c5.1固体激光器

§5.4半导体激光器§5.3染料激光器§5.5其他激光器第五章典型激光器介绍§5.2气体激光器§5.1固体激光器11960年7月，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器，标志了激光技术的诞生。694.3nm红光§5.1固体激光器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。固体激光器主要特点：①运行方式多样。可在连续、脉冲、调Q及锁模下运行，获得高平均功率、高重复频率、高单脉冲能量和高峰值功率；②能实现激光运转的固体工作物质多达数百种，激光谱线数千条，多工作于可见光及红外光区，通过频率变换技术可到紫外区；③固体激光器系统简单，工作容易，传输灵活，可接光纤；④结构紧凑，牢固耐用，价格低廉，应用前景广泛。固体激光器应用：目前固体激光器在激光应用中占有极其重要的地位，可用于材料加工、激光测距、激光光谱学、激光医疗、激光化工、激光分离同位素及激光核聚变等。§5.1固体激光器§5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器的基本结构图5-1固体激光器的基本结构示意图1.激光工作物质2.泵浦系统3.谐振腔4.冷却系统5.滤光系统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)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侧面泵浦固体激光器结构示意图§5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质二、固体激光器的工作物质工作物质是固体激光器的核心，是固体激光器领域一直在研究并且继续在发展的方向之一。对固体激光工作物质的一般要求：1.较高的荧光量子效率。2.针对某一泵浦源有较强的光谱吸收。3.光学质量好：杂质，气泡，条纹，内应力，光学不均匀少。4.良好的物理、化学性能：导热率高，热膨胀系数小，熔点高，机械强度高，可承受高功率密度，化学稳定性好。5.制备简单，加工容易，成本低，足够尺寸。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Nd3+，Yb3+，Tm3+，Ho3+等）实现固体激光工作物质的组成：激活离子和基质激活离子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基质材料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、红宝石晶体红宝石晶体是在Al2O3中掺入少量的Cr2O3由Cr3+部分取代Al3+而成，其激活离子是Cr3+（铬）化学表达式：Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体提拉法生长可以获得大尺寸晶体几种典型固体激光工作物质激光性质主要取决于Cr3+激光上能级：2E，能级寿命3ms（亚稳态）2E分裂成两个子能级和2，向基态跃迁时产生692.9nm(R2线)和694.3nm(R1线)的自发辐射激光下能级是基态能级，为三能级系统红宝石晶体能级结构ΕA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红宝石晶体的吸收光谱吸收特性与光的偏振状态有关（各向异性导致）红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带：紫带（或称U带）：中心波长位于410nm附近，对应于4A2向4F1能级的跃迁绿带（或称Y带）：中心波长550nm附近，对应于4A2向4F2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红宝石晶体有两条强荧光谱线：R1线,R2线R1线：中心波长694.3nm，对应于-4A2的自发辐射跃迁R2线：中心波长692.9nm，对应于2-4A2的自发辐射跃迁红宝石激光器通常只产生694.3nm的辐射，原因激光上能级和2上的粒子数服从玻尔兹曼分布R1线的荧光强度高于R2线，使得R1线的受激辐射机率高于R2线ΕAAΕ红宝石晶体的主要特点优点：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；荧光谱线宽；低温性能优良；输出可见光；缺点：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。2、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)晶体将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。是在钇铝石榴石（Y3Al5O12）中掺少量的Nd2O3，由Nd3+取代Y3+得到。Nd3+是三价稀土离子中最早用于激光的。化学表达式：Nd3+:Y3Al5O12(Nd:YAG)各向同性晶体几种典型固体激光工作物质Nd3+:YAG晶体的吸收光谱在紫外、可见光和红外区内有5条强吸收带Nd3+:YAG晶体的能级结构四能级系统激光波长：4F3/2~4I9/2：946nm4F3/2~4I11/2：1064nm4F3/2~4I13/2：1319nmNd3+:YAG晶体的主要特点优点：四能级系统阈值低，优良的热学特性可用于连续和高重复频率工作3、掺钕钒酸钇(Nd3+:YVO4)晶体吸收截面大，受激发射截面大，高增益系数;激光波长1064nm、1342nm;热性能比YAG略差。其它钕离子激光器固体激光工作物质掺杂浓度的影响：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。掺杂浓度高，吸收高，激光器的效率高；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。掺杂浓度低，热效应小，但吸收少，降低激光器的效率；因此，存在一最佳掺杂浓度。5.1.2固体激光器的泵浦系统1.固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件：①有高的发光效率；②辐射光的光谱与激光工作物质的吸收光谱相匹配。3.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光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。图(5-6)椭圆柱聚光腔2.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，必须采用聚光腔。主要泵浦源有：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，但与激光介质的吸收光谱匹配差，效率低。5.1.2固体激光器的泵浦系统4.冷却：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。5.滤光：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。5.1.3固体激光器的输出特性1.固体激光器的激光脉冲特性2.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。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：couabcLpinthinouttPPPP1211couabcLpinthinouttEEEE1211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(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)s，各短脉冲之间的间隔约为(510)s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。采用调Q和锁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vp：泵浦光频率5.1.3固体激光器的输出特性2.转换效率总体效率：couabcLpinthinouttPPPP1211couabcLpinthinouttEEEE1211ηL：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15%；ηc：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80%；ηab：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20%，对半导体可达到80%~90%；η1：由激发态E3向激光上能级E2跃迁的量子效率ηcou：输出耦合效率5.1.4新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器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DiodePumpedSolidStateLaser(DPL,DPSSL)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。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。（2）热效应小，可制成全固化器件，激光谱线更窄，频率稳定性更好。（3）寿命长，结构简单体积小，使用方便。5.1.4新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器图(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，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。优点：可获得大功率输出优点：模式匹配好，阈值低，效率高光束质量好5.1.4新型固体激光器2.可调谐固体激光器可调谐固体激光器主要有两类：一类是色心激光器，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(0.8～3.9微米)、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。色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。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（Cr:BeAl2O3)、掺钛蓝宝石（Ti:Al2O3)等5.1.4新型固体激光器3.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、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。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(5-8)所示。特点：面泵浦、面冷却的板条状介质可实现均匀泵浦，折射率梯度不明显；锯齿光路可补偿热透镜效应。图(5-8)板条形固体激光器结构示意图作业P126:3、4