激光器可以按照泵浦方式、增益介質、工作方式、輸出功率、輸出波長等不同維度進行分類,以下是各類激光器的種類及特點:
一、按泵浦方式分類
1.光泵浦激光器:利用外界光源發出的光來輻照工作物質以實現粒子數反轉,如紅寶石激光器、染料激光器等。優點是泵浦效率較高,可獲得較高的激光輸出功率;缺點是需要額外的光源作為泵浦源,增加了系統的復雜性和成本。
2.電泵浦激光器:通過電極施加電壓,使電流通過工作物質,利用電流產生的能量激發粒子實現粒子數反轉,如半導體激光器、部分氣體激光器等。優點是結構相對簡單,易于控制和調節;缺點是電光轉換效率相對較低,且在高功率輸出時可能會產生較大的熱效應。
3.化學泵浦激光器:利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵,如化學激光器。優點是輸出功率極高,可產生高強度的激光脈沖;缺點是化學反應釋放大量鹵化物,需使用散熱裝置才能保證反應持續進行,且反應級慢,成本較高。
4.熱泵浦激光器:利用熱能激發工作物質,如某些固體激光器。優點是泵浦源簡單,成本較低;缺點是熱效應較大,對工作物質的熱穩定性要求較高,且激光輸出功率相對較低。
5.核泵浦激光器:利用小型核裂變反應所產生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質,如核泵浦氦氬激光器等。優點是可產生高能量、高功率的激光;缺點是技術復雜,安全性要求高,且核廢料處理困難。
二、按增益介質分類
固體激光器:工作介質是絕緣晶體,一般采用光泵浦激勵。如紅寶石激光器、釹玻璃激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器等。優點是功率大、結構緊湊、使用方便;缺點是能量轉換效率較低,熱效應較大,對工作物質的制備要求較高。
1.氣體激光器:以氣體或蒸氣作為增益介質,根據增益介質的不同,分為原子(如He-Ne)、分子(如CO2)、離子(如Ar+)激光器等。優點是種類多,波長分布區域寬,頻率穩定性好,可實現最大功率連續輸出,結構簡單,造價低,轉換效率高;缺點是介質密度低,通常比其他類型的激光器大,且氣體激光器的維護成本相對較高。
2.液體激光器:以液體染料作為增益介質,將其以特定濃度溶解在溶劑中制成。優點是輸出的激光波長在很廣范圍內連續可調,可產生超短脈沖,輸出激光譜線窄,輸出功率高;缺點是介質壽命短,輸出功率受限,目前基本被缽藍寶石等波長可調的固體激光器取代。
3.半導體激光器:以半導體材料作為激光增益介質,如砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)等。優點是體積小、重量輕、成本低、可批量生產,能量轉換效率高,波長范圍廣,壽命長,易于調制;缺點是發散角大,單色性差,光束質量相對較差。
4.光纖激光器:用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質。優點是光束質量好,易于獲得單橫模輸出,且受外界因素影響很小,能夠實現高亮度的激光輸出;輸出激光波長多,稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類多;高效率,商業化光纖激光器的總體電光效率高達25%;散熱特性好,玻璃材料具有極低的體積面積比,散熱快、損耗低;結構緊湊,可靠性高,諧振腔內無光學鏡片,具有免調節、免維護、高穩定性的優點;制造成本低,玻璃光纖制造成本低、技術成熟及其光纖的可繞性所帶來的小型化、集約化優勢。
三、按工作方式分類
1.連續激光器:工作物質的激勵和相應的激光輸出,可以在一段較長的時間范圍內以連續方式持續進行。優點是輸出功率穩定,可實現高功率連續輸出;缺點是熱效應較大,對冷卻系統要求較高,且在一些對熱敏感的材料加工中可能會產生不良影響。
2.脈沖激光器:以脈沖形式輸出,主要特點是峰值功率高,熱效應小。根據脈沖時間長短,可進一步分為長脈沖(毫秒、微秒)、短脈沖(納秒)、超短脈沖(皮秒、飛秒)激光器。優點是可實現高精度加工,對材料的熱影響小,適用于對熱敏感的材料加工;缺點是脈沖能量和功率的穩定性相對較差,且對脈沖控制技術要求較高。
四、按輸出功率分類
1.小功率激光器:輸出功率一般在0-1kW,如部分半導體激光器、低功率的氣體激光器等。優點是體積小、成本低、易于攜帶和使用;缺點是輸出功率較低,適用于一些對功率要求不高的應用領域,如激光指示、激光通信、激光測量等。
2.中功率激光器:輸出功率在1kW-3kW,如中功率的光纖激光器、固體激光器等。優點是功率適中,可滿足大多數工業加工和科研應用的需求;缺點是相比高功率激光器,其加工效率和處理能力相對較低。
3.高功率激光器:輸出功率在3kW以上,如高功率的光纖激光器、二氧化碳激光器等。優點是可實現高功率密度的激光輸出,適用于對功率要求較高的應用領域,如激光切割、焊接、熔覆等;缺點是設備成本高,對冷卻系統和電源的要求較高,且在高功率輸出時可能會產生較大的熱效應和光束質量下降的問題。
五、按輸出波長分類
1.紅外激光器:輸出波長范圍處于0.76-3微米,如光纖激光器、部分氣體激光器等。優點是波長較長,可實現遠距離傳輸和大功率輸出,且對人眼的安全性相對較高;缺點是波長較長,對材料的吸收率相對較低,加工效率可能受到一定影響。
2.可見光激光器:輸出波長范圍處于380納米-780納米,如紅寶石激光器、氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器等。優點是波長處于可見光范圍,可直接觀察到激光束,便于調試和使用;缺點是波長較短,對材料的吸收率相對較高,但在一些對熱敏感的材料加工中可能會產生不良影響。
3.紫外激光器:輸出波長范圍處于200納米-400納米,如氮分子激光器、氟化氙準分子激光器、氟化氪(Krf)準分子激光器等。優點是波長較短,可實現高精度加工,對材料的熱影響小,適用于對熱敏感的材料加工;缺點是波長較短,對材料的吸收率相對較高,且紫外激光對人體和環境的危害較大,需要采取嚴格的防護措施。
審核編輯 黃宇
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