1、固体激光器原理固体激光器固体激光器原理-固体激光器 固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标
2、机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；http:/具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。玻璃激光器则是以钕
3、玻璃激光器为典型代表。工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。 晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有 300种
4、以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943埃)、掺钕钇铝石榴石、氟化钇锂(LiYF4,简称YLF;Nd:YLF,波长或微米;Ho:Er:Tm:YLF,波长微米)等。1973年以来又有一类自激活激光晶体。它的激活离子是晶体的一个化学组分,因而激活离子浓度高,不致产生荧光猝灭。这种晶体的激光增益高，抽远阈值低。主要品种有五磷酸钕(NdP5O14)、四磷酸锂钕(NdLiP4O12)和硼酸铝钕等。它们多用熔盐法生长,晶体尺寸小，可用于小型固体激光器。已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体,如终端声子跃迁的金绿宝
5、石、掺镍氟化镁、5d4f 跃迁的掺铈氟化钇锂和碱卤化物的色心激光晶体。激励源固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。一些新的固体激光器也有采用激光激励的。固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。 特性固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出能量可达千焦耳级。经调 Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。固体激光器
6、运用Q开关技术,可以得到纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。由于工作物质的光学不均匀性等原因，一般固体激光器的输出为多模。若选用光学均匀性好的工作物质和采取精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限的基横模(TEM00)激光,还可获得单纵模激光。应用和趋势固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化
7、，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。固体激光器原理及应用固体激光器原理及应用摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五个方面的应用及未来的发展方向。关键词：固体激光器 基本原理 基本结构 应用1 激光与激光器 激光 激光激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子
8、之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出 “ 受激辐射 ” 的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将 “光受激发射”改称“激光”。 产生激光的条件产生激光有三个必要的条件：1) 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒
9、子有适合于产生受激辐射的能级结构；2) 有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3) 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 激光的特点与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。 激光器激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。2 固体激光器 工作原理和基本
10、结构在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。如图1所示,固体激光器的基本结构。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成。图1 固体激光器的基本结构1) 工作物质工作物质激光器的核心，是由激活粒子和基质两部分组成。 激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统与四能级系统。工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形、平板形、圆盘形及管状。2) 泵浦
11、系统泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件，二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦；纵向:垂直入射的侧面泵浦。图2 LD泵浦方式结构示意LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为
12、它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。3) 聚光系统聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决 定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。如下图3所示为椭圆柱聚光腔，是目前小型固体激光器最常采用的。图3 椭圆柱聚光腔4) 光学谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。 光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的固体激光器的光学谐振
13、腔是由相向放置的两平面镜构成。5) 冷却与滤光系统冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。固体激光器工作时会产生比较严重的热效应，所以通常都要采取冷却措施。 主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保证激光器的正常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。要获得高单色性的激光束，滤光系统起了很大的作用。滤光系统能够将大部 分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。 固体激光器的优缺点固体激光器主要优点：1) 输出能量大，峰值功率高。在固体激光器中，由于中心粒子的能级结构， 能够输出大能量，并且峰值功率高。这个是固体
14、激光器非常突出的优点。2) 结构紧凑耐用，价格适宜。和其他类型的激光器相比，固体激光器的结 构非常简单并且非常耐用，同时价格相对适宜。3) 材料种类数量多。固体激光器的工作物质的种类非常多，到目前为止至 少有一百多种，而且大有增长的趋势。大量高性能的材料的出现，是固体激光器的性能进一步的提高。固体激光器的主要缺点：1) 温度效益比较严重，发热量大。正是由于输出能量大，峰值功率高，导 致热效应非常明显，因此固体激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激光器的正常连续使用。2) 转换效率相对较低。固体激光器的总体效率非常低，例如红宝石激光器 的为%1%左右，YAG激光器的总体效率为1%2%，在最好的
15、情况下可接近3%。可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。3 固体激光器的应用固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。激光自其诞生之日来，已对人类生活产生了巨大影响。其应用已渗入到人类生活的每个方面。比如监测, 检测,制造业,医学,航天等等。由于激光应用的广泛性，这里我只能从广面上稍微介绍下其应用。 激光技术在监测方面的一些应用三维激光扫描技术在地形测绘的应用三维激光扫描仪用于边坡三维形状的获取、加固方案设计、边坡灾害对
16、策及安全检测等，都具有独到得方边便性及先进性。测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据直接可以进行处理以得到基础信息和分析结果。在地形测绘中，三维激光扫描仪及后处理软件，只经过简单的几个步骤就可以轻松获取高比例尺的地形图。激光雷达技术在大气环境监测中的应用用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术,使用这种技术的激光雷达被称为米散射激光雷达。激光雷达是一种重要的大气环境探测手段,由于其具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干扰能力强等优点,因此,利用激光雷达对大气进行监测,收集、分析数据,建立大气环境预测理论模型,将为研究气候变化和寻求治理环境的新途径提供科学的依据。激光技术检测方面
17、的应用由于激光技术的精确性，在我们生活中的的一些检测越来越多都用到激光检测，既方便又安全精确。如激光散斑技术在农产品检测中的应用，随着人们生活水平的提高，农产品检测技术越来越受到人们的重视，发展新颖的农产品快速检测技术是提高农产品市场竞争力、增加农民收入的有效措施。激光散斑技术灵敏度高，操作简单，作为一种新颖的无损快速检测技术已经受到越来越多的关注。激光技术在制造业得应用随着激光制造技术的快速发展，激光技术已经在工业领域得到广泛的应用。 利用激光来焊接金属材料有许多优越性:方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小;易于实现数控，可以焊接形状特殊的工件;激光能量集中、作用
18、时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料等等。激光加工技术具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,在切割、焊接、表面熔覆与合金化、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用。激光技术在医学上应用激光医学在临床上的应用主要分为三大部分,包括:激光在基础医学研究中的应用,主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。激光诊断,是以激光作为信息载体,利用激光单色性好的特点,对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。激光治疗,是以激光作为能量载体,利用
19、激光对组织的生物学效应进行治疗,多年来,激光技术已成为临床治疗的有效手段,也成为发展医学诊断的关键技术，包括：弱激光治疗，高强度激光手术，激光动力学疗法(光化学疗法)，激光诊断。激光技术在航天上的应用航天技术作为一门综合性科学技术，是现代科学技术高度的综合集成。激光焊接技术作为一项先进制造技术，对航天技术的发展起到了重要作用。如航天电源连接器和传感器的焊接、航空发动机的焊接、飞机客体的焊接等。随着激光器研究的深入和大功率激光器的产品化，激光焊接技术向大厚板、高适应性、高效率和低成本方向发展，同时，随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术将逐步替代一些传统的焊接工艺，在航天领域中占据重要地位。4
20、结束语固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激光器。从世界上第一台激光器发明至今，固体激光技术取得了很大的发展，主要表现三个方面：第一是工作物质不断改进。最初是红宝石激光器，后来出现了钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器，现在又有了掺钕镓钆石榴石激光器。还有报道称，目前出现了以陶瓷为基质的新型激光材料。第二是泵浦光源的改进。最初是闪光灯，后来发展为弧光灯，现在出现了高功率激光二极管泵浦。第三是工作物质结构的改变。从最初的棒式结构发展成板条式，又到后来的光纤式结构。 固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输
21、出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展：a) 高功率及高能量b) 超短脉冲激光c) 高便携性d) 低成本高质量总之，固体激光技术的发展过程是一个不断革新的过程，固体激光器发展到今天，无论在结构、输出功率、转换效率还是光束质量方面都有了很大进步。 参考文献 丁志鹏. 赣南师范学院学士学位论文 蔡枢,吴铭磊.大学物理(当代物理前沿部分专题).北京:高等教育出版社,1996:28 陈家壁,彭润玲.激光原理与应用(第二版).北京:电子工业出版社,:27固体激光器的特点及应用摘要因为固体激光器具有很多非常突出的优点，所以它是当前应用最广泛的
22、激光器之一。通过对固体激光器的工作原理和应用的介绍，对它的了解更加深入。本文先介绍固体激光器的基本结构和工作原理，再列举了几种典型的固体激光器，最后对固体激光器在工业加工、军事领域和生物医学等三个方面的应用和未来激光技术的发展方向进行了介绍。关键词：固体激光器；激光器；工作原理；基本结构；应用ABSTRACTSolid-state laser is one of the most widely used lasers for the moment,because it has many very obvious the working principle and application of
23、solid-state laser,the understanding of it more paper first introduces the basic strcture and working principle of solid-state laser,then enumerates several typical solid-state lasers,the direction of development an the solid laser application in three aspectsof industrial processing,military field,b
24、iomedical and future laser technology are introduced.Keywords:Solid-state laser;Laser;Working Principle;Basic Structure;Application目 录第一章 引言. - 1 -第二章 激光与激光器. - 2 -激光. - 2 -激光 . - 2 -激光产生的条件. - 2 -激光的特性. - 2 -激光器的发明与发展. - 2 -激光器的类型. - 3 -第三章 固体激光器. - 5 -固体激光器的工作原理和基本结构. - 5 -第四章 固体激光器的应用. - 12 -工业加工
25、中的应用. - 13 -第五章 结论. - 17 - 参考文献. - 18 - 致谢. - 19 -第一章 引言20世纪人类做出的最伟大的发明之一是激光。从1960年休斯研究实验室的科学家梅曼发明世界上第一台激光器以来，激光技术的发展日新月异，并逐步渗透应用到科研、国防、娱乐、工业和医疗等众多领域。从固体激光器诞生至今，都是备受人们的关注。因其具有峰值功率高，输出能量大，以及结构紧凑耐用等特点，所以在各方面都有广大的用途，具有不可估量的价值。依靠这些特点，固体激光器在科研、国防、工业、医疗等领域获得了大量的应用，使我们的生活越来越便利。将来的固体激光器将会具有以下几个特点：a)能量及功率都相当
26、高b)激光的脉冲超级短c)便携性能高d)质量很高且成本较低如今，以激光高新科技为核心的相关产业以成为信息时代的重要驱动力量，并带动了整个高新技术产业链的发展。激光高新技术在国民经济建设、国防和科技领域发挥着不可替代的关键作用，是一项具有战略性、全局性和引领性的战略高新技术。第二章 激光与激光器激光激光激光指的是受激辐射放大所产生的光，它的英文缩写为Laser。激光产生的条件激光产生的条件有三个：1) 有能够实现能级跃迁的工作介质作为激活介质，使上能级和下能级之间形 成粒子数反转；2) 有提供光反馈的光学谐振腔，其作用一是延长工作物质的长度，使工作物 质的受激辐射连续进行，从而给光子加速；二是限
27、制激光输出的方向；三是选定激光输出波长；3) 有能够为工作物质提供能量的泵浦源，即将原子由低能级发到高能级所需能量，从而使激光满足激光振荡的阈值条件。激光的特性激光产生的机理与普通光源的发光不同，所以激光具有不同于普通光的特性：高度的方向性、单色性、相干性和高亮度。单色性是指光强按照频率的分布情况。激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度来描述，即谱线越窄，单色性越好；方向性好表示光能集中在很小的空间传播，能在远距离获得强度很大的光束，良好的方向性使激光的传播距离最远；光源的单色亮度是表征光源定向发光能力强弱的一个参数，其定义为单位截面、单位频带宽度和单位立体角内发射的功率；光的相干性是指不同时刻、不同空间点上两个光波长的相关程度。相干性包括空间相干性和时间相干性：空间相干性用以描述垂直于光束传播方向上各点之间的相位关系，
