浅谈激光器的类型

文章来源：睐芯科技LightSense

原文作者：LIG

本文介绍了气体激光器、固体激光器以及半导体激光器。

气体激光器

气体激光器使用低压气体混合物作为活性介质。大多数气体激光器是通过使电流通过气体来激发的，电流由放置在管两端的电极输送。氦氖激光器（或HeNe激光器）是一种常见的气体激光器，产生波长为632.8nm的可见光谱光。氦氖激光腔包含氦气和氖气的混合物。氦原子被施加的电流激发，然后与氖原子碰撞，将它们激发到产生632.8nm辐射的状态。HeNe激光器的亮红色输出和相对较低的成本使其非常适合教育和研究实验室中的许多低功耗应用。

气体激光器的其他示例包括二氧化碳（CO2）激光器，这是一种在红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业应用。

准分子激光器是一种气体激光器，它依赖于“二聚体”分子的激发，如氟化氩，这些分子仅在激发态稳定。准分子激光器于20世纪70年代中期首次被证明，能够通过破坏分子键来去除极其精细的表面材料层，而不会燃烧或加热周围区域。因此，准分子激光器非常适合塑料或半导体电路的精密蚀刻，以及LASIK等精细眼科手术。

气体激光器相对于其他激光器类型的一个优点是，气体介质往往既相对便宜，又具有很大的抗损伤性。然而，由于介质密度低，气体激光器通常也比其他类型的激光器大。近年来，气体激光器的销售额有所下降，因为在许多商业应用中，它们已逐渐被固态和半导体激光器所取代应用。例如，氦氖激光器最初用于杂货店的结账扫描仪，但在很大程度上已被激光二极管所取代。

固体激光器

固态激光器使用由含有发光原子（活性物种）的固体晶体或玻璃棒（称为基质）组成的活性介质。有史以来建造的第一台激光器是使用合成红宝石的固态激光器，红宝石是刚玉（氧化铝晶体），铬是一种活性物质。在大多数固态激光材料中，首先识别活性物种（通常通过其化学符号），然后是主体材料。例如，钛宝石激光器由蓝宝石晶体中的钛原子组成。活性物种和宿主在固态激光器中都很重要。活性物种决定了激光跃迁，但它与宿主的相互作用可能会略微改变波长。

钕（Nd）通常用作固态激光晶体中的活性物种。例如，Nd:YAG（neodymium-yttrium aluminum garnet）是最常见的激光器类型之一，在研究、医学、制造和其他领域都有应用。Nd:YAG激光器通常发射波长为1064nm的红外光，但其他波长也是可能的。钕的其他基质材料包括YLF（氟化钇锂）和玻璃。根据其光学、热学和机械性能选择主体材料。

半导体激光器

半导体激光器，通常称为激光二极管，其工作原理与发光二极管相同，但有一些重要区别。与LED一样，激光二极管由两层半导体层组成，一层是带有过量电子的n型半导体层，另一层是要填充电子“空穴”的p型半导体层。半导体层被称为有源层的微观区域隔开，该区域用作光学谐振器。

激光二极管的工作电流比LED高得多，通常大约是LED的十倍。虽然LED从其结层向各个方向发射光子，但激光二极管配置有反射端，以在半导体层之间的区域形成光学谐振器。在激光二极管中，当一个电子跃迁发射的光子触发另一个电子填充空穴时，就会发生受激发射，以此类推，从而产生从二极管一侧出射的相干光束。

激光二极管结构紧凑，易于大规模生产。就数量而言，它们是最常见的激光类型。它们的小尺寸使其非常适合用于低功耗应用，如激光指示器、激光打印机和CD/DVD播放器。激光二极管也可以在比其他类型的激光器更低的电压下工作。虽然气体和固态激光器需要数千伏的输入电压，但激光二极管只能在几伏的电压下工作。

激光二极管通常不如其他类型激光器的光束准直。在许多情况下，使用外部透镜来校正光束的形状，这会导致激光器的整体脆弱性，因为透镜的损坏可能会使其无法正常工作。此外，半导体的微妙性质使激光二极管对静电放电和电流更敏感。过大的电流会导致二极管无法工作。激光二极管的功率效率也会随着时间的推移而降低，逐渐需要更多的功率来输出相同的光束强度。