技術(shù)課件十三、固體激光器

NanjingUniversityofInformationScience&LaserPrinciple& 物理與光第5如果按工作波段分：可分為紅外和遠(yuǎn)紅外激光器、可見(jiàn)光激如果按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分：可分為連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短按激光器工作物質(zhì)分類(lèi)：固體激光器、氣體激光器、 本章內(nèi)5.3激光5.4半導(dǎo)體激光固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。在激光發(fā)展史上，固體激光器是最早實(shí)現(xiàn)激光工作的。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)激光振蕩的固體工作物質(zhì)有百余種，激光譜線有數(shù)千條，但最常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻率高因此，它在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、科研等方面得到了廣泛應(yīng)用，例如打孔、焊接、劃片、激光測(cè)距、視 固體激光器內(nèi)容提紅寶石摻釹釔鋁石榴石一、和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。如圖，是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基。二、紅寶石激光紅寶石晶體的光譜紅寶石的化學(xué)表示式為Cr3+:Al2O3，其激活離子是三價(jià)鉻離子Cr3+，基質(zhì)是剛晶系，是無(wú)色透明的負(fù)單軸晶體紅寶石是在Al2O3中摻入適量的Cr3+，使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的Cr3+密度為ntot=1.58x1019cm-3紅寶石的吸收光譜如圖所示峰值波長(zhǎng)在0.41m附近，稱(chēng)為紫帶或U帶 峰值波長(zhǎng)在0.55m附近，稱(chēng)為綠帶或Y這是兩個(gè)很強(qiáng)很寬的吸收譜帶，吸收帶寬均約0.1m紅寶石中鉻離子的吸收紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線R1和R2線分別為E和2A能態(tài)向躍。通常紅寶石激光器中只有R1=0.6943mm線才能形成激光輸出紅寶石作為激光晶體材料的優(yōu)缺點(diǎn)：是閾值高(因是三能級(jí))和性能易隨溫度變化優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高，能承受很高的激光功率密度；容易生態(tài)；得到連續(xù)輸出；紅寶石激光器輸出的紅光4，不僅能因此，紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。。三、摻釹釔鋁石榴石Nd3+:YAG2、Nd3+:YAG的光譜結(jié)構(gòu)和能級(jí)Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+，基質(zhì)是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡(jiǎn)稱(chēng))。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。一般含Nd3量為1原子比此時(shí)Nd3的密度為1.38×1020cm-3，顏色為淡紫色。實(shí)際時(shí)是將一定比例的晶體的吸收光YAG中Nd3+與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)1.06um比1.35um的熒光約強(qiáng)四倍1.35um譜線起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生1.06um激光。只有采取選頻措施，才能實(shí)現(xiàn)1.35um波長(zhǎng)的激四、釹玻璃激光 1961玻璃中摻入適量的制成的。最佳摻入量為%重量比。對(duì)應(yīng)3%的摻入量，Nd3的濃度為×。+玻璃的工藝比較成熟，易獲得良好的光學(xué)均勻性，玻m，直徑30~100mm，可用來(lái)制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路中的光放大或振釹玻璃最大的缺點(diǎn)釹玻璃的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷光

E4:含三個(gè)吸收帶(抽運(yùn)能帶2G5/2F9/4F7/

(中心波長(zhǎng) E3:三條激光譜線公共的能 4F3/下能級(jí)(四能級(jí)系統(tǒng)),即4I

3/

(4

3/

4I ,對(duì)應(yīng)3/I4I11/

譜線(4F3/譜線

4I ,對(duì)應(yīng)1/(4I9/

4 4I9/3/對(duì)應(yīng)0.9μm譜線3/躍遷譜線①1.06μm:四能級(jí)系統(tǒng),躍遷幾率大,通常可觀察到;②1.4μm:四能級(jí)系統(tǒng),躍遷幾率較小,不一定可到;③0.9μm:三能級(jí)系統(tǒng), 難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),一般不出現(xiàn).脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射效率較其它燈高，輻射為連續(xù)譜，是紅寶石、釹玻璃和d脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的氪燈在低電流密度下工作時(shí),其輻射光譜與A泵浦吸收帶相匹配故在連續(xù)和小能量脈沖器件中得到比較多二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足 ①有很高的發(fā)光效 ②輻射的光譜特性應(yīng)與激光工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。三、聚光器(或稱(chēng)泵浦腔到工作物質(zhì)上去，聚光器設(shè)計(jì)得好壞直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效聚光器的類(lèi)①橢圓柱聚光器 這種聚光器的內(nèi)反射表面的橫截面是一橢圓。因?yàn)閺臋E圓個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的所有光線,經(jīng)橢圓面反射后將會(huì)聚到另一焦點(diǎn)上因此,如果把直管燈和棒分別置于橢圓柱聚光器的兩條焦線上，。這種聚光器的內(nèi)反射表面是一個(gè)圓柱空腔,激光棒泵燈置于軸線兩側(cè).由于圓相當(dāng)于焦點(diǎn)重合的橢圓,因此圓柱聚光器內(nèi)棒、燈的放置相當(dāng)于橢圓柱聚光器的“焦外放。圓柱聚光器對(duì)泵浦光的聚焦能力不如橢圓柱聚光,而且在同樣棒、燈直徑情況下,圓柱聚光器橫截面積大,體積也大。但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便等優(yōu)點(diǎn)聚光器的材料制做聚光器時(shí)，常用的金屬材料石鋁、銅和不銹鋼，常用鋁如果重量要求不嚴(yán)時(shí)，最好選用銅，這是因?yàn)殂~的熱脹、不銹鋼，僅為銅1/10玻璃和陶瓷雖然易碎，導(dǎo)熱性差，但它們具有金屬所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，如不生銹，不易被腐蝕。陶瓷的漫反射性能也好，固體激光器的輸出固體激光器的激光脈沖一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩的短脈沖(或稱(chēng)尖峰)組成的，各個(gè)短脈沖的持續(xù)時(shí)間約為轉(zhuǎn)換效轉(zhuǎn)換效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對(duì)連續(xù)激光器(用功率描述)和脈沖激光器(用能量描述)而言，轉(zhuǎn)換效 Pth 1

in 1

in 左5.1.3新型固體激光 1．半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光 半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器（DPSSL）英文全稱(chēng)為DiodePumpSolidStateLaser，即二極管泵浦固體激光器。是近年來(lái)半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光浦方式和圖(b所示的側(cè)泵浦方式。從固體工作物質(zhì)來(lái)看，有與傳統(tǒng)燈泵浦激光器相比，DPSSL 只有幾百小時(shí)，最長(zhǎng)的不超過(guò)2000小時(shí)。而用于泵浦的二極管激光器 高達(dá)上萬(wàn)小時(shí)，從而大大降低了使用者 成本低功耗。傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效率大約只有3%左右，泵浦燈的發(fā)出的能量大部分轉(zhuǎn)換成了熱能，造成了極大的能源浪費(fèi)。而DPSSL所用的LD發(fā)出固定的，被激光晶體吸收的808nm波長(zhǎng)的激光，光光轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)40%以上，體積小，便于設(shè)計(jì)小型化。一臺(tái)DPSSL激光器大約只有傳統(tǒng)燈泵浦激光器體積的1/3甚至更小，便于攜帶。DPSSL端面泵浦（EndPump）固體激光側(cè)面泵浦(SidePump)固態(tài)激以8W體激光器，輸出后經(jīng)柱狀棱鏡組整形，將光束發(fā)散角壓縮并聚焦后輸入激光晶體。激光晶體的靠近泵浦源的一端面鍍的增透膜和的高反膜。的增透膜使泵浦源發(fā)出的波長(zhǎng)的激光進(jìn)入激光晶體前的損耗降至最低，而的高反膜與鍍有部分反射膜的輸出鏡結(jié)合起來(lái)，形成諧振腔。該種結(jié)構(gòu)中泵浦光束激活的晶體模體積較小，因而一般用于功率較小的場(chǎng)合。端泵的優(yōu)勢(shì)在于輸出的激光模式較好，便于實(shí)現(xiàn)TEM0輸出，在某些功率要求不高，需要準(zhǔn)直的場(chǎng)合休斯航天航空的研究人員們側(cè)面泵浦棒狀Yb:YAG晶體獲得了0.95KW的大功率輸出。這是目前利用半導(dǎo)體激光側(cè)面泵浦（SidePump）固態(tài)激光器激光頭是由三個(gè)二極管的二極管線陣組成。每個(gè)線陣的輸出功率平均為20W輸出波長(zhǎng)為808nm。該裝置采用玻璃管巧妙地設(shè)計(jì)了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分鍍有808nm的高反膜，剩余的部分120°鍍有三條808nm增透膜，這樣便形成了一片激光器(ThinDisc 導(dǎo)體激光器作泵浦源對(duì)非常薄的晶體進(jìn)行端面泵浦，使泵浦光 經(jīng)過(guò)的次數(shù)由原來(lái)的8次增加到16次。④光纖激光器 光纖激光器是最近幾年由光通訊行業(yè)中的光放大器演變來(lái)的。其一推出即引起了業(yè)界的，其良好的光學(xué)質(zhì)量，較高的輸出功率，超長(zhǎng)的及無(wú)需的特點(diǎn)獲得了眾多公司的矚目。其嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，屬于端面泵浦的一種?，F(xiàn)代高功率光纖激光器的泵浦源是高功率的多模二極管，通過(guò)一個(gè)圍繞著單模固體可調(diào)諧固體激光器主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是色心激光器，一類(lèi)是用摻過(guò)渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。色心激光器的閾值低，既可連續(xù)工作，又可脈沖工作，很容易實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)，并且光束質(zhì)量好。特別是調(diào)諧范圍可覆蓋摻過(guò)渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器，性能更加優(yōu)越。用于固體可調(diào)諧激光器的摻過(guò)渡族金屬離子的激光晶體主要有金綠