c5.1固体激光器ppt课件.ppt

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1、5.4 5.4 半导体激光器半导体激光器 5.35.3 染料激光器染料激光器5.55.5 其他激光器其他激光器5.2 5.2 气体激光器气体激光器5.1 5.1 固体激光器固体激光器1694.3nm红光红光5.1 5.1 固体激光器固体激光器u 固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。激光器。u 固体激光器主要特点：固体激光器主要特点：u 固体激光器应用：固体激光器应用： 5.1 5.1 固体激光器固体激光器一、固体激光器的基本结构一、固体激光器的基本结构图图5-1 固体激光器的基本结构示意图固体激光器的基本结构示意图1.

2、 激光工作物质激光工作物质2. 泵浦系统泵浦系统3. 谐振腔谐振腔4. 冷却系统冷却系统5. 滤光系统滤光系统长脉冲固体激光器的基本结构示意图长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出冷却、滤光系统未画出)固体激光器的基本结构固体激光器的基本结构激光二极管端面泵浦固体激光器结构示意图激光二极管端面泵浦固体激光器结构示意图激光二极管侧面泵浦固体激光器结构示意图激光二极管侧面泵浦固体激光器结构示意图二、固体激光器的工作物质二、固体激光器的工作物质p固体激光工作物质：在晶体、玻璃等固体基质材固体激光工作物质：在晶体、玻璃等固体基质材料中掺入少量金属离子（如料中掺入少量金属离子（如Nd3+

3、， Yb3+， Tm3+ ，Ho3+等）实现等）实现p固体激光工作物质的组成：固体激光工作物质的组成：激活离子和基质激活离子和基质激活离子激活离子决定固体激光的能级结构、荧光寿命和激光决定固体激光的能级结构、荧光寿命和激光特性，激光跃迁发生在激活离子的不同能级之间特性，激光跃迁发生在激活离子的不同能级之间基质材料基质材料决定激光工作物质的光学、热学和机械性能决定激光工作物质的光学、热学和机械性能固体激光器的工作物质固体激光器的工作物质1 1、红宝石晶体、红宝石晶体红宝石晶体是在红宝石晶体是在Al2O3 中掺入少量的中掺入少量的 Cr2O3 由由Cr3+部部分取代分取代Al3+而成，其而成，其激

4、活离子是激活离子是Cr3+（铬）（铬）化学表达式：化学表达式：Cr 3+:Al2O3 六方晶系，负单轴晶体六方晶系，负单轴晶体 提拉法生长提拉法生长 可以获得大尺寸晶体可以获得大尺寸晶体几种典型固体激光工作物质几种典型固体激光工作物质v激光性质主要取决于激光性质主要取决于Cr3+v激光上能级：激光上能级： 2E，能级寿命，能级寿命3ms（亚稳态）（亚稳态）v2E分裂成两个子能级分裂成两个子能级 和和2 ，向基态跃迁时产生，向基态跃迁时产生692.9nm(R2线线)和和694.3nm( R1线线)的自发辐射的自发辐射v激光下能级是基态能级，为激光下能级是基态能级，为三能级系统三能级系统红宝石晶体

5、能级结构红宝石晶体能级结构A图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱v 吸收特性与光的偏振状态有关吸收特性与光的偏振状态有关（各向异性导致）（各向异性导致）v 红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带：红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带： 紫带（或称紫带（或称U带）：中心波长位于带）：中心波长位于410nm附近，对应于附近，对应于4A2向向4F1能级的跃迁能级的跃迁 绿带（或称绿带（或称Y带）：中心波长带）：中心波长550nm附近，对应于附近，对应于4A2向向4F2能级的跃迁能级的跃迁图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构红宝石晶体的荧光光谱红宝石晶体的荧光光谱v

6、红宝石晶体有两条强荧光谱线：红宝石晶体有两条强荧光谱线：R1线线, R2线线 R1线：中心波长线：中心波长694.3nm， 对应于对应于 - 4A2的自发辐的自发辐射跃迁射跃迁 R2线：中心波长线：中心波长692.9nm， 对应于对应于2 - 4A2的自发的自发辐射跃迁辐射跃迁v红宝石激光器通常红宝石激光器通常只产生只产生694.3nm的辐射，原因的辐射，原因 激光上能级激光上能级 和和2 上的粒子数服从玻尔兹曼分布上的粒子数服从玻尔兹曼分布 R1线的荧光强度高于线的荧光强度高于R2线，使得线，使得R1线的受激辐射线的受激辐射机率高于机率高于R2线线AA红宝石晶体的主要特点红宝石晶体的主要特点

7、v优点：优点： 机械强度和化学稳定性高，可承受高功率密度；机械强度和化学稳定性高，可承受高功率密度； 亚稳态寿命长，储能大，易获得大能量单模输出；亚稳态寿命长，储能大，易获得大能量单模输出； 荧光谱线宽；荧光谱线宽； 低温性能优良；低温性能优良； 输出可见光；输出可见光；v缺点：缺点： 三能级系统，阈值高；三能级系统，阈值高； 性能随温度变化明显，随着温度的升高，波长向长波性能随温度变化明显，随着温度的升高，波长向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，室温下不适于连续和高重复频率运转。致阈值升高，室温下不适于连续和高重复频率

8、运转。2 2、掺钕钇铝石榴石、掺钕钇铝石榴石( (Nd3+:YAG) )晶体晶体将一定比例的将一定比例的A12O3、Y2O3，和，和Nd2O3在单晶炉中进在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。行熔化结晶而成的，呈淡紫色。是在钇铝石榴石（是在钇铝石榴石（Y3Al5O12）中掺少量的）中掺少量的Nd2O3， 由由Nd3+取代取代Y3+得到。得到。 Nd3+是三价稀土离子中最早用于是三价稀土离子中最早用于激光的。激光的。化学表达式：化学表达式： Nd3+:Y3Al5O12 (Nd:YAG)各向同性晶体各向同性晶体几种典型固体激光工作物质几种典型固体激光工作物质Nd3+:YAG晶体的吸收光谱晶体的吸

9、收光谱在紫外、可见光和红外区内有在紫外、可见光和红外区内有5条强吸收带条强吸收带Nd3+:YAG晶体的能级结构晶体的能级结构四能级系统四能级系统激光波长：激光波长：4F3/24I9/2：946nm4F3/24I11/2：1064nm4F3/24I13/2：1319nmNd3+:YAG晶体的主要特点晶体的主要特点v优点：优点： 四能级系统四能级系统 阈值低，优良的热学特性阈值低，优良的热学特性 可用于连续和高重复频率工作可用于连续和高重复频率工作3、掺钕钒酸钇、掺钕钒酸钇(Nd3+:YVO4)晶体晶体 吸收截面大，受激发射截面大，高增益系数吸收截面大，受激发射截面大，高增益系数; 激光波长激光波

10、长1064nm、1342nm; 热性能比热性能比YAG略差。略差。固体激光工作物质固体激光工作物质掺杂浓度的影响：掺杂浓度的影响：v在基质中掺入激活离子称为掺杂。掺杂浓度不同，在基质中掺入激活离子称为掺杂。掺杂浓度不同，工作物质的运行特性也不同。工作物质的运行特性也不同。v掺杂浓度高，吸收高，激光器的效率高；掺杂浓度高，吸收高，激光器的效率高；v掺杂浓度过高，热效应严重，激光器效率反而会下掺杂浓度过高，热效应严重，激光器效率反而会下降，甚至出现浓度猝灭。降，甚至出现浓度猝灭。v掺杂浓度低，热效应小，但吸收少，降低激光器的掺杂浓度低，热效应小，但吸收少，降低激光器的效率；效率；v因此，存在一最佳

11、掺杂浓度。因此，存在一最佳掺杂浓度。5.1.2 5.1.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦光泵浦激励。泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件：光源应当满足两个基本条件： 有高的发光效率；有高的发光效率； 辐射光的光谱与激光工作物质的吸收光谱相匹配。辐射光的光谱与激光工作物质的吸收光谱相匹配。3. 图图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个

12、椭圆。 图图(5-6) 椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，而固体工作物质一般都加工成圆柱棒的，而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚到工作物质上，必须采用聚光腔聚光腔。 主要泵浦源有：主要泵浦源有：惰性气体放电灯：脉冲氙灯、连续氪灯惰性气体放电灯：脉冲氙灯、连续氪灯特点：辐射强度大，价格低，但特点：辐射强度大，价格低，但与激光介质的吸收光谱匹配与激光介质的吸收光谱匹配差差，效率低。，效率低。5.1.2 5.1.2 固体激光器的泵浦系统固

13、体激光器的泵浦系统4.冷却冷却：泵浦光的光谱与激光介质的吸收光谱不匹配，导泵浦光的光谱与激光介质的吸收光谱不匹配，导致许多泵浦光能量不能被有效吸收而变为热，固体激光器致许多泵浦光能量不能被有效吸收而变为热，固体激光器的泵浦系统还要冷却。常用的冷却方式有液体冷却、气体的泵浦系统还要冷却。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。 5. 滤光滤光：对于闪光灯泵浦的固体激光器，热效应中危害最对于闪光灯泵浦的固体激光器，热效应中危害最大的是紫外辐射，紫外光易在工作物质中形成色心，使工大的是紫外辐射，紫外光易在工作物质中形成色心，使工作物质

14、性能劣化，因此必须在泵浦灯和工作物质之间插入作物质性能劣化，因此必须在泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件，滤去泵浦光中的紫外光谱。滤光器件，滤去泵浦光中的紫外光谱。 5.1.3 5.1.3 固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性1. 固体激光器的激光脉冲特性固体激光器的激光脉冲特性 2. 转换效率转换效率 总体效率：定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于总体效率：定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器连续激光器(用功率描述用功率描述)和脉冲激光器和脉冲激光器(用能量描述用能量描述)分别表分别表示为：示为：couabcLpinthinouttPPPP1211couabcLpinth

15、inouttEEEE1211一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲振荡的短脉冲(或称尖峰或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约组成的，各个短脉冲的持续时间约为为(0.1 1) s，各短脉冲之间的间隔约为，各短脉冲之间的间隔约为(5 10) s。泵浦光愈泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。 采用调采用调Q和锁和锁模技术能够改变这种特性，产生巨脉冲和超短光脉冲。模技术能够改变这种特性，产生巨脉冲和超短光脉冲。v21：激光振荡频率：激光振荡频率 vp：泵浦光频率：泵浦光频率

16、 5.1.3 5.1.3 固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性2. 转换效率转换效率 总体效率：总体效率：couabcLpinthinouttPPPP1211couabcLpinthinouttEEEE1211L：泵浦源的电光转换效率，与激光电源系统的结构、类型及：泵浦源的电光转换效率，与激光电源系统的结构、类型及灯的参数等有关，约灯的参数等有关，约15%；c：聚光效率，与聚光腔的类型、内表面反射情况、泵灯与激：聚光效率，与聚光腔的类型、内表面反射情况、泵灯与激光棒尺寸匹配以及冷却滤光系统的光能损失有关，约光棒尺寸匹配以及冷却滤光系统的光能损失有关，约80%；ab：吸收效率，取决于灯的发射

17、、工作物质的吸收带、工作：吸收效率，取决于灯的发射、工作物质的吸收带、工作物质的体积及激活离子的浓度。对灯约物质的体积及激活离子的浓度。对灯约20%，对半导体可达到，对半导体可达到80%90%； 1：由激发态：由激发态E3向激光上能级向激光上能级E2跃迁的量子效率跃迁的量子效率 cou：输出耦合效率：输出耦合效率 5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器1. 半导体激光器泵浦的固体激光器半导体激光器泵浦的固体激光器 是指用是指用LD代替闪光灯泵浦固体激光工作物质的固体激光器代替闪光灯泵浦固体激光工作物质的固体激光器 Diode Pumped Solid State Laser (D

18、PL, DPSSL)与闪光灯泵浦固体激光器相比，其主要优点与闪光灯泵浦固体激光器相比，其主要优点:（1）能量转换效率高。）能量转换效率高。半导体激光器的电光转换效率远远高半导体激光器的电光转换效率远远高于闪光灯。半导体激光器的光谱线窄，且可以通过改变其激活于闪光灯。半导体激光器的光谱线窄，且可以通过改变其激活区成分和结构，或改变其工作温度使中心波长和固体工作物质区成分和结构，或改变其工作温度使中心波长和固体工作物质吸收峰准确重合。吸收峰准确重合。（2）热效应小，）热效应小，可制成全固化器件，激光谱线更窄，频率稳可制成全固化器件，激光谱线更窄，频率稳定性更好。定性更好。（3）寿命长，结构简单体积

19、小，）寿命长，结构简单体积小，使用方便。使用方便。5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器1. 半导体激光器泵浦的固体激光器半导体激光器泵浦的固体激光器 图图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图( (5- -7)(a)所所示的端泵浦方式和图示的端泵浦方式和图( (5- -7) )(b)所示的侧泵浦方式。所示的侧泵浦方式。 优点：可获得大功率输出优点：可获得大功率输出优点：模式匹配好，优点：模式匹配好， 阈值低，效率高阈值低，效率高 光束质量好光束质量好

20、 5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器2. 可调谐固体激光器可调谐固体激光器 可调谐固体激光器主要有两类：可调谐固体激光器主要有两类：一类是色心激光器，一类是色心激光器，属四能级工作，由于晶格振动的影响而属四能级工作，由于晶格振动的影响而有很宽的荧光线宽。色心激光器调谐范围宽有很宽的荧光线宽。色心激光器调谐范围宽(0.83.9微米微米)、阈值低、线宽窄、可连续或脉冲工作，易实现单模运转，光阈值低、线宽窄、可连续或脉冲工作，易实现单模运转，光束质量好，但大都只能在低温下工作。束质量好，但大都只能在低温下工作。 色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷

21、。 一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。 如：金绿宝石（如：金绿宝石（Cr:BeAl2O3)、掺钛蓝宝石（、掺钛蓝宝石（Ti:Al2O3)等等5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器3. 高功率固体激光器高功率固体激光器 高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。目标。 关键技术：克服固体工作物质中的热效应

22、。关键技术：克服固体工作物质中的热效应。从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图( (5- -8) )所示。所示。特点：面泵浦、面冷却的板条状介质可实现均匀泵浦，折射率梯度不特点：面泵浦、面冷却的板条状介质可实现均匀泵浦，折射率梯度不明显；锯齿光路可补偿热透镜效应。明显；锯齿光路可补偿热透镜效应。 图图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图板条形固体激光器结构示意图v作业vP126: 3、4