6.2 激光器类型与特性¶
激光器按增益介质可分为气体、固体、半导体、光纤、液体（染料）等类型，每类在波长、功率、光束质量、成本和应用场景上各有侧重。了解各类激光器的核心特性，是光电系统选型的基础。
一、气体激光器¶
1.1 He-Ne 激光器¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 波长 | 632.8 nm（主），也可 1152 nm、3391 nm |
| 功率 | 0.5–50 mW（连续） |
| 光束质量 | $M^2 \approx 1$（接近理想高斯） |
| 线宽 | 极窄（GHz 量级，单纵模 <1 MHz） |
He-Ne 激光因其极好的光束质量和频率稳定性，是精密测量、干涉仪标定、全息术的经典光源，但功率低，逐渐被半导体激光替代。
1.2 CO₂ 激光器¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 波长 | 10.6 μm（主），9.6 μm（次） |
| 功率 | 几瓦 ~ 几十千瓦（连续） |
| 效率 | 10–20%（气体激光器中最高） |
| 光束质量 | 中等（工业型 $M^2$ = 1–3） |
CO₂ 激光是目前工业激光加工（切割、焊接、打标）的主力之一，波长在长波红外，被大多数非金属（有机物、皮肤）强烈吸收。也用于气体光谱检测（CO₂ 分析仪参考光源）。
1.3 准分子激光器（Excimer）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 波长 | ArF: 193 nm，KrF: 248 nm，XeCl: 308 nm |
| 脉冲能量 | mJ–J |
| 重复率 | 1–6 kHz |
紫外波段，光子能量高，可直接断裂有机物化学键（光消融，无热损伤区）。用于准分子激光角膜手术（LASIK）、光刻机（ArF 193 nm 是先进节点光刻的主力光源）。
二、固体激光器¶
2.1 Nd:YAG 激光器¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 基频波长 | 1064 nm（近红外） |
| 倍频（SHG） | 532 nm（绿光） |
| 三倍频 | 355 nm（紫外） |
| 四倍频 | 266 nm（深紫外） |
| 峰值功率 | 脉冲型可达 MW 量级 |
Nd:YAG 是固体激光器的代表，通过非线性晶体（KDP、BBO、LBO）倍频可获得可见光至深紫外波段，是激光雷达、测距、加工和医疗的广泛应用平台。
2.2 Ti:蓝宝石激光器（可调谐）¶
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 调谐范围 | 650–1100 nm（可连续调谐） |
| 脉冲宽度 | 飞秒（10–100 fs，锁模） |
| 峰值功率 | TW 量级（CPA 放大） |
Ti:蓝宝石是超快激光的核心增益介质，通过啁啾脉冲放大（CPA）可产生超短超强激光脉冲，用于超快光谱、材料微加工、粒子加速、高次谐波产生。也用作可调谐连续激光（光谱仪扫描光源）。
2.3 Nd:YVO₄ 激光器¶
类似 Nd:YAG（1064/532 nm），但增益更高，适合高重复率（>100 kHz）脉冲应用，是激光打标机的主流增益介质。
三、半导体激光器（激光二极管，LD）¶
半导体激光器（Laser Diode, LD）是当今用量最大的激光器类型，涵盖了从蓝光到中红外的广泛波段。
3.1 工作原理¶
P-N 结注入电流后，导带电子与价带空穴在有源区复合，发出受激辐射。晶体解理面或特殊刻蚀面形成谐振腔。
3.2 主要类型对比¶
| 类型 | 结构特点 | 光束质量 | 功率 | 应用 |
|---|---|---|---|---|
| FP（法布里-珀罗）LD | 简单 F-P 腔 | 差（多模） | mW–W | 通用泵浦、光存储 |
| DFB（分布反馈）LD | 光栅刻入有源区 | 单纵模，线宽<1 MHz | mW–100 mW | 光纤通信、传感 |
| VCSEL（垂直腔面发射） | 垂直于结面出射 | 圆形高斯，$M^2≈1$ | μW–mW（单管） | 短距通信、3D 传感 |
| 高功率 LD 巴条 | 多发射极并排 | 差，需整形 | 10–100 W | 泵浦固体/光纤激光 |
| 量子级联激光器（QCL） | 多量子阱，级间跃迁 | 中等 | mW–W | 中红外气体传感、医疗 |
3.3 激光二极管波段覆盖¶
| 材料体系 | 波段 | 典型应用 |
|---|---|---|
| GaN/InGaN | 360–530 nm | 蓝光/绿光，显示，存储 |
| AlGaAs/GaAs | 750–900 nm | 泵浦，近红外照射 |
| InGaAs/GaAs | 900–1100 nm | 泵浦 Nd:YAG，工业 |
| InGaAsP/InP | 1270–1650 nm | 光纤通信（1310/1550 nm） |
| QCL（InGaAs/InAlAs） | 3–24 μm | 中红外光谱，气体检测 |
四、光纤激光器¶
光纤激光器以掺稀土元素（Er、Yb、Nd）的光纤为增益介质，激光二极管泵浦：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 典型波长 | Yb: 1030–1100 nm，Er: 1530–1570 nm |
| 连续功率 | 从 mW 到 >10 kW（工业型） |
| 光束质量 | $M^2 \approx 1$（单模，接近衍射限） |
| 效率 | 25–35%（整机） |
| 优势 | 光束质量极好、散热好（纤芯细长）、免调整 |
万瓦级 Yb 光纤激光器已成为工业激光切割焊接的主流，逐步替代 CO₂ 和固体激光。
五、激光器特性快速对比¶
| 类型 | 波段 | 功率范围 | 光束质量 | 成本 | 主要应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| He-Ne | 633 nm | mW | 极好 | 中 | 测量、标定 |
| CO₂ | 10.6 μm | W–kW | 中等 | 中 | 切割、焊接 |
| Nd:YAG | 1064/532 nm | mW–MW | 好 | 中高 | 测距、加工 |
| Ti:蓝宝石 | 650–1100 nm | mW–TW | 极好 | 极高 | 超快科研 |
| 激光二极管 | 360 nm–24 μm | μW–100 W | 差–好 | 低 | 通用，泵浦 |
| 光纤激光 | 1030–1570 nm | mW–10 kW | 极好 | 中高 | 工业加工 |
| QCL | 3–24 μm | mW–W | 中等 | 高 | 气体检测 |
参考资料¶
- Saleh & Teich, Fundamentals of Photonics (3rd Edition), Wiley — 第 16–17 章半导体和光纤激光
- Paschotta, Encyclopedia of Laser Physics and Technology: https://www.rp-photonics.com/encyclopedia.html
- IPG Photonics / Coherent / II-VI 工业激光器产品手册
更新时间¶
2026-03-03