激光器系统：分类、特点及泵浦光源对比

4.1.3.1 激光器的结构、功能及分类

在激光加工中，激光器系统是产生激光束（热源）的关键部件之一。激光器是指主要通过受控受激发射过程产生或放大波长在180nm～1mm的电磁辐射的装置。通常由激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成，这三部分是产生激光的必要条件。表4.1-6所示为典型激光器的结构及各部分功能。表4.1-7给出了目前激光器的主要分类方式。

表4.1-6 典型激光器的组成部分及功能

表4.1-7 激光器的主要分类方式

4.1.3.2 固体激光器

1.固体激光器的优点和主要应用

目前常用的固体激光器有以红宝石、Nd∶YAG和钕玻璃为工作物质的三种形式。表4.1-8给出了固体激光器的主要优点和应用。

表4.1-8 固体激光器的主要优点和应用

2.固体激光器的基本结构

如图4.1-1所示，固体激光器主要由激光工作物质、泵浦光源、聚光腔、光学谐振腔等部分组成。

（1）工作物质 用于材料热加工的固体激光器的工作物质主要有红宝石、Nd：YAG和钕玻璃。表4.1-9给出了三种工作物质激光器的性能特点对比。

表4.1-9 三种工作物质固体激光器的特点比较

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（2）光泵浦系统 固体激光器采用的光泵浦系统包括泵浦光源、聚光腔及泵浦电源。在固体激光器中，激光物质内的粒子数反转是通过光泵的抽运实现的。电源的电能首先转变为泵浦光源的光能，然后再转变成固体激光器工作物质的储能。目前泵浦光源最常用的是惰性气体放电灯和激光二极管。惰性气体放电灯泵浦系统是常规固体激光器广泛使用的泵浦光源，主要分为用于脉冲工作方式的氙（Xe）灯和用于连续工作方式的氪（Kr）灯。随着二极管激光器（LD）技术和制造工艺的成熟，采用激光二极管作为泵浦光源的也越来越多。表4.1-10所示为固体激光器各种泵浦光源性能对比。表4.1-11所示为常用固体激光器泵浦光源的结构和说明。

图4.1-1 固体激光器基本结构示意图

1—全反射镜 2—聚光腔 3—工作物质 4—部分反射镜 5—激光 6—泵浦灯 7—泵浦电源

表4.1-10 固体激光器泵浦光源性能对比

表4.1-11 常用固体激光器泵浦光源的结构形式和说明

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（3）固体激光器的聚光腔 对于使用惰性气体放电灯泵浦的固体激光器，泵浦光在空间4π立体角内发射，需要使用聚光腔来提高泵浦光的转换效率和泵浦光辐射的均匀性。在激光二极管泵浦的情况下，为进一步提高光-光转换效率，有时也需要聚光腔。聚光腔的设计和选择应考虑以下几点：

1）激光棒的几何形状、尺寸和泵浦源形式。根据所用激光棒的大小、单灯或多灯泵浦而选用不同的聚光型。对二极管泵浦，还应按泵浦功率和泵浦耦合方式等决定是否用聚光腔或单面全反射器等。

2）对光传输效率和泵浦光分布均匀性等性能参数应综合考虑。

3）冷却要求、聚光腔的尺寸、重量及制造成本等，都是影响总体设计的重要因素。

表4.1-12所示为常用聚光腔的类型和结构形式。

（4）固体激光器的谐振腔 光学谐振腔是固体激光器的重要组成部分，它由全反射镜和部分反射镜组成，受激辐射光通过反馈在谐振腔中不断振荡放大，并由部分反射镜输出。最常用的固体激光器的谐振腔是由相向放置的两球面镜或平面镜组成，不同类型的腔型结构，对激光输出的功率、模式、光束发散角等都有直接的影响。表4.1-13列出了几种光学谐振腔的特点和示意图。

表4.1-12 常用聚光腔的类型和结构形式

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表4.1-13 光学谐振腔的特点和示意图

3.激光器调Q技术

连续激光器使用Q开关技术（调Q），将连续输出的激光调制成具有高峰值功率的脉冲输出。Q开关在激光谐振腔内，通过快速切断和导通激光光路，来调制激光频率，图4.1-2所示为声光调Q激光器示意图。调Q技术自从1962年出现以来，发展极为迅速，采用这种技术可以获得峰值功率在兆瓦级以上，脉冲宽度为纳秒级的激光脉冲。

调Q是一种基于激光谐振腔的品质因数进行调节的技术，Q值越高，激光振荡越容易，Q值越低，激光振荡越难。在光泵浦开始时，使谐振腔内的损耗增大，降低腔内Q值，让尽量多的低能态粒子抽运到高能态去，达到粒子数反转的目的。由于Q值低，故不会产生激光振荡。当激光上能级粒子数达到最大值（饱和值）时，设法突然使腔内的损耗变小，Q值突增，这时激光振荡迅速建立。如果处于激光上能级的粒子像雪崩一样地跃迁到激光下能级，使之在极短时间内达到反转，粒子数大量被消耗，则在输出端可得到一个极强的激光巨脉冲输出，其脉冲宽度通常在10^-6～10^-9s数量级，脉冲峰值功率可达10⁸～10⁹W以上。

图4.1-2 声光调Q激光器示意图

1—全反射镜 2—声光调Q器件 3—YAG介质 4—半反射镜 5—连续电源 6—高频振荡电源 7—氪灯(www.xing528.com)

目前在激光加工中采用的有电光调Q、声光调Q、染料调Q和机械调Q等。但采用最多的是电光调Q和声光调Q两种。

电光调Q是利用在晶体上加电场，使晶体的折射率产生变化的“电光效应”原理来实现调Q的。具有反应时间短、结构简单、使用寿命长、重复性好等优点。对Nd：YAG激光器进行电光调Q，可获得脉冲宽度小于10ns、脉冲峰值功率大于10⁶W的激光输出。

声光调Q的原理是当激光通过声光介质中的超声场时，产生布拉格衍射，使光束偏离谐振腔，导致腔内损耗增大，Q值下降。当撤出超声场时，Q值即刻猛增，此时可获得巨脉冲输出。声光调Q在激光加工中得到了广泛应用（包括激光打标、焊接和微雕等）。

4.1.3.3 气体激光器

1.气体激光器的特点、分类和激励方式

以单一气体、混合气体或蒸汽作为激光工作物质的激光器称为气体激光器。气体激光器的主要特点、分类和激励方式见表4.1-14。

表4.1-14 气体激光器的主要特点、分类和激励方式

2.高功率CO₂激光器

自从1964年研制成功第一台CO₂激光器以来，由于CO₂在电光转换效率和输出功率等方面具有明显的优势，这种激光器得到了迅猛发展。目前它是工业应用中功率最大、光转换效率最高、种类较多、应用较广泛的气体激光器。CO₂激光器可连续波工作和脉冲工作。连续波输出功率已达到数十万瓦，2×10⁴W的连续波功率器件已商品化。CO₂激光器是所有激光器中连续波输出功率最高的激光器。脉冲输出能量达数万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒级，脉冲功率密度高达10¹²W/mm²，可与高功率固体激光器的水平相媲美。CO₂激光器的能量转换效率高达20%～25%，是能量利用率最高的激光器之一。CO₂激光器的输出谱带也相当丰富，主要波长分布在9～11μm，正好处于大气传输窗口，十分适宜在制导、测距和通信上的应用。同时，用作研究物质在10.6μm的非线性光学现象，在工业加工及医疗方面都具广阔的应用前景，并且CO₂激光器种类繁多，性能各异，给高功率激光的工业提供了有效的手段。表4.1-15给出了高功率CO₂激光器的工作原理、分类、主要特性、激励方式和应用，表4.1-16介绍了三种形式的高功率CO₂激光器的结构和特性。

表4.1-15 高功率CO₂激光器的工作原理、分类、主要特性、激励方式和应用

表4.1-16 三种形式的高功率CO₂激光器的结构和特性

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3.准分子激光器

它的工作物质是准分子气体。准分子是一种在激发态复合成的分子，而在基态则离解成原子的不稳定缔合物。准分子只在激发态时才以分子形式存在，其基态的平均寿命很短，仅为10～13s，当从激发态跃迁到基态时，很快便离解成独立的原子。准分子激光为紫外短脉冲激光，波长范围为193～351nm，约是YAG波长的1/5，CO₂波长的1/50，单光子能量可达到7.9eV，高于大部分分子的化学键能，能直接深入材料分子内部进行加工。表4.1-17列出了准分子激光器的分类、工作物质、结构、工作原理、工作方式和产品技术参数。

表4.1-17 准分子激光器的分类、工作物质、结构、工作原理、工作方式和产品技术参数

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4.氦氖激光器（原子激光器）

氦氖激光器是最早问世的气体激光器。氦氖激光器是连续波运转，主要波段在可见光区或近红外区。工作物质是He₂和Ne₂的混合气体，比例是5∶1，工作压力为0.4～4kPa。氖为激活物质，通常运转的谱线波长为632.8nm，单横模输出功率在50mW/m量级水平。氦氖激光器的主要特点是输出光束的单色性、方向性好，输出功率和频率稳定度高，并有结构简单紧凑、制作容易、使用方便、寿命长等优点，因而氦氖激光器已广泛应用于检测、导向、精密计量、全息照相、信息处理、医学等方面。

光学谐振腔由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹腔形式。平面镜为输出镜，透过率依赖于激光器长度，约为1%～2%。凹面镜为全反射镜，反射率接近100%。

放电管由毛细管和储气管构成。毛细管处于增益介质工作区，因此毛细管的尺寸和质量是决定激光器输出性能的关键因素。储气管与毛细管相连，为了使放电只限制在毛细管内，在毛细管的一端装有隔板。储气管的作用是为了增加放电管的工作气体总量，保证毛细管内的气体得到不断更新，延长了器件寿命。普通的氦氖激光器的放电管一般采用GG₁₇硬质玻璃制成。对输出功率和波长要求稳定性高的器件通常用热膨胀系数更小的石英玻璃制作。

连续工作的氦氖激光器多采用直流放电激励的方式，起辉电压和工作电压与激光器的结构参数和放电条件有关，放电长度为1m的激光器，起辉电压在8kV左右；氦氖激光器的工作电流在几毫安到几百毫安的范围内。

氦氖激光器的放电电极多采用冷阴极形式，冷阴极材料多用溅射率小、电子发射率高的铝或铝合金。为增加电子发射面积，降低阴极溅射，阴极通常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸。阳极一般用钨针制成。

近年来，放电管与反射镜片、窗片的封接工艺技术取得了显著的进展，目前，用玻璃粉加热的“硬封接”工艺已替代以往的环氧树脂封贴，提高了密封可靠性，进而提高了氦氖激光器的工作和存放寿命。

5.高功率CO激光器

CO激光器良好的加工优势已受到人们的重视，其主要发展方向为快速流动结构，是下一代最有希望的加工激光器之一。它具有的主要优缺点见表4.1-18。

表4.1-18 CO激光器的主要优、缺点

4.1.3.4 光纤激光器

工作物质是光纤的激光器称为光纤激光器，工作物质是掺稀土元素的增益光纤，可长达几十米到几百米。表4.1-19列出了光纤激光器的分类、工作物质、组成、结构、特点和产品技术参数。

表4.1-19 光纤激光器的分类、工作物质、组成、结构、特点和产品技术参数

4.1.3.5 大功率半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料（主要是化合物半导体）为工作物质，以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器。半导体激光器最早被用于光纤通信中的光信号发射器、条码阅读器、光盘刻录机等方面。表4.1-20所示为各类型半导体激光器性能对照。

表4.1-20 各类型半导体激光器性能对照表

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大功率半导体激光器（输出功率大于1W）的工作物质是一种层状结构。一般以GaAs为衬底，衬底上覆盖其他化合物层，这些化合物是由Ⅲ族（Al、Ga、In）元素和Ⅴ族（As、P）元素组成的二元、三元或四元半导体类化合物。双异质结的LD激光器的基本结构如图4.1-3所示。

目前大功率半导体激光器不断引入到工业应用中，这种激光器结构更紧凑、容易水冷并且光电转换效率超过50%。Rofin激光器公司的DL系列半导体激光器是基于半导体单元冷却与堆栈技术优化的产物，可以达到与传统气体或固体激光器相竞争的功率。半导体激光器的光电转换效率高达25%，结构紧凑，免维护；输出功率范围达到750～3000W；主要应用于表面硬化、焊接、熔覆、钎焊、表面处理。DL-Q系列半导体激光器的主要技术参数见表4.1-21。

图4.1-3 双异质结构LD

表4.1-21 DL-Q系列半导体激光器的主要技术参数