秒懂!光源选型宝典(一)
发布时间:2024-07-08 17:13:04 阅读次数:851

 

当光学系统中需要配套光源时,对光源的选型主要依据于该光学系统设计中对光源的辐射特性的需求,例如: 激光器类型、功率、波长、空间分布、传播方式、时域等参数,下列以不同的辐射特性对光源进行简单的介绍。

 

 

激光器类型

激光器(laser,全称为: light amplification by stimulated emission of radiation,即受激辐射的光放大)由增益介质、泵浦源、谐振腔三个核心元件构成; 泵浦源为增益介质中产生粒子数反转提供能量; 增益介质充当粒子数反转的介质,决定激光辐射的性能; 谐振腔提供激光放大的反馈机制,决定激光器输出的光谱特性和空间特性,使自发辐射的非相干光子有选择的返回增益介质,受激辐射复制这些光子,在不断反射和放大过程中产生大量相干光子再通过部分反射镜出射,输出激光束。 因此,激光器是相干光源
图1.激光器工作原理示意图

激光器通常以产生受激辐射的辐射物质来分类,这些物质包括稀薄气体中的原子分子、低浓度液体中的有机分子、半导体材料、掺杂高浓度离子的晶状固体和玻璃类介电材料,可将激光器分为气体、液体、半导体和固体激光器

气体激光器,增益介质通常为充入玻璃管或陶瓷管的低压气体、气体混合物。 在管两端施加电压,即可在管内产生电流,为粒子数反转提供能量。 气体通常非常稀薄,因此气体激光器的波长带宽通常非常窄。 气体作为增益介质种类较多,以工作波长来分类有: 紫外波长的准分子激光器、可见光波段的氩离子和氦氖激光器、中红外波段的二氧化碳激光器等。 气体激光器应用广泛,准分子激光器用于眼科手术,二氧化碳激光器用于激光加工,氦氖激光器多用于干涉测量、全息、扫描成像等。 目前LBTEK可提供经济型氦氖激光器、高端氦氖激光器和稳频氦氖激光器系列。

图2.氦氖激光器

液体激光器,又称染料激光器,通常有机染料分子的上能级寿命非常长,能够从上能级直接辐射能量,为了确保增益介质适当的浓度,粉末状的染料分子通常会以万分之一的浓度溶解在溶剂中。 染料激光器的泵浦源通常用闪光灯或其他激光。 每一种染料分子,均具有50nm左右的宽带增益,因此通过使用不同的染料分子,激光器可实现从紫外、可见光到近红外的宽光谱调谐。 液体激光器一般可用于光谱学领域。

半导体激光器,又称激光二极管,因为工作原理和二极管类似,均为电流沿结的正向流动,将电荷载流子注入到p-n结中发生辐射。 当电流足够大时,即可实现粒子数反转,发生受激辐射。 半导体材料与空气相比折射率较大,因此半导体晶体表面可直接作为谐振腔。 目前半导体行业发展迅速,半导体制作工艺成熟,因此激光二极管相比于其他类型的激光器具有更多的优势,例如高质量、可定制型、高功率、低功耗、小尺寸等,已在众多领域均替代其他类型激光器。 目前LBTEK可提供多波长、多功率、多规格的半导体激光器,且支持多种参数的半导体激光器定制服务。
图3.半导体激光器

固体激光器,通常以掺杂高浓度离子的晶状固体和玻璃类基体材料作为增益介质,这些基体材料的晶格可使离子有足够的掺杂浓度,又将离子彼此相隔,以保护离子间不发生相互作用。 固体激光器通过闪光灯或其他激光的光泵浦实现粒子数反转。 由于基体材料和掺杂离子种类较多,固体激光器的种类也较多,例如: Nd:YAG激光器、惨钛蓝宝石激光器、铒玻璃激光器等。 固体激光器具有功率高、空间分布质量高、功率稳定等优点,在材料加工、激光雷达、军工等领域有较多应用。

横模
垂直激光器光轴传输方向平面上的光斑的能量分布情况,即为横模 。 每个横模均有不同的空间分布,调整激光腔反射镜并在腔内插入小孔可以有选择性的衰减其他模式。 沿着激光腔中心轴传输的最低阶模式为基模(TEM00),基模是理想模式,因为该模式传输的光束发散角最小,且聚焦光斑也最小。 TEM00模的激光光斑拥有高斯函数描述的能量分布。

图4.TEM00模的激光光斑能量分布图

激光的基模在光学实验中应用最为广泛。 然而,高阶模式在许多领域中也起到了重要的作用,如空间压缩纠缠光的产生、生物细胞或组织的运动测量、STED超分辨成像等。 关于高阶横模的介绍,可以查看小麓讲堂之 《激光高阶横模介绍》

纵模

纵模对应一个输出的波长,通常用于描述激光频率 。 单纵模激光器即指激光只输出只有单个波长,而普通激光器内有多个波长输出,具体表现为谱线宽度参数,可用频率(GHz、MHz、kHz)或波长(nm)表示,波长和频率的换算公式如式①。 单纵模激光器谱线宽度极窄,而普通激光器线宽较宽,该参数同时也会影响到激光器的相干性和相干长度,相干长度计算如式②。 如下左图为单纵模激光器LBL-532-100mW承诺的谱线宽度值,右图为普通激光二极管LM32-405-C的光谱强度分布曲线。
    \( \Delta V=\frac{C\times\Delta\lambda}{\lambda^{2}} \)
         \( \Delta \chi=\frac{C}{\Delta V} \)

激光器通常也被称为光学振荡器,激光器如果要发出激光,谐振腔内的光必须发生相干叠加或相长干涉,只有谐振腔长L为半波长整数倍时,才能在多次来回振荡下实现光的放大,而由增益介质输出的其他不满足振荡条件的光即会在来回振荡下衰减,直到清零。

纵模间隔,又称为频率间隔,即为激光器输出光束的波长用频率表示时,在频域的相邻间隔值,计算如下公式③,其中,C为光速。
\( \Delta L=\frac{C}{2L} \)

见下图,每一条频率谱线均表示该激光器输出的一个波长,当一台激光器输出的纵模较多时,则激光谱线宽度显著增宽。

 

×
联系客服