常見雷射類型

雷射資源指南第3.1部份

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雷射通常是以用於光線放大的增益媒介進行分類。常見的增益媒介類型為氣體、半導體（二極體）及固態。雷射系統關鍵參數請參閱雷射系統關鍵參數。

常見工業雷射類型

圖 1 顯示 23 種最常見的雷射及其波長、作業模式和一般增益媒介。

圖 1: 常見的商用雷射與一般作業模式及增益媒介，其中 CW 代表連續波 ^2,3

氣體雷射, （例如氦氖雷射 (HeNe)）常用於度量應用，因為這類雷射波束品質高，同調長度長。而二氧化碳 (CO₂) 雷射等其他類型的氣體雷射，則常用於材料加工，原因是能夠達到非常高的平均功率。

二極體雷射 包含半導體 p-n 接點作為增益媒介，其中具有最高的功率成本比，並受益於高功率轉換效率、高量子效率，以及各式各樣的可用波長。二極體雷射應用範圍廣泛，包括電信、材料加工、條碼掃描、醫療雷射及 LIDAR 系統。

固態雷射 利用晶體或玻璃材料，並摻入過渡金屬或稀土離子，常用於各種高功率應用，例如材料加工及醫療雷射；這是因為這類雷射可以達到最高的尖峰功率，超越所有市面上的商用雷射。³ 不過固態增益媒介較難冷卻，因此會對重複率及平均功率造成限制。

固態雷射的兩種特殊案例分別是量子串接雷射 (QCL) 及帶間串接雷射 (ICL)。 QCL 為可調諧的半導體中 IR 雷射，於薄半導體層（或稱“阱”）交替層之中以子帶間過渡的方式運作。子帶間過渡是指傳導帶內部量子化能態之間的激發 (圖 2)。由於阱非常小，量子效應將會接管，而發射波長將依據阱厚度函數進行偏移。QCL 可結合量子及串接效應，在長波長產生高功率。大部分商用 QCL 波長約為 4 - 11μm，但商用 QCL 波長的極限範圍介於 2.63 - 150μm 之間。^4,5,6

ICL 與 QCL 的類似之處，在於使用層狀半導體結構及量子阱提供中IR 雷射，但光子是透過帶間產生而不是子帶間過渡 (圖 2)。ICL運作時能夠使用比 QCL 更低的輸入功率。

圖 2:比較串接雷射的 (a) 帶間及 (b) 子帶間過渡

光纖雷射是特殊類型的固態雷射，使用摻有稀土離子的光纖作為增益媒介，最適合用於在高度精密的加工和醫療應用中，建立非常精細的特徵，因為其中包含單一光學模式的高平均功率，並具備高光束品質。

薄盤雷射是另一種特殊類型的固態雷射，使用非常薄的盤狀固態物質作為增益媒介。這種雷射在光纖雷射和其他固態雷射之間取得平衡，一方面可達到高尖峰功率及增益，同時其幾何形狀也容易冷卻，藉此提升重複率及平均功率。不過這類雷射需要複雜的系統設計，因此成本高於其他雷射類型。

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參考資料

Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
Lasers and Their Uses Reference Wall Chart. Photonics Media, 2010
Weber, Marvin J. Handbook of laser wavelengths. CRC Press, 1999. ISBN 978-0-8495-3508-2.
Cathabard, O., Teissier, R., Devenson, J., Moreno, J.C. and Baranov, A.N., 2010. Quantum cascade lasers emitting near 2.6 μ m. Applied Physics Letters, 96(14), p.141110.
Walther, C., Fischer, M., Scalari, G., Terazzi, R., Hoyler, N. and Faist, J., 2007. Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz. Applied Physics Letters, 91(13), p.131122.
Wade, A., Fedorov, G., Smirnov, D., Kumar, S., Williams, B.S., Hu, Q. and Reno, J.L., 2009. Magnetic-field-assisted terahertz quantum cascade laser operating up to 225 K. Nature Photonics, 3(1), pp.41-45.

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