激光器作为所有激光应用产品的核心部件，是所有激光应用产品的重中之重;而且激光器的种类是很多。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。

　　按工作物质分类根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：

　　①固体(晶体和玻璃)激光器

　　这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的;

　　②气体激光器

　　它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等;

　　③液体激光器

　　这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子(如Nd)起工作粒子作用，而无机化合物液体(如SeOCl)则起基质的作用;

　　④半导体激光器

　　这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用;

　　⑤自由电子激光器

　　这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。

　　按激励方式分类

　　①光泵式激光器

　　指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。

　　②电激励式激光器

　　大部分气体激光器均是采用气体放电(直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入)方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。

　　③化学激光器

　　这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。

　　④核泵浦激光器

　　指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。

　　按运转方式分类

　　由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。

　　①连续激光器

　　其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免地产生器件的过热效应，因此多数需采取适当的冷却措施。

　　②单次脉冲激光器

　　对这类激光器而言，工作物质的激励和相应的激光发射，从时间上来说均是一个单次脉冲过程，一般的固体激光器、液体激光器以及某些特殊的气体激光器，均采用此方式运转，此时器件的热效应可以忽略，故可以不采取特殊的冷却措施。

　　③重复脉冲激光器

　　这类器件的特点是其输出为一系列的重复激光脉冲，为此，器件可相应以重复脉冲的方式激励，或以连续方式进行激励但以一定方式调制激光振荡过程,以获得重复脉冲激光输出,通常亦要求对器件采取有效的冷却措施。

　　④调激光器

　　这是专门指采用一定的开关技术以获得较高输出功率的脉冲激光器，其工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡(开关处于关闭状态)，待粒子数积累到足够高的程度后，突然瞬时打开开关，从而可在较短的时间内(例如10～10秒)形成十分强的激光振荡和高功率脉冲激光输出(见技术''''''''"class=link>激光调技术)。

　　⑤锁模激光器

　　这是一类采用锁模技术的特殊类型激光器，其工作特点是由共振腔内不同纵向模式之间有确定的相位关系，因此可获得一系列在时间上来看是等间隔的激光超短脉冲(脉宽10～10秒)序列，若进一步采用特殊的快速光开关技术，还可以从上述脉冲序列中选择出单一的超短激光脉冲(见激光锁模技术)。

　　⑥单模和稳频激光器

　　单模激光器是指在采用一定的限模技术后处于单横模或单纵模状态运转的激光器，稳频激光器是指采用一定的自动控制措施使激光器输出波长或频率稳定在一定精度范围内的特殊激光器件，在某些情况下，还可以制成既是单模运转又具有频率自动稳定控制能力的特种激光器件(见激光稳频技术)。

　　⑦可调谐激光器

　　在一般情况下，激光器的输出波长是固定不变的，但采用特殊的调谐技术后，使得某些激光器的输出激光波长，可在一定的范围内连续可控地发生变化，这一类激光器称为可调谐激光器(见激光调谐技术)。

　　按输出波段范围分类

　　根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种。

　　①远红外激光器

　　输出波长范围处于25～1000微米之间,某些分子气体激光器以及自由电子激光器的激光输出即落入这一区域。

　　②中红外激光器

　　指输出激光波长处于中红外区(2.5～25微米)的激光器件,代表者为CO分子气体激光器(10.6微米)、CO分子气体激光器(5～6微米)。

　　③近红外激光器

　　指输出激光波长处于近红外区(0.75～2.5微米)的激光器件，代表者为掺钕固体激光器(1.06微米)、CaAs半导体二极管激光器(约0.8微米)和某些气体激光器等。

　　④可见激光器

　　指输出激光波长处于可见光谱区(4000～7000埃或0.4～0.7微米)的一类激光器件，代表者为红宝石激光器(6943埃)、氦氖激光器(6328埃)、氩离子激光器(4880埃、5145埃)、氪离子激光器(4762埃、5208埃、5682埃、6471埃)以及一些可调谐染料激光器等。

　　⑤近紫外激光器

　　其输出激光波长范围处于近紫外光谱区(2000～4000埃)，代表者为氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)准分子激光器(3511埃、3531埃)、氟化氪(KrF)准分子激光器(2490埃)以及某些可调谐染料激光器等

　　⑥真空紫外激光器

　　其输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50～2000埃)代表者为(H)分子激光器(1644～1098埃)、氙(Xe)准分子激光器(1730埃)等。

　　⑦X射线激光器

　　指输出波长处于X射线谱区(0.01～50埃)的激光器系统，目前软X射线已研制成功，但仍处于探索阶段。

　　半导体激光器原理

　　来源：科学探索

　　光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的，其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展。LED， LD这些神气的电子器件便是这一发展的结果，尤其是近期有机光电材料的发展，更加是极大的推动着光电材料的进步。

　　首先半导体为什么会发光?

　　当电子从上面导带跳下来进入价带的时候，损失了一定的能量，这些能量就变成了光子发射出来，通俗的说就是发光了。

　　半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN 结或PIN 结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs )、砷化锢(InAs)、氮化镓(GaN)、锑化锢( InSb)、硫化锅( cds )、蹄化福(CdTe )、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe )、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.

　　半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式. 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在0.3 -34um 之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm. 世界上第一只半导体激光器是1962 年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺.其激射闭值电流由几百mA 降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%).便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大.目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代.

　　半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用. 主要半导体激光器的工作原理、发展历史和应用前景作一简略的介绍.

　　高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar条典型的光谱带宽大约是3～6nm，而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。

　　通常，掺钕固体晶体是对其相对较宽的808nm吸收带进行泵浦，标准的半导体激光器系统能很容易地满足808nm泵浦的光谱要。但是在过去几年里，随着半导体激光器bar条的工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦，需要控制泵浦半导体激光器的光谱，使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。

　　另一方面，光纤激光器的迅速发展，也增加了对其他波长的泵浦源的需求。例如，泵浦波长为1080nm左右的标准掺镱光纤激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纤耦合半导体激光器系统，特别是980nm泵浦区尤为重要，因为掺镱材料在该泵浦区具有较高的吸收系数和较窄的吸收带宽。

　　另一个新的泵浦波长是在888nm泵浦Nd：YVO4，与808nm泵浦相比，888nm泵浦的优势在于该波长处于各向同性吸收区，即在所有偏振方向上具有相同的吸收系数，并且量子亏损小。[1]

　　对于光谱线宽要求最高的应用之一是碱金属蒸汽激光器(如铷或铯)的光泵浦，这类应用需要的线宽大约为10GHz。对于这些应用，要实现有效泵浦，控制半导体激光器泵浦源的光谱。[2]

　　由多个半导体激光器bar条构成的高功率半导体激光器系统的另一缺点在于相对较差的光束质量和亮度B，公式(1)是B的定义。半导体激光器光束的亮度由激光功率P以及慢轴和快轴方向上的光束参数乘积(BPP)a所确定。[3]

　　普通大面积半导体激光器bar条的输出光束是由对于光束尺寸和发散角高度非对称的参数来表征的。快轴方向上的光束质量约为1mm•mrad，接近衍射极限;然而，标准10mm大面积半导体激光器bar条慢轴方向上的光束质量在400～500mm•mrad之间，远远超过了衍射极限。

　　最近几年中，通过增加每个发射体的输出功率和减小慢轴发散角，半导体激光器bar条的亮度已经得到了显著提高。这些进展带来了发射体数量减少、发射体间距增加的新型半导体激光器设计。这些迷你bar条比传统的10mm大面积半导体激光器bar条更具优势。[4]

　　半导体激光器系统亮度的进一步增强是通过偏振耦合和波长复用实现的。偏振耦合仅能将亮度提高一个单位系数的两倍，而波长复用技术受可用波长数量n的限制。 事实上，波长复用进行功率扩展是以牺牲光谱亮度为代价。

　　标准半导体激光器光源的波长复用，以及基于非介质膜的波长耦合器，需要大约30nm的光谱宽度。通过使用具有稳定的窄带发射光谱的半导体激光源和体全息光栅作为组合单元，光谱距离可以显著缩减到3nm。[5]结果，对于给定的光谱范围，能够被复用的半导体激光器bar条的数量增加，进而使亮度增强。

　　光谱稳定的半导体激光器模块更大的优点是其对工作温度和工作电流的敏感性降低，从而使冷却系统更加简便。另外，其对于芯片材料的规格要求也降低了，提高了生产中的晶圆利用率;而且还消除了随着半导体激光器工作时间增加而引起的波长变化(“红移”)。然而，应该指出的是，所有这些优点的获得要取决于体全息光栅的锁定范围。

　　下面将介绍不同的波长稳定技术。

　　2. 波长稳定的基本概念

　　2.1波长稳定的方法

　　在过去，为了改善半导体激光器bar条的光谱亮度，研究人员探讨了一些不同的方法。这些方法可分为激光器内部和外部解决方案。内部解决方案将波长稳定结构集成到半导体激光器bar条内部，而外部解决方案则是将体全息光栅与布拉格光栅分开，以稳定波长。

　　分布式反馈半导体激光器(DFB)是采用内部波长稳定解决方案的一个典型例子，用于选择性光谱反馈的光栅被集成在激光器bar条的激活区结构中。这样，波长随温度的漂移指标将减少到大约0.08nm/K，光谱带宽将减少到小于1nm。[6,7,8]很明显，这种DFB-半导体激光器的制造过程更为复杂，导致成本增加。这种激光器的另一个缺点是效率降低。

　　除了内部波长稳定方案，研究人员还探讨了通过外部元件实现波长稳定的解决方案。外部波长稳定元件的一个例子是基于光热折变(PTR)无机玻璃的厚体光栅。这种光栅通过紫外光照射下折射率的周期性变化，实现在这种感光玻璃内记录高效布拉格光栅。市场上有不同厂商出售这种体衍射光栅，只是名字稍有不同，如体布拉格光栅(VBG)[9]、体全息光栅(VHG)[10]，或是体布拉格光栅激光器(VOBLA)[11]。

　　与内部解决方案相反，外部波长稳定不需要对芯片结构做任何修改，也就是说，通过外部体全息光栅就能够对标准大面积半导体激光器bar条进行波长稳定。这是外部解决方案的一个重要优势。此外，与内部解决方案相比，外部波长稳定方案能获得更小的温度漂移和光谱带宽：温度漂移能减少到约0.01nm/K，光谱宽度减小到小于0.3 nm。然而，外部波长稳定方案的一个重要缺点是需要敏感和高度对准的VHG。

　　图1所示的是采用外部波长稳定方案的半导体激光器bar条的典型组成。VHG的角度敏感性有利于减少半导体激光器bar条的发散，特别是在快轴方向上利用快轴准直透镜(FAC)来准直光束。VHG将显著提高光学反馈。VHG直接置于FAC之后。图1中的表格所示的是有效波长稳定所需的典型对准公差。

　　图1：采用波长稳定方案的半导体激光器bar条的典型组成，VHG直接置于快轴准直透镜(FAC)之后。表中给出了图中所示组成的典型对准公差。

　　Typical tolerances for rotation：典型旋转公差

　　x-axis：x轴;y-axis：y轴;z-axis：z轴

　　半导体激光器参数对外部波长稳定性能的影响#e#2.2 半导体激光器参数对外部波长稳定性能的影响

　　为了获得有效、稳定的波长稳定方案，必须对半导体激光器bar条的相关参数进行仔细控制，这些参数包括输出面增透膜的反射率、发射体结构、腔长、smile效应、角度发射特性以及安装技术等，这些参数将影响波长随工作电流和工作温度的漂移。

　　通过折射率调制、改变空间频率和厚度，可以优化VHG的性能。这三个独立的参数决定布拉格角、衍射效率、光栅的光谱和角度选择性。原则上，对于每种配置，这些VHG参数都必须分别优化。然而根据经验，对于大多数常用的半导体激光器bar条，VHG反射率约为20%。当然，与没有采用波长稳定方案的半导体bar条相比，对于给定的电流，采用波长稳定方案的bar条因为插入了一个VHG，将会导致输出功率有所下降。具有更高反射率的VHG将增加锁定范围，代价是更高的功率损耗。这意味着波长稳定的优化始终需要在锁定范围和功率损耗间进行权衡。此外，重要的是要注意到最佳反射率的选取也视应用需求而定。对于某些应用，VHG需要优化以得到大的锁定范围，而对于固定工作条件的应用，则可能要求较低的损耗。

　　前面提到，最常见的外部波长稳定方案是将一个单独的块状VHG直接置于快轴准直透镜之后。这种布局的一个重要的缺点是对smile效应灵敏。由于smile效应，一些发射体不正好在光轴上，导致准直后产生偏转角，最终导致反射光相对于发射体的初始位置的偏移(见图2)。不在光轴上的发射体将接收到较少的光学反馈，如图2中的右图所示。

　　图2. Smile效应对采用体全息光栅波长稳定技术的半导体激光器bar条的光学反馈的影响

　　Off optical axis：偏离光轴

　　Onoptical axis：在光轴上

　　Diode bar with smile：具有smile效应的半导体激光器bar条

　　Reflected intensity：反射强度

　　Optical feedback by VHG：VHG的光学反馈

　　Optical axis：光轴

　　克服smile效应灵敏度的一种方法是将光栅结构集成到FAC中。[12]这样的元件对smile效应和非准直并不敏感。由于未经准直的光束具有更大的发散角，加之光栅的小角度选择性，因此只有一小部分光束被反射回半导体激光器腔内。在未准直或是存在smile效应的情况下，另外一部分光束将被反射用于提供反馈。与此相反，将光栅集成到FAC中，这种方案的一个理想情况是具备精确的准直且没有smile效应，此时几乎所有从VHG反射的光都被耦合至半导体激光器腔内。另一方面，这意味着要得到有效的波长锁定，VHG-FAC的反射率需要大幅提高到70%。

　　集成VHG的FAC的更大的优点是：只需要操作和调整一个独立的元件。VHG-FAC的一个缺点是基于石英的PTR材料相对较低的折射率(n=1.45)。FAC通常是由S-TiH53 或 N-LAF21之类的高折射率材料制造的。如果使用折射率较低的材料，对于同样的焦距，使用较小的曲率半径，将会影响高数值孔径工作条件下的透镜像差。

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