主在固態(tài)激光器中都很重要?；钚晕锓N決定了激光躍遷，但它與宿主的相互作用可能會略微改變波長。

釹（Nd）通常用作固態(tài)激光晶體中的活性物種。例如，Nd:YAG（neodymium-yttrium aluminum garnet）是最常見的激光器類型之一，在研究、醫(yī)學(xué)、制造和其他領(lǐng)域都有應(yīng)用。Nd:YAG激光器通常發(fā)射波長為1064nm的紅外光，但其他波長也是可能的。釹的其他基質(zhì)材料包括YLF（氟化釔鋰）和玻璃。根據(jù)其光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能選擇主體材料。

半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器，通常稱為激光二極管，其工作原理與發(fā)光二極管相同，但有一些重要區(qū)別。與LED一樣，激光二極管由兩層半導(dǎo)體層組成，一層是帶有過量電子的n型半導(dǎo)體層，另一層是要填充電子“空穴”的p型半導(dǎo)體層。半導(dǎo)體層被稱為有源層的微觀區(qū)域隔開，該區(qū)域用作光學(xué)諧振器。

激光二極管的工作電流比LED高得多，通常大約是LED的十倍。雖然LED從其結(jié)層向各個方向發(fā)射光子，但激光二極管配置有反射端，以在半導(dǎo)體層之間的區(qū)域形成光學(xué)諧振器。在激光二極管中，當(dāng)一個電子躍遷發(fā)射的光子觸發(fā)另一個電子填充空穴時，就會發(fā)生受激發(fā)射，以此類推，從而產(chǎn)生從二極管一側(cè)出射的相干光束。

激光二極管結(jié)構(gòu)緊湊，易于大規(guī)模生產(chǎn)。就數(shù)量而言，它們是最常見的激光類型。它們的小尺寸使其非常適合用于低功耗應(yīng)用，如激光指示器、激光打印機(jī)和CD/DVD播放器。激光二極管也可以在比其他類型的激光器更低的電壓下工作。雖然氣體和固態(tài)激光器需要數(shù)千伏的輸入電壓，但激光二極管只能在幾伏的電壓下工作。

激光二極管通常不如其他類型激光器的光束準(zhǔn)直。在許多情況下，使用外部透鏡來校正光束的形狀，這會導(dǎo)致激光器的整體脆弱性，因?yàn)橥哥R的損壞可能會使其無法正常工作。此外，半導(dǎo)體的微妙性質(zhì)使激光二極管對靜電放電和電流更敏感。過大的電流會導(dǎo)致二極管無法工作。激光二極管的功率效率也會隨著時間的推移而降低，逐漸需要更多的功率來輸出相同的光束強(qiáng)度。