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激光器元器件选材固体激光实验室樊本杰晶体选材的基本要求激光器基本元器件调Q及非线性光学技术其他元器件Maincontent晶体选材基本要求针对设计本身要求的光学指标，结合晶体材料的光学特性，选择合适的光学材料主要指标•有效作用波长范围•有效作用类型•晶体有效作用强度•合适的晶体尺寸及配合结构要求的形状晶体器件的选材晶体加工基本要求指标选择好合适的晶体材料相应的光学器件时，需结合晶体的实际使用条件选择适应的加工指标。加工指标（参考美军标准要求）•尺寸公差：±0.1mm•通光孔径：90%•平面度：λ/10@632.8nm•平行度：10''•侧垂：5''•波前畸变：λ/8@632.8nm泵浦源输出镜全反镜激光器基本元器件激光器由工作物质、谐振腔和泵浦源三大部分组成。工作物质是激光器的核心，作用是为激光的产生提供反转粒子数；谐振腔是激光器的重要部件，它不仅是形成激光振荡的必要条件，而且还对输出激光的模式、功率、光束发散角等均有着很大影响。泵浦源是为实现粒子数反转提供外界能量的系统。工作物质工作物质LaserCrystal•较高的光学质量和荧光量子效率•能掺入较高浓度的激活离子，荧光寿命长•掺入激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面•针对某一泵浦源有较强的光谱吸收•良好的物理、化学和机械特性，热导率高，热膨胀系数小•机械强度高可承受高功率密度，化学稳定性好•制备简单，加工容易，成本低，足够尺寸红宝石(Cr3+:Al2O3)•六方晶系，负单轴晶体•粉红色•提拉法生长•可以获得大尺寸晶体Nd3+:YAG以钇铝石榴石晶体为基质掺杂适量三价稀土元素钕离子(Nd3+)，其中是以Nd3+置换YAG中的部分钇离子，晶体呈淡紫色，是综合性能最优异的固体激光材料。化学式Y3Al5O12弛豫时间30ns掺杂浓度0.5~1.2(±0.1)atm%莫氏硬度8.5线宽4.5Å受激发射截面2.8×10-19cm2熔点1970℃折射率1.82密度4.5g/cm3行宽0.6nm掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)946nm1064nm1319nm•Highgain高增益系数•Lowthreshold阈值低•Lowlossat1.06μm&Highefficiency1064nm光波吸收少，功率高•Mechanicalstrength&Highopticalquality机械性能和光学质量好•Materialcharacteristicsthatallowforvariousmodesofoperation(CW,pulsed,Q-switched,modelocked)适用于多种工作方式（连续、脉冲、调Q、锁模）Advantages来源于福建福晶科技股份有限公司Nd:YAG吸收光谱Nd:YAG在300K时的吸收光谱由图可以看出，在波长大于400nm范围内，主要有五个吸收光谱带，中心波长分别在520nm、585nm、750nm、810nm、870nm附近，每个带宽约为30nm，其中以750nm和810nm两个吸收带最为重要。棒套两端面镀有1064nm的增透膜，防止自激振荡Nd:YVO4晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。现在Nd:YVO4激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体结构四方密度4.22g/cm3掺杂浓度1.0atm%莫氏硬度4-5（近似玻璃）荧光寿命90μs受激发射横截25×10-19cm2熔点2105℃增益带宽0.6nm@1064nm914nm1064nm1342nmNd:YVO4吸收光谱中心波长分别在585nm、750nm、810nm附近Nd:YVO4’sadvantagesoverNd:YAG•Ashighasaboutfivetimeslargerabsorptionefficientoverawidepumpingbandwidtharound808nm在808nm左右的泵浦带宽，约为Nd:YAG的5倍•Aslargeasthreetimeslargerstimulatedemissioncross-sectionatthelasingwavelengthof1064nm在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍•Lowerlasingthresholdandhigherslopeefficiency光损伤阈值低，高斜率效率•Asauniaxialcrystalwithalargebirefringence,theemissionisalinearlypolarized.双轴晶体，输出为线偏振由于Nd:YVO4泵浦带较宽，所以其激光性能更能适应LD的温度变化。由于吸收截面大，所以吸收系数大，又因为热导率小，所以Nd:YVO4适于薄片状纵向泵浦中小功率激光器。OtherCrystals掺钛兰宝石Ti:Sapphire被广泛用于高输出功率、高增益的宽波段可调超短波脉冲的激光器。可调波长覆盖范围从700到1000nm,使得Ti:Sapphire在很多应用方面可取代染料激光器。掺钕钒酸钆晶体Nd:GdVO4理想的激光二极管泵浦全固态微小型激光器的激光工作物质，比钒酸钇有更好的热导和高输出功率，故在高功率DPSS场合，使用Nd:GdVO4的效果会比使用Nd:YAG和Nd:YVO4更好。掺钕钨酸钾钆Nd3+:KGd(WO4)2一种新型的激光工作物质，输出波长1067nm，它和Nd:YAG掺钕钇铝石榴石激光晶体相似，但是它可以单独完成Raman自转换，是性能优良的固体Raman介质。•泵浦源是为实现粒子数反转提供外界能量的系统。激光器的粒子数反转是由外界能量激励（或称激发、激励）实现的•主要激励方式有光激励、放电激励、热能激励、化学能激励、核能激励•固体激光器采用光泵浦方式工作。电源的电能首先变为泵浦光源的光能，然后再转变成固体激光工作物质的储能。可分为连续和脉冲固体激光电源两大类泵浦源Pumpsource脉冲氙灯一种在极短时间内发生高强度闪光的氙灯。能把足够的电能转换为能够激活离子吸收的光能辐射。氙气化学性质不活泼，不燃烧，也不助燃。天然稀有气体中分子量最大、密度最高。22090Φ外8Φ5着火电压（V）工作电压（V）负载因子(J·μS-1/2)单次储能为100J时的频率（Hz）最大瞬时电流（A）推荐单次储能（J）单次储能为100J时的寿命（次）自然冷却强迫空冷水冷400≥50064.82.5550≤1500100~130106来源于上海光学精密机械研究所脉冲氙灯22090Φ外8Φ5Φ8×90×220氙灯发射光谱氙灯发射的光谱如图所示，它的峰值波长分别在800nm和900nm附近，对应Nd:YAG吸收宽带，氙灯在这一波段具有较强的发射光谱氙灯发射光谱Nd:YAG吸收光谱氪灯是固体激光器的泵浦光源。因其发光光谱与Nd3+:YAG晶体的吸收带相匹配，相对光能利用比例较高，是目前国内最主要的YAG连续固体激光器光泵光源。连续氪灯一般圆头的表示正，用红色的电源线；尖头的表示负，一般用黑色的电源线氪灯光谱特性峰值波长位于760nm,820nm和900nm附近，与Nd3+:YAG的吸收谱带相匹配对连续和小能量输出(10J)的脉冲YAG激光器采用氪灯激发效率比较高，对大型激光器，宜采用辐射能量较大，效率较高的脉冲氙灯激发谐振腔Resonantcavity谐振腔作用•输出激光•形成正反馈•限制模式数目（开放式）•压缩频宽•延长光子寿命光学谐振腔是激光器的重要组成部分，常见的谐振腔是由两个球面镜或平面镜构成，其形式与结构参数直接影响激光器的功率输出，光束发散角、光束质量、激光模式、光斑大小和谐振频率。合理选择谐振腔的结构参数是固体激光器技术中的重要问题。介质膜反射镜BK7是一种硼硅酸光学玻璃，化学性质稳定，材质均匀，用于小尺寸的反射镜的基板和透过型光学件，在300~2000nm波长范围内，都有较高透过率材料(Material):BK7平行度(Parallelism):3'面型(Flatness):λ/10通光孔径(Clearaperture):90%直径公差(Diametertolerance):+0/0.1mm厚度公差(Thicknesstolerance):±0.1mm金属反射膜和电介质反射膜平凹腔平面反射镜凹面反射镜介质膜反射率曲线HR@532nmHR@1064nm调Q技术元器件调Q原理在激光腔内引入一个开关，若开关关闭，低Q，激光作用就不会出现，因而粒子数反转可以达到非常高的值。若突然打开开关，高Q，激光器就会拥有远超过损耗的增益，所贮存的能量将以短（ns）而强的光脉冲形式释放。对工作物质的要求•增益大：不须太长的形成时间•亚稳态寿命长：便于积累粒子•荧光谱线宽：充分利用泵浦光的光谱成分。各种调Q技术电光调Q某些晶体的电光效应做成电光开关，对激光器调Q特点：开关时间短，同步精度高，系统稳定可靠，输出脉冲窄被动调Q对激光波长的光强烈吸收，随入射光强增加，吸收系数减小声光调Q光通过介质中超声场时，由于衍射造成的偏折来控制激光器的Q值，重复率高(KHz/s)，输出稳定——中等功率，高重复率电光调Q特点开关时间短，同步精度高，系统稳定可靠，输出脉冲窄晶体要求在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和热性能好、半波电压低等。•GoodUVtransmission有优越的紫外透过•Highdamagethreshold高损伤阈值•Highbirefringence双折射系数高•Usedfordoubling,triplingandquadruplingofaNd:YAGlaserattheroomtemperature用于做Nd:YAG激光器的二、三、四倍频器件（室温条件下）•Highelectro-opticcoefficients,widelyusedasQ-switches具有电光系数高的特点，用于制作Q开关磷酸二氘钾(KD*P)基本特性(BasicProperties)分子式KD2PO4透过波段200-1600nm非线性系数d36=0.40pm/V折射率(1064nm)no=1.4948,ne=1.4554电光系数r41=8.8pm/V,r63=25pm/V纵向半波电压Vp=2.98KV光吸收0.006/cm光损伤阈值3GW/cm2消光比30dB铌酸锂（LiNbO3）•LargeElectro-OpticandAcousto-Opticcoefficients大的电光和声光系数•CommonlyusedmaterialforPockelCellsandQ-switch大量应用于泡克尔斯盒和电光调Q•Widelyusedasfrequencydoublersforwavelength1000nmandOPOpumpedat1064nmaswellasQPMdevices广泛用作1000nm以上波长的倍频和1064nm泵浦光的光参量放大，也可做准相位匹配铌酸锂的结构属性及光学特性~0.1%/cm@1064nm~5×10-5/cm4.64g/cm31140℃a=5.148Å,c=13.863Å三方晶系，空间群R3c，点群3m吸收系数透明度范围光学均匀性密度莫斯硬度居里温度熔点单元参数晶体结构非线性系数损坏阈值半波电压电光系数1064nm的折射率100MW/cm2(10ns,1064nm)γT33=32pm/V,γS33=31pm/VγT31=10pm/V,gγS31=8.6pm/VγT22=6.8pm/V,γS22=3.4pm/Vne=2.146,no=2.220@1300nmne=2.156,no=2.232@1064nmne=2.203,no=2.286@632.8nmd33=86×d36(KDP)d31=11.6×d36(KDP)d22=5.6×d36(KDP)3.03KV(E∥z),4.02KV(E⊥z)1253℃5420nm-5