固体激光器课件.pptx
固体激光器第一节第一节 概述概述固体激光器在激光器家族中具有最长的历史。在其发展进程中,我国的科学工作者曾做出过重要的贡献。我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝小球照明红宝石激光石激光器”,1961年8月诞生于中国科学院长春光机所。激光器的设计师是王之江教授。王之江教授王之江教授。王之江教授因此被中国光学界尊称为“中国激光之父中国激光之父”。“小球照明红宝石激光器”在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步,主要表现在泵浦氙灯采用直管式泵浦氙灯采用直管式,而而非螺旋形非螺旋形;红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球心附近。心附近。这种结构可以获得更高的泵浦效率得更高的泵浦效率。直至今天,闪光灯泵浦的固体激光器还大都采用这种方式。中国第一台激光器-“小球照明红宝石”激光器在当时激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率第一节第一节 概述概述固体激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有闪光灯和半导体激光二极管两类。固体激光器的波长覆盖范围主要位于可见光近红外波段,激光谱线数千条,具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲激光器,单脉冲输出能量可达数万焦)、运转方式多样等特点。器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输。固体激光器主要应用于工业、国防、科研、医学等领域,如激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。第一节第一节 概述概述固体工作物质由固体基质材料和少量掺杂离子(金属离子)两部分构成。其中固体工作物质的物理性能由基质材料体现,而其光谱特性则由掺杂离子决定。基质材料有晶体和玻璃两大类。晶体又分为氧化物晶体和氟化物晶体。氧化物晶体有单一氧化物和混合氧化物。单一氧化物晶体如Al2 O3,混合氧化物晶体如石榴石型晶体YAG、YAP。氟化物晶体也有单一氟化物,如CaF2晶体和混合氟化物,如LiYF4 晶体。玻璃则有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。第一节第一节 概述概述掺杂离子有四类掺杂离子有四类:(1)三价稀土金属离子:如钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、镝(Dy3+)、钬(Ho3+)、铒(Er3+)、镱(Yb3+)等。(2)二价稀土金属离子,如钐(Sm2+)、铒(Er2+)、铥(Tm2+)、镝(Dy2+)等。(3)过渡金属离子,如钛(Ti3+)、铬(Cr)、镍(Ni3+)、钴(Co3+)等。(4)锕系金属离子,多具有放射性,不易制备,其中,只有铀(U3+)曾有所应用。第一节第一节 概述概述 固体激光器工作物质十分丰富,达数百种,从中已获得激光谱线数千条。在一般固体工作物质中,参与受激辐射作用的离子浓度约为1025 1026 m 3,比气体工作物质高34个数量级以上,且固体工作物质激光上能级的寿命也比较长,因此固体激光器比较容易获得大能量输出.第一节第一节 概述概述固体工作物质通常加工成圆棒状(也有盘片状的),棒侧面磨毛。对棒两端面的加工要求很高:两端面为垂直于棒轴向的平行平面,平行误差在510之间;端面与棒轴向的垂直度1;端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部寄生振荡,端面镀有增透膜。也有一些其中一个端面镀银，成为全反射面，另一个端面镀成透射率10%的部分反射面。第二节第二节 光泵浦系统光泵浦系统固体激光器一般采用光泵浦。主要的泵浦光源有惰性气体放电灯(脉冲氙灯、连续氪灯等)、半导体激光二极管金属蒸气灯(汞灯、钠灯等)卤化物灯(碘钨灯、溴钨灯等)四类。惰性气体放电灯具有辐射强度高、既能脉冲工作又能连续工作、工艺简单、使用方便等优点,应用最为广泛。惰性气体放电灯与聚光腔共同构成固体激光器的灯泵浦系统。半导体激光二极管泵浦固体激光器较之其他的泵浦方式具有最高的泵浦效率,代表了固体激光器的一个发展方向。第二节第二节 光泵浦系统光泵浦系统1 惰性气体放电灯1)惰性气体放电灯的结构及性惰性气体放电灯的结构及性能参数能参数惰性气体放电灯的结构由工作气体、电极和灯管三部分组成。工作气体一般采用氙或氪。电极采用高熔点、高电子发射率、低溅射的金属材料,常用钨、钍钨等材料。灯管则通常采用耐高温、透光性好、机械强度高的石英玻璃。结构形式有直管(比较常用)和螺旋之分,如图3.31所示。弧光灯第二节第二节 光泵浦系统光泵浦系统惰性气体放电灯在工作方式上分为脉冲和连续两种,如脉冲氙灯,连续氪灯。惰性气体放电灯工作于弧光放电状态,脉冲氙灯的常用规格及其性能参数见表1其中着火电压是在正常触发下,能产生弧光放电的灯两极间所加的最低电压。对脉冲灯而言,其使用寿命与最大输入能量密切相关。平均寿命是在表中输入参数下测得的结果。灯使用一段时间后,管壁出现严重的白色和黑色沉积物,着火电压升高,不能正常启动,或发光功率降低到初始值的80%,或灯管破裂,都认为寿命终止。为了提高寿命,使用时不应输入功率、电压太高,并尽量加宽放电时间,防止灯内高温、强冲击波损坏灯。表1 脉冲疝灯第二节第二节 光泵浦系统光泵浦系统表2 连续氪灯连续氪灯的常用规格及其性能参数见表2第二节第二节 光泵浦系统光泵浦系统2)惰性气体放电灯的光谱特性惰性气体放电灯的光谱特性惰性气体放电灯的辐射光谱中有连续光谱和线状光谱两种成分。产生连续光谱的主要原因是灯内浓度很高的电子和正离子复合发光。因带电粒子的动能连续可变,故其辐射光谱为连续谱;此外电子减速发光,其光谱也为连续谱。产生线状光谱的主要原因是放电时被激发的原子和离子自发地返回基态时辐射发光,其光谱中具有气体原子和离子的特征光谱线。第二节第二节 光泵浦系统光泵浦系统在连续弧光灯的辐射光谱中,线状光谱的贡献很显著。而在脉冲灯的辐射光谱中,则以连续光谱的贡献为主。二者在放电灯的辐射光谱中所占据的比例取决于灯内的放电电流密度、充气压和充气种类。如图1所示。脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱灯电流密度影响第二节第二节 光泵浦系统光泵浦系统放电电流密度较小时,线状光谱所占比例上升。对脉冲氙灯,其特征谱线的峰值波长位于0.84m、0.9m和1m附近。对连续氪灯,其特征谱线的峰值波长位于0.76m、0.82m和0.9m附近,与Nd3+:YAG的吸收谱带相匹配。放电电流密度较大时,连续谱成分增加。当放电电流密度增大到一定值时,线状光谱被连续谱掩盖,且随着放电电流密度的增大,连续谱中心波长向短波方向移动。在高放电电流密度下,脉冲氙灯的辐射光谱显然有利于红宝石晶体的吸收(吸收峰在400550nm)。对连续和小能量输出(10E4h，脉冲10E9次波长630680nm AlGaInP770990nm GaAlAs9001000nm InGaAs模块化价格高基本结构二极管线阵和阵列条线阵阵列条二维面阵背面传导冷却传导冷却面阵封装光谱特性光谱与重复频率、电流关系二极管泵浦耦合技术一、泵浦方式1、端面泵浦2、侧面泵浦3、基于内反射的泵浦构型二、耦合光学系统泵浦方式1端面泵浦2侧面泵浦3基于内反射的泵浦构型3基基于于内内反反射射的的泵泵浦浦构构型型直接侧面泵浦使用柱透镜耦合的侧泵浦透镜管道端面泵浦二元光学元件耦合系统第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器1.红宝石晶体红宝石晶体(1)晶体的物理性质红宝石激光棒是由掺有0.05%（按质量计）的Cr2O3的人造白宝石（Al2O3）单晶制成的。Cr3+的密度约为1.6*1019个/cm3。在光学上，它属于单轴晶体，n0=1.746，ne=1.756。由于晶体中的Al3+被Cr3+所取代，对蓝光与绿光有吸收作用，使棒呈粉红色，故有红宝石之称。我国在1958年第一次制成了优质的红宝石晶体，并在这个基础上于1961年制成了第一台红宝石激光器。其晶体结构如图3.24所示。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器1.红宝石晶体红宝石晶体其晶体结构如图所示。化学表达式:Cr3+:Al2 O3。红宝石晶体是各向异性晶体红宝石晶体是各向异性晶体。当入射光波长为700nm时,n0=1.763,ne=1.755红宝石晶体有三种应用方向:生长轴平行于光轴,为0红宝石晶体,无偏振特性;生长轴垂直于光轴,为90红宝石晶体,产生线偏振光;生长轴与光轴成60,为60红宝石晶体,产生线偏振光。实际使用中,多用60红宝石晶体。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2E3E1(10-9s)E2E3E1(10-3s)在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达310-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率满足hVE2E1的成分就被放大。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带。一个称为紫带个称为紫带(或或U带带),中心中心波长位于波长位于410nm附近附近,带宽为360450nm,对应于 4A2向 4F1能级的跃迁吸收。另一个称为绿带另一个称为绿带(或或Y带带),中心波长位于550nm附近,带宽为510600nm,对应于 4A2向4 F2能级的跃迁吸收。基于红宝石晶体的吸收光谱,适于采用脉冲氙灯这类强可见光光源进行泵浦。红红宝宝石石激激光光器器属属于于三三能能级级系系统统，相相应应于于右右图图的的简简化化能能级模型。级模型。红宝石激光器红宝石激光器回答问题为什么要使用聚光器回答问题使用灯泵浦固体工作物质,灯的辐射能量在空间4立体角内发散,聚光腔的作用是将泵浦光有效、均匀地传输到工作物质上。回答问题哪些方面会影响聚光效率回答问题聚光腔的腔型、腔内表面的反射性能都会影响聚光效率回答问题聚光腔通常是什么形状的回答问题聚光腔通常是一个封闭的空心几何体,工作物质和泵浦灯置于其中。回答问题根据工作物质的形状和所用泵浦光源的类型以及二者间的相对位置,泵浦方式主要分为几种？分别是哪几种？回答问题根据工作物质的形状和所用泵浦光源的类型以及二者间的相对位置,泵浦方式主要有3种，分别为侧面泵浦、端面泵浦和面泵浦侧面泵浦、端面泵浦和面泵浦三种。回答问题什么是侧面泵浦？回答问题侧面泵浦侧面泵浦:工作物质形状为棒状或矩形片,泵浦光源为直管灯(螺旋灯)或激光二极管阵列。灯与棒平行放置或棒位于螺旋灯轴线上。泵浦光直接或经聚光腔反射后投射到棒侧面进入。回答问题什么是端面泵浦？回答问题端面泵浦端面泵浦:泵浦光由棒端面进入(对棒端面加工要求高)。半导体激光二极管泵浦固体激光器多采用此种方式,分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦。回答问题什么是面泵浦？回答问题面泵浦面泵浦:工作物质形状为圆盘,泵浦光通过圆盘表面进入工作物质。面泵浦具有泵浦光均匀性好、工作物质片状结构散热性好等优点,适用于泵浦大功率器件。回答问题聚光腔一般采用什么材料？这些材料有什么特点？回答问题一般采用金属、玻璃、陶瓷金属有铝、铜、不锈钢；铝轻型系统铜热膨胀系数小，导热率高不锈钢不生锈，光洁度高，热导率低玻璃易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀陶瓷易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀回答问题二极管激光器作为光泵浦有哪些特点回答问题光谱窄，与工作物质吸收带匹配可提高效率，减轻热效应结构紧凑寿命长，连续10E4h，脉冲10E9次波长630680nm AlGaInP770990nm GaAlAs9001000nm InGaAs模块化价格高回答问题红宝石激光器的工作物质是什么材料？掺杂是多少？回答问题红宝石激光器工作物质 又称红宝石激光棒是由掺有0.05%（按质量计）的Cr2O3和人造白宝石（Al2O3）单晶制成的。Cr3+的密度约为1.6X10 19个/cm3。回答问题红宝石激光棒是属于什么晶体？折射率如何表示？分别是多少？回答问题红宝石激光棒属于单轴晶体，因为晶体各项异性，所以折射率各向不同 n0=1.746，ne=1.756。回答问题红宝石晶体有几种应用方向？分别是什么方向？不同的应用方向产生的光有什么特点？回答问题红宝石晶体有三种应用方向:生长轴平行于光轴,为0红宝石晶体,无偏振特性;生长轴垂直于光轴,为90红宝石晶体,产生线偏振光;生长轴与光轴成60,为60红宝石晶体,产生线偏振光。实际使用中,多用60红宝石晶体。回答问题红宝石激光器属于几能级激光器？回答问题红宝石激光器属于3能级光器？回答问题红宝石晶体在可见光区有几个主要吸收带？分别是多少纳米？回答问题红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带。一个称为紫带个称为紫带(或或U带带),中心波长位于中心波长位于410nm附近附近,带宽为360450nm,对应于 4A2向 4F1能级的跃迁吸收。另一个称为绿带另一个称为绿带(或或Y带带),中心波长位于550nm附近,带宽为510600nm,对应于 4A2向4 F2能级的跃迁吸收。回答问题根据红宝石晶体的主要吸收带，适用于采用什么泵浦源比较好？回答问题基于红宝石晶体的吸收光谱,适于采用脉冲氙灯这类强可见光光源进行泵浦。红红宝宝石石激激光光器器属属于于三三能能级级系系统统，相相应应于于右右图图的的简简化化能能级模型。级模型。红宝石激光器红宝石激光器第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器在红宝石中，激活离子是Cr3+离子，上图是Cr3+离子的能级所示。在激光器运转时，Cr3+吸收了外来光从基态 4 A跃迁到激发态4 F1或4 F2，这对应于红宝石中Cr3+离子的吸收光谱的蓝紫区和绿区的吸收峰。4 F1或4 F2两能级很宽，每个宽度约为100nm，使得光泵抽运的效率比较高。Cr3+在这两个能级上是不稳定的，迅速无辐射地跃迁到亚稳态2E，2E的寿命长达3X10-3s，所以在2E上能积累起大量的Cr3+离子，这样在2E与基态4 A之间出现粒子数反转。能级2E实际上由两个靠得很近的能级E与2A组成。从E到基态的跃迁称为R1跃迁，对应于波长0.6943um；从2A到基态的跃迁称为R2跃迁，对应于波长0.6929um。由于E与2A两能级靠得很近，热运动使这两能级间的粒子交换十分频繁，可以认为它们的粒子数始终相等。但由于R1 线与R2线的荧光强度比为7：5，亦即增益系数G之比为7：5，结果R1 线首先达到阈值，产生激光。此时E能级上的粒子大量被消耗，2A上的粒子迅速补充到能级上来，使R2线始终达不到阈值。所以通常在红宝石激光器中只有R1跃迁（=0.6943um）能形成激光。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器激光光谱激光光谱:红宝石晶体有两条强激光谱线,分别称为R1线和R2线。R1 线中心波长为694.3nm,对应于E4 A2 能级的辐射跃迁。R2 线中心波长为692.9nm,对应于2A 4A2 能级的辐射跃迁。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器的输出特性：时间特性。在抽运闪光开始后约0.5ms，红宝石激光器开始产生激光。一经开始，受激辐射迅速耗用高能级上的粒子，比抽运供给速率快得多。这样激光被迫停顿，并等待粒子数反转再次出现。这个过程不断被重复，结果给出一个含有大量尖峰结构的输出，每个尖峰持续约1us。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器激光线宽。激光谱线的宽度较大，约为0.01nm0.1nm。宽度大的原因一是红宝石器件一般为多模运转；二是在一次脉冲过程中，激光棒温度的变化引起激光波长的变化。例如，当棒的温度变化10C时，可以引起波长改变为0.07nm。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器偏振特性。当红宝石棒的几何轴线与晶体的光轴方向一致时，输出的激光是自然光。当棒轴方向与晶体的光轴方向成60度或90度角时，输出的激光是线偏振光，其电矢量垂直于由棒轴与晶体光轴所构成的平面。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器空间特性。对于平行平面镜腔产生的基模激光束，发散角应该是很小的，近似等于激光棒孔径的衍射角，即=2.44/D式中：D为棒的直径。例如，对D=6mm的晶体，按=2.44/D计算出来的发散角=0.28mrad。但实际制成的激光器，发散角往往高达5mrad。这是由于晶体内部不均匀及工作时出现高阶横模造成的。用高质量晶体制成并经严格选模的单横模激光器，其发散角可接近衍射角。曾报道D=3.5mm的红宝石晶体产生的单模激光束，其发射角为0.53 mrad，与=2.44/D式给出的衍射极限（0.48mrad）十分接近。红宝石激光器第一代激光器（以具有代表性的三能级系统的红宝石激光器)第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器(3)温度对红宝石晶体的影响温度对红宝石晶体的影响红宝石晶体的性能易受温度的影响,主要表现在以下几方面:其一,温度上升导致红宝石激光中心波长向长波方向移动,如图3.27(a)所示。这是由于温度上升使晶格场变化加剧,能级发生位移,造成激光上、下能级差缩小所致。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器其二,温度上升导致荧光线宽加宽,量子效率下降。红宝石R1、R2 线荧光线宽与温度的关系如图3.27(b)所示。红宝石晶体低温下性能优良。温度升高将使其荧光谱线展宽,量子效率下降,从而导致器件阈值上升,效率下降,严重时会引起“温度猝灭”。因此,红宝石激光器在室温条件下以脉冲方式运转第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器(4)红宝石晶体的主要特点红宝石晶体的主要特点主要优点为主要优点为:机械强度和化学稳定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成较大尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可获得大能量输出;荧光谱线较宽,易获得大能量单模输出;低温性能优良;输出可见光。缺点缺点:能级结构属三能级系统,器件阈值高;晶体性能随温度变化明显,室温下不适于做连续和高重频器件。第五节第五节 红宝石激光器红宝石激光器(4)红宝石晶体的主要特点红宝石晶体的主要特点从应用观点看,红宝石激光器输出可见光极具吸引力,一是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见光区,而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长则位于近红外区域,二是对于全息照相等应用,需要使用可见光作为光源。第六节第六节 其他的固体激光器其他的固体激光器3除红宝石外，一些其他晶体，当外壳层不完全充满掺入杂质原子时，也能产生激光跃迁。例如，掺钕的钆铝石镏石（Nd：YAG）是很有效的激光材料，激光跃迁的波长=1.06um。这种激光器当用钨丝灯作光泵抽运时能连续运转。另外，如玻璃、CaF2晶体、CaWO4晶体等许多固体材料也可以作为钕的基质。表1.2列出了一些固体激光器的材料与波长。表1.2 一些固体激光器的材料与波长 激活离子基底材料波长/um 备注 激活离子基底材料波长/um Cr3+(铬）Al2O3（白宝石）0.6943大功率Ho3+（钬）CaF22.09Nd3+(钕）CaF21.046Er3+（铒）CaF2，玻璃2.04CaWO41.06Tm3+（铥）SrF2，CaWO41.09玻璃1.06使用广泛Yb3+（镱）玻璃1.1YAG（钇铝石镏石）1.06效率高，也能连续工作U3+（铀）BaF2，CaF22.5
