固体激光器的特点及应用

-1-第一章引言激光是人类在上个世纪所创造的最杰出的技术成就之一。自上世纪60年代，梅曼发明了全球首台激光器以来，激光技术的发展至今已经硕果累累，并且已经在人类社会的各行各业中普遍应用。从固体激光器的出现到今天，一直都特别的备受大家的关注。因为它具有峰值功率高，输出能量大，以及结构紧凑耐用等特点，所以在各个方面都有广大的用途，具有不可估量的价值。有了这些优异的特点，固体激光器在科学研究、国防军工、工业生产、医疗健康等领域获得了大量的运用，使我们的日常生活越来越美好。目前激光器的研究重点方向是使器件的体积愈来愈小、器件的重量愈来愈轻、效率愈来愈高、光束质量愈来愈好、可靠性愈来愈高、寿命愈来愈长、运转愈来愈敏捷的全固态激光器。全固态激光器的应用扩展到了我们生活的各个领域，它是应用领域中基础的、特别重要的核心器件，已经成为了我们日常活动中不可或缺的帮手。它的结构、输出功率、转换效率以及光束质量都取得了非常大的进步，具有强大的生命力。全固态激光器汇聚了半导体激光器和固体激光器的特点，具有体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、运转灵便等优点，所以是前途光明的激光研究方向,它通过变频获得宽波段输出、便于模块化和电激励等应用优势，已经在科研、医疗、工业加工、军事等领域获得了广泛的应用，是新一代性能卓越的绿色、节能光源[1]。现如今，激光技术在各个领域的广泛应用，已经是企业向信息化转型的不可缺少的推动力量，而且推动了一个完整的高新技术链条的有序成长。根据国外的相关资料统计，国外的激光产业发展状况呈现出繁荣昌盛的景象，市场需求不断上涨，每年以百分之二十以上的速度上升。如今，我国的激光市场发展稳定、增长速度飞快。根据统计报告，我国的激光产品在1999年的市场销售额仅为14.13亿，2005年达到了47.75亿。所以固体激光器的发展呈现出非常好的趋势，具有非常广阔的市场，有很大的发展空间。-2-第二章激光与激光器2.1激光2.1.1激光（LASER）它是指在受激辐射的作用下把光变强的现象，英语称号为Laser。2.1.2激光产生的条件激光产生的条件有三个：1)具备能够实现能级跃迁的工作介质，叫做激活介质，它能让上、下两个能级之间处于粒子数反转的状态；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，使工作物质进行持续的受激辐射，达到给光子加速这个目标；二是能够对于激光的发射方向进行干涉现象；三是对于输出的波长进行控制。3）有能够使工作物质从低级向高级转化所需要的能量，从而能够使得激光达到发生的条件。2.1.3激光的特性激光产生的机理与普通光源的发光有区别，所以激光具备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[2]。单色性是指光的强度依照其频率进行排列的方式。这个指标可以通过频谱分布的宽度进行衡量，频谱越宽，说明其性能越差。方向性是指光能够按照要求在某个位置进行分布。这样我们就可以使光在很远的距离也能够有很高的强度，这是光传播距离的指标，方向性越好，说明其照射的距离越远。单色亮度是衡量光源的发光能力的指标，它的物理意义是单位截面、频宽和立体角内，光源的发射功率。2.2激光器的发明与发展上世纪20年代，AlbertEinstein的光子受激辐射原理为激光的出现提供了巨大的帮助，这个原理是指处于高能态的光子受到低能态的光子作用，转变成低能态，并且产生第二个，同之前的光子一起发射[3]。1951年，汤斯提出了微波激射器的概念。1954年，美国科学家汤斯和俄国科学家普罗霍罗夫得到了氨分子的粒子束发转现象，不久之后他们又发现了微波的受激发射。-3-1956年，荷兰物理学家Bloembergen创造了通过光泵浦三能级原子系统能够将粒子束进行反向排列的概念。1958年，美国物理学家Schawlow和Townes通过谐振腔的作用得到了激光器以及俄国科学家普罗霍罗夫也研制成功了振荡器和放大器，这两个发明对于激光的发现提供了非常伟大的帮助。1960年，在前人激光理论基础上，美国物理学家Maiman研发了全球首台激光器。1965年，人类历史上首台CO2激光器在美国被顺利研发成功，这是有史以来世界上首台可以生产大功率的激光器。紧接着两年后X射线激光器也被顺利的研发出来。现在我们生活的各个领域对激光技术基本上都有普遍的运用。而对于我国激光器具体的研制成功的发展情况，由下表2.1可以清晰的看到：2.3激光器的类型自上世纪60年代激光器发明至今，有关这方面的科学技术已经得到了很大的进步，现在各行各业都有激光技术的成功运用。激光器的类型较多，我们可以遵循以下的分类手段将其类别：1）工作物质：按照这种方式我们可以将其主要分为固体、气体、染料、半导体、光纤以及自由电力等六种激光器。2）激励方式：按照这种方式可以将其分为光泵式、化学以及核泵浦三种激光器[4]；3）运转方式：按照这种方式可以将其分为连续、单脉冲、锁模以及可调谐等四类激光器。4）按输出波长的长度为标准来对其进行区别，包括红外激光器、可见激光器、紫外激光器和X射线激光器四类。如下表2.2所示：-4-表2.2激光器的分类分类方式工作物质激励方式运转方式输出波长气体激光器固体激光器半导体激光器染料激光器光泵式激光器核泵浦激光器化学激光器化学激光器其他激光器连续激光器单次脉冲激光器锁模激光器可调谐激光器红外激光器可见激光器紫外激光器X射线激光器-5-第三章固体激光器3.1固体激光器的工作原理和基本结构这种激光器的作用原理是工作物质通过能量吸收后达到激发态，为了能够使得粒子束反转以及保持这种状态提供体检，进而使得光放大然后输出。这类激光器的结构如下图3.1所示：1）工作物质aa工作物质是激光器能够产生作用不可缺少的关键构成成员，它包括激活粒子和基质两种构成成分。激光中的很多重要的性能参数都是由激活粒子能级构造作用而成，基质主要是对物质的性能产生影响。2）泵浦系统泵浦系统工作的时候需要的前提工作条件有两个必要条件：一是泵浦的发光效率一定要满足系统的运行；二是对于受激辐射光的属性一定要和工作物质的光谱属性相一致。我们还有经常使用的泵浦源有：太阳能、惰性气体等和激光二极管等。现在惰性气体是最经常使用的泵浦源，而在小型的功率器件中太阳能这类的泵浦源经常用到，现在我们在这方面的技术正在朝着LD泵浦的方向迈进，它的优良特点比较明显：具有很强的光转换率、功率大、稳定性好、安全可靠、使用时间长以及体积小等，现在它已经是固体激光发展中最有发展前景的泵浦源。LD激光器可以分为端面、侧面、边面以及混合泵等分类形式[5]，图3.2为端面和侧面的泵浦结构图。-6-3）聚光系统该部分主要有以下两个功能：首先是把工作物质和泵浦系统结合起来；第二个功能则是对于工作物质的光密度排列方式起着决定作用，进而可以对光束的各种参数性能指标进行干扰。聚光腔内由工作物质以及泵浦源组成，所以泵浦的性能好坏影响程度主要受到聚光腔的影响。现在一些比较小的固体激光器常常采用如图3.3所示的椭圆形腔。图3.3椭圆形聚光腔4）光学谐振腔反射镜是固体激光器非常重要的构成成员，反射镜的主要作用是通过保持激光的连续振荡形式来完成激光发生，而且对于光束的振动方向以及频率予以约束，从而达到激光的高性能指标参数。5）冷却与滤光系统这一部分是激光器中最不可或缺的辅导设备。由于固体激光器在发生作用时-7-容易造成非常剧烈的热效应，故一般必须使用冷却的方法。为了使得激光器和其他构件的安全，我们一般都是通过对工作物质、泵浦系统以及聚光腔的降温冷却来实现对其的保护作用。现在的冷却有液体、气体和传导三种方法，但是液体冷却法是现在最喜欢使用的一种。在高单色性能的光获取过程中，滤光系统起了重要的作用，它的作用原理是能够把泵浦光中的大部分或者有影响的光能够成功的去除，从而能够获得高单色性能的光。3.2典型的固体激光器随着这类技术多年的成长积累，现在固体激光器的类型更是各种各样都有，但是我们最经常使用的主要还是泵浦源为红宝石、掺钕钇铝石榴石和二极管的固体激光器以及可调谐固体激光器等这几类。3.2.1红宝石激光器（Cr3+:Al2O3）红宝石是掺有少量Cr3+离子的蓝宝石（Al2O3），红宝石激光器的工作物质是红宝石晶体（Cr3+:Al2O3）,其中Cr3+是发光的激活粒子，它属于三能级系统，决定着输出激光的光谱特性；而Al2O3是基质晶体[6]。如下图3.4为红宝石中铬离子的能级结构。a这类激光器具有如下的优点：1）激光器机械硬度大、稳定性较好，能够接受功率密度较大的激光，而且生产的光的尺寸也较大；2）使用时间长，内存大，能够有大能量的激光发射；3）激光频谱较大，能够轻易的获得高能量的单膜；4）它的性能稳定、可以输出波长为400~760nm的光。在我们实际的工程领域，这类激光器具有较好的市场，因为大多数的传感器-8-能够响应的波长在可见光处，并且很多的稀土类四能级的工作波长也都是处于400~760nm附近。当然任何事物都有两面性，它也难免会有缺点：首先它是三能级的构造，因此它所需要构建的阈值较大；其次红宝石的特性目标对于温度非常的敏感；然后，对于它的激发频率比较低，这就导致了它能够长时间的工作；发散角输出通常在三到十毫弧这个范围内，稍微偏大。如下图3.5所示，这是我国首台红宝石激光器，这台激光器在光的激发形式上，处于世界级领先水平。3.2.2掺钕钇铝石榴石激光器（Nd3+:YAG）这类是四能级系统的激光器，它的工作效率较高，使用时间长以及工作的阈值较低，输出的波长较低，所以能够长时间的进行工作。它的结构与前面那种激光器的构造根本上是一致的。由于它的工作物质和与其对应的光泵不同，所以能够实现长时间的工作。这类激光器的晶体是以YAG为基础材质，混入适当的Nd3+共同组成了晶体结构。这种晶体有许多优良特性，例如：热的传导效率较快，这样就对激光器的连续工作创造了非常好的基础；三价稀土离子的钇铝石榴石晶体具有1970℃的熔点，能够承受较大的辐射；它的荧光宽度仅为6.5cm，所以它的工作阈值较小；荧光量子的工作效率可近似接近于1，成为了现在的固体激光器内极其优秀的工作物质。它通常把氪灯当作是泵浦光源。氪灯与氙灯的构造基本相同，区别是它的灯管内充有大气压为2到4的氪气。该一类晶体是属于四级能系统，它能够通过荧光发射而产生激光以及三价的-9-稀土离子，图3.6所示为该类激光器的能级构造图。在实现4F3/2－4I11/2、4F3/2－4I13/2、4F3/2－4I9/2能级间跃迁时，生成了三条不同的荧光谱线，由下图3.6所示，其中1.06um的谱线能量要比其它两条的大。所以1.06um首先达到阈值形成激光振荡。图3.63Nd:YAG能级结构3.2.3掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）最近几年，由于这类激光器的波长比较独特，引起了科学家的广泛关注，并且在医学应用方面也取得了较大的应用，对于未来的发展有很好的前景。这类激光器的基本结构与Nd3+:YAG激光器基本结构相似，通常采用脉冲氙灯泵浦，聚光腔为镀银的单椭圆柱腔或双椭圆柱腔，但是它的光学元件必须与水蒸气隔离（不隔离激光束将破坏），因此需要将激光器密闭在干燥的容器之中[7]。它具有较高的光学性能、较小的损耗，而且激光输出方面比较的高，物理化学性能较稳定，能特别高效的去掉硬组织。如下图3.7所示为激光输出波长为2.94微米的Er:YAG激光跃迁能级图。-10-图3.7Er:YAG激光跃迁能级图3.2.4可调谐固体激光器这一类激光器也具备了比较多的优异的特点：它的内存较大，能够使储存时间较大；其使用时间长；闪光灯或者二极管泵浦时效果非常明显；在调Q的情形下也能够正常运转；产生光束性能好，并且谐波的产生能力也较好。可调谐固体激光器指的是在一定范围内，能够使输出波长连续改变的固体激光器，我们可以将它分为两类[8]：一类是色心激光器；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。前者是指工作物质为有色心的晶体，这种色心是由于正负离子的缺失造成的。它的荧光线宽因为晶体振荡的干扰而使得其宽度较大。色心激光器调谐范围宽为0.6～3.65微米，线