激光器分類可以有兩種方法對激光器進行分類。一種是從激活媒質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)面分類。這樣可分為氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器。各類激光器各有特色。氣體激光器的單色性強，如氦—氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍，而且氣體激光器工作物質(zhì)種類繁多，因此可產(chǎn)生許多不同頻率的激光。但是，由于氣體密度低，激光輸出功率相應(yīng)較小；固體激光器則正好相反，能量高，輸出功率大，但工作物質(zhì)種類較少，而且單色性差；液體激光器的最大特點是激光的波長可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變換。這種激光器特別適合于對激光波長有著嚴格要求的場合；半導(dǎo)體激光器的特點則是體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，但輸出的功率較小，單色性也較差。另一種分類方式是按激活媒質(zhì)的粒子結(jié)構(gòu)來分類，可以分為原子、離子、分子和自由電子激光器。氦——氖激光器產(chǎn)生的激光是由氖原子發(fā)射的，紅寶石激光器產(chǎn)生的激光則是由鉻離子發(fā)射的。另外還有二氧化碳分子激光器，它的頻率可以連續(xù)變化。而且可以覆蓋很寬的頻率范圍。各種激光器中激活媒質(zhì)的方法也不盡相同。一般來說可分為三種方法：使用高強度的光，從帶電源來的電子，以及較少用的第三種方法——核輻射。
光纖通信所用的激光器在光纖通信中，所用的光源有三種：半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管和非半導(dǎo)體激光器。在實際的光纖通信系統(tǒng)中，通常選用前兩種。而非半導(dǎo)體激光器，如氣體激光器、固體激光器等，雖然它們是最早制成的相干光源，但由于其體積太大，不適宜與體積小的光纖配合使用，只用于一些特殊場所。
半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器即為激光二極管，記作LD。它是前蘇聯(lián)科學(xué)家H.Γ.巴索夫于1960年發(fā)明的。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。半導(dǎo)體激光器的發(fā)光是利用光的受激輻射原理。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的大多數(shù)電子在受到外來入射光子激勵時，會同步發(fā)射光子，受激輻射的光子和入射光子不僅波長相同，而且相位、方向也相同。這樣由弱的入射光激勵而得到了強的發(fā)射光，起到了光放大作用。但是僅僅有光放大功能還不能形成光振蕩。正如電子電路中的振蕩器那樣，只有放大功能不能產(chǎn)生電振蕩，還必須設(shè)計正反饋電路，使電路中所損失的功率由放大的功率得以補償。同樣，在激光器中也是借用電子電路的反饋概念，把放大了的光反饋一部分回來進一步放大，產(chǎn)生振蕩，發(fā)出激光。這種用于實現(xiàn)光的放大反饋的儀器稱為光學(xué)諧振腔。半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。
半導(dǎo)體發(fā)光二極管 半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器類似，也是一個PN結(jié)，也是利用外電源向PN結(jié)注入電子來發(fā)光的。半導(dǎo)體發(fā)光二極管記作LED，是由P型半導(dǎo)體形成的P層和N型半導(dǎo)體形成的N層，以及中間的由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光區(qū)，其厚度為0.1～0.2μm左右。
半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)公差沒有激光器那么嚴格，而且無諧振腔。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下，N區(qū)的電子將向正方向擴散，進入有源層，P區(qū)的空穴也將向負方向擴散，進入有源層。進入有源層的電子和空穴由于異質(zhì)結(jié)勢壘的作用，而被封閉在有源層內(nèi)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這些在有源層內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的電子，經(jīng)躍遷與空穴復(fù)合時，將產(chǎn)生自發(fā)輻射光。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，工作電流小，使用方便，成本低，所以在光電系統(tǒng)中的應(yīng)用極為普遍。
激光器分類的方法有很多，可以按照它切割的材料來分，可以按照它的功率的大小來分，可以按照波段分。激光設(shè)備按照波段可分為可見光、紅外、紫外、X光、多波長可調(diào)諧 。目前工業(yè)用紅外及紫外激光，例如CO2激光器10.64um紅外激光, 氪燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光, 氙燈泵浦YAG激光器1.064um紅外激光, 半導(dǎo)體側(cè)面泵浦YAG激光器1.064um紅外激光。
激光器的種類很多，可分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體和染料等幾種類型：
（ 1 ）固體激光器一般小而堅固，脈沖輻射功率較高，應(yīng)用范圍較廣泛。如：Nd:YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁石榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。
（ 2 ）半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單，特別適于在飛機、軍艦、車輛和宇宙飛船上使用。半導(dǎo)體激光器可以通過外加的電場、磁場、溫度、壓力等改變激光的波長，能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能，所以發(fā)展迅速。
（ 3 ）氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)，單色性和相干性較好，激光波長可達數(shù)千種，應(yīng)用廣泛。氣體激光器結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作方便。在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、精密測量、全息技術(shù)等方面應(yīng)用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學(xué)能、光能、核能等多種激勵方式。
（ 4 ）以液體染料為工作物質(zhì)的染料激光器于 1966 年問世，廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究領(lǐng)域。現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的能產(chǎn)生激光的染料，大約在 500 種左右。這些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它們還可以包含在有機塑料中以固態(tài)出現(xiàn)，或升華為蒸汽，以氣態(tài)形式出現(xiàn)。所以染料激光器也稱為 “ 液體激光器 ” 。染料激光器的突出特點是波長連續(xù)可調(diào)。燃料激光器種類繁多，價格低廉，效率高，輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美，應(yīng)用于分光光譜、光化學(xué)、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)。
（ 5 ）紅外激光器已有多種類型，應(yīng)用范圍廣泛，它是一種新型的紅外輻射源，特點是輻射強度高、單色性好、相干性好、方向性強。
（ 6 ） X 射線激光器在科研和軍事上有重要價值，應(yīng)用于激光反導(dǎo)彈武器中具有優(yōu)勢；生物學(xué)家用 X 射線激光能夠研究活組織中的分子結(jié)構(gòu)或詳細了解細胞機能 ; 用 X 射線激光拍攝分子結(jié)構(gòu)的照片 , 所得到的生物分子像的對比度很高。
（ 7 ）化學(xué)激光器 有些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生足夠多的高能原子，就可以釋放出大能量，可用來產(chǎn)生激光作用。
（ 8 ）自由電子激光器 這類激光器比其他類型更適于產(chǎn)生很大功率的輻射。它的工作機制與眾不同，它從加速器中獲得幾千萬伏高能調(diào)整電子束，經(jīng)周期磁場，形成不同能態(tài)的能級，產(chǎn)生受激輻射。
（ 9 ）準分子激光器、光纖導(dǎo)波激光器等。
激光器原理概述及應(yīng)用
激光器是能發(fā)射激光的裝置。1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應(yīng)用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類。近來還發(fā)展了自由電子激光器，其工作介質(zhì)是在周期性磁場中運動的高速電子束，激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。按工作方式分，有連續(xù)式、脈沖式、調(diào)Q和超短脈沖式等幾類。大功率激光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所發(fā)射的激光波長已達數(shù)千種，最長的波長為微波波段的0.7毫米，最短波長為遠紫外區(qū)的210埃，X射線波段的激光器也正在研究中。
除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，裝置的必不可少的組成部分包括激勵（或抽運）、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)和諧振腔（見光學(xué)諧振腔）3部分。激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵方式有光學(xué)激勵、電激勵、化學(xué)激勵和核能激勵等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實現(xiàn)光放大。諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的定向性和相干性。
激光工作物質(zhì) 是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。
激勵(泵浦)系統(tǒng) 是指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。①光學(xué)激勵(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質(zhì)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成。②氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學(xué)激勵。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。④核能激勵。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質(zhì)并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。
光學(xué)共振腔通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：①提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。②對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①，是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對腔內(nèi)不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。
幾種常見激光器及其用途介紹如下：
Nd：YAG激光器，1064nm，固體激光器，連續(xù)激光器的最大輸出功率1000W，可用于激光切割金屬。
Ho：YAG，固體激光器，可產(chǎn)生對人眼安全的2097nm和2091nm激光，適用于雷達和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
He-Ne激光器，632.8nm，氣體激光器，功率為幾mW，用于準直，定位，全息照相等。
CO2激光器，氣體激光器，輸出波長10.6um，廣泛用于激光加工，醫(yī)療，大氣通信及其他軍事應(yīng)用。
N2分子激光器，氣體激光器，輸出紫外光，峰值功率可達數(shù)十兆瓦，脈寬小于10ns，重復(fù)頻率為數(shù)十至數(shù)千赫，作可調(diào)諧燃料激光器的泵浦源，也可用于熒光分析，檢測污染等方面。
實現(xiàn)激光波長調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長范圍內(nèi)才有很低的損耗。因此，第一種是通過某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區(qū)所對應(yīng)的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(shù)（如磁場、溫度等）使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應(yīng)實現(xiàn)波長的變換和調(diào)諧（見非線性光學(xué)、受激喇曼散射、光二倍頻，光參量振蕩）。屬于第一種調(diào)諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調(diào)諧高壓氣體激光器和可調(diào)諧準分子激光器。
可調(diào)諧激光器從實現(xiàn)技術(shù)上看主要分為：電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)和機械控制技術(shù)等類型。
其中電控技術(shù)是通過改變注入電流實現(xiàn)波長的調(diào)諧，具有ns級調(diào)諧速度，較寬的調(diào)諧帶寬，但輸出功率較小，基于電控技術(shù)的主要有SG-DBR（采樣光柵DBR）和GCSR（輔助光柵定向耦合背向取樣反射）激光器。溫控技術(shù)是通過改變激光器有源區(qū)折射率，從而改變激光器輸出波長的。該技術(shù)簡單，但速度慢，可調(diào)帶寬窄，只有幾個nm。基于溫控技術(shù)的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布喇格反射）激光器。機械控制主要是基于MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)完成波長的選擇，具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率?；跈C械控制技術(shù)的主要有DFB（分布反饋）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）等結(jié)構(gòu)。下面從這幾個方面可調(diào)諧激光器的原理進行說明。
基于電流控制技術(shù)
基于電流控制技術(shù)的一般原理是通過改變可調(diào)諧激光器內(nèi)不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流，從而使光纖光柵的相對折射率會發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的光譜，通過不同區(qū)域光纖光柵產(chǎn)生的不同光譜的疊加進行特定波長的選擇，從而產(chǎn)生需要的特定波長的激光。
一種基于電流控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用SGDBR（Sampled Grating Distributed Bragg Reflector）結(jié)構(gòu)。
該類型的激光器主要分為半導(dǎo)體放大區(qū)、前布喇格光柵區(qū)、激活區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布拉格光柵區(qū)。其中前布喇格光柵區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布喇格光柵區(qū)分別通過不同的電流來改變該區(qū)域的分子分布結(jié)構(gòu)，從而改變布喇格光柵的周期特性。
對于在激活區(qū)（Active）產(chǎn)生的光譜，分別在前布喇格光柵區(qū)和后布喇格光柵區(qū)形成頻率分布有較小差異的光譜。對于需要的特定波長的激光，可調(diào)諧激光器分別對前布喇格光柵和后布喇格光柵施加不同電流，使得在這兩個區(qū)域產(chǎn)生只有此特定波長重疊其他波長不重疊的光譜，從而使需要的特定波長能夠輸出。同時該種激光器還包含半導(dǎo)體放大器區(qū)，使輸出的特定波長的激光光功率達到100mW或者20mW。
基于機械控制技術(shù)
基于機械控制技術(shù)一般采用MEMS來實現(xiàn)。一種基于機械控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用MEMs-DFB結(jié)構(gòu)。
可調(diào)諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和其他控制與輔助部分。
對于DFB激光器陣列區(qū)存在若干個DFB激光器陣列，每個陣列可以產(chǎn)生帶寬約為1.0nm內(nèi)的間隔為25Ghz的特定波長。通過控制MEMs鏡片旋轉(zhuǎn)角度來對需要的特定波長進行選擇，從而輸出需要的特定波長的光。
另一種基于VCSEL結(jié)構(gòu)ML系列系列的可調(diào)諧激光器，其設(shè)計基于光泵浦垂直腔面發(fā)射激光器，采用半對稱腔技術(shù)，利用MEMS實現(xiàn)連續(xù)的波長調(diào)諧。同時通過此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調(diào)諧范圍，熱敏電阻和TEC封裝在一起，以便在寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的輸出。為了精確頻率控制一個寬帶波長控制器被集成同一管殼內(nèi)，前端分接光功率檢測器及光隔離器用于提供穩(wěn)定的輸出功率。這種可調(diào)激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。
對于這種原理的可調(diào)諧激光器主要缺點是調(diào)諧時間比較慢，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時間。
基于溫度控制技術(shù)
基于溫度控制技術(shù)主要應(yīng)用在DFB結(jié)構(gòu)中，其原理在于調(diào)整激光腔內(nèi)溫度，從而可以使之發(fā)射不同的波長。
一種基于該原理技術(shù)的可調(diào)激光器的波長調(diào)節(jié)是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的變化實現(xiàn)的。模塊內(nèi)置有FP標準具和光功率檢測，連續(xù)光輸出的激光可被鎖定在ITU規(guī)定的50GHz間隔的柵格上。模塊內(nèi)有兩個獨立的TEC，一個用來控制激光器的波長，另一個用來保證模塊內(nèi)的波長鎖定器和功率檢測探測器恒溫工作。模塊還內(nèi)置有SOA來放大輸出光功率。
這種控制技術(shù)的缺點是單個模塊的調(diào)諧的寬度不寬，一般只有幾個nm，而且調(diào)諧時間比較長，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時間。
目前可調(diào)諧激光器基本上均采用電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)或機械控制技術(shù)，有的供應(yīng)商可能會采用這些技術(shù)的一種或兩種。當然隨著技術(shù)的發(fā)展，也可能會出現(xiàn)其他新的可調(diào)諧激光器控制技術(shù)。
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