固体激光器-第一讲

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§哈工大光电子信息科学与技术系Page:1第1章——————————————固体激光器的基本原理与特性固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:2§1.1引言•1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。•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694.3nm红光固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:3§1.1引言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。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。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:4§1.2固体激光器的基本特性•固体激光器的基本组成：1.激光工作物质2.泵浦源3.聚光腔4.谐振腔5.冷却与滤光固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:5§1.2固体激光器的基本特性固体激光器的能量转换：①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50%；②聚光腔的聚光效率聚光腔的类型、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%；③激活粒子的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%；④荧光量子效率粒子吸收光子到辐射光子之间的总量子效率。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:6§1.2固体激光器的基本特性•荧光量子效率012亚稳态发射的荧光光子数量子效率工作物质从光泵吸收的光子数η1：泵浦能级向激光上能级无辐射跃迁的概率η2：激光上能级的粒子通过自发辐射或受激辐射跃迁至激光下能级的概率A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A30A31固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:73213231SSA三能级=+§1.2固体激光器的基本特性321323031SSAA四能级=++2122121AASA21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A30A31优质红宝石可达0.7，普通红宝石0.5，钕玻璃0.4，Nd:YAG接近1固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:8§1.2固体激光器的基本特性lpvv斯托克斯效率：,,lp激光频率泵浦光频率例如：对于808nm泵浦的1.06μmNd:YAG激光器，其斯托克斯效率~76%，相应的量子亏损为24%。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:9§1.2固体激光器的基本特性•激光器的输出特性激光器的输出功率（能量）激光器的效率固体激光器的阈值()inthlcabpTPPPT211outηl：发光效率ηc：聚光器效率ηab：吸收效率v21：激光振荡频率vp：泵浦光频率T：输出镜透过率β：工作物质的内部损耗率(ln)21211112ththgnlRσ21：受激发射截面α：工作物质的损耗系数l：工作物质的长度R：输出镜的反射率/soutinPP固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:10§1.3固体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，足够尺寸固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:11§1.3固体工作物质•固体激光工作物质是由激活离子和基质两部分组成。其中激活离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，基质主要决定工作物质的物理、化学特性。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:12§1.3固体工作物质1.稀土离子•钕（Nd3＋）•实现了100多种基质中获得受激发射•以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射•铒（Er3＋）•实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基质中的受激发射。•1.53~1.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。•常用的Er3＋:YAG经敏化，最易其振，输出波长为2.9um。•钬（Ho3＋）•掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长2um•掺Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:13§1.3固体工作物质1.稀土离子•铥（Tm3＋）•与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出。•二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出•二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出•高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输出•镨Pr3＋，钆Gd3＋，铕Eu3＋，镱Yb3＋，铈Ce3＋•二极管泵浦的Yb：YAG激光器•二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器•钐Sm2＋，镝diDy2＋，铥Tm2＋•液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:14§1.3固体工作物质2.锕系离子–掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。3.过渡金属–铬（Cr3+)•红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠绿宝石，Cr3＋：BeAl2O4）―钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：Al2O3）―Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:15§1.3固体工作物质二、基质材料（为激活离子提供合适的配位场）：•适合作为激光离子的基质晶体的选择原则：①掺杂后晶体必须具有均匀的折射率②晶体的机械、热性能容许高功率工作（热导率，硬度和抗裂强度）③晶体的晶格能够接收掺杂离子，局部晶体场感应出期望光谱特性所需的强度。一般，截面接近10－20cm2。④生长出足够尺寸的高质量晶体。对于1300℃下可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:16§1.3固体工作物质晶体：1.蓝宝石（Al2O3）•质硬，导热率高•Al容易被过渡金属离子取代，Al相对稀土离子较小，不可能得到高掺杂浓度。•以红宝石（Cr:Al2O3)和钛宝石(Ti:Al2O3)为代表。2.石榴石（YAG）•性能稳定，质硬，热导率高•光学各向同性•有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)，钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。•Nd3＋:YAG，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位。•YAG中也可掺铒Er3＋，铥Tm3＋，钬Ho3＋和镱Yb3＋。•同时掺Cr3＋的Nd:GSGG，可显著提高对闪光灯的辐射。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:17§1.3固体工作物质3.铝酸钇YAlO3(YAP)•Y2O3和Al2O3，1:1混合物，负单轴晶体•可线偏振光输出•生长快速•物理和机械性质与YAG类似•可选择不同的结晶方向，得到不同的光谱特性，实现高增益，低阈值或者调Q所需的低增益，大储能。•可掺杂Nd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。4.硫氧化物•稀土硫氧化物，如硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，均有相同晶体结构，为单轴晶体。•稀土激活离子在稀土硫化物基质中可形成任意浓度的固体溶液•硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，硫氧化钆可透过0.35um~7um波长。•Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波长处激光跃迁截面约为Nd:YAG的1/3。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:18§1.3固体工作物质玻璃：1）易于制备。可获得高透光性、光学均匀、大尺寸的激光工作物质，成本较低，是大功率和高能量激光的主要材料。2）基质玻璃的成分易于改变，可加入各种激活粒子，掺杂浓度亦可提高，可发展各种特性的激光玻璃。3）易于加工和成型。可制成棒状、板条状、片状，较晶体易于加工，适应于各种器件结构。常用的是硅酸盐和磷酸盐玻璃。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:19§1.3固体工作物质•掺杂浓度•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，激光器效率反而下降，甚至出现浓度猝灭。•因此，存在一最佳掺杂浓度。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:20§1.3固体工作物质工作物质的劣化与破坏•劣化–激光输出效率降低50％以上–色心吸收•红宝石，粉红－橙红－棕红•Nd:YAG，淡紫－棕红•钕玻璃，紫红－棕红–杂质离子变价•破坏–现象：端面，内部–原因：介质本身，能量密度，表面污染，腔型，冷却破坏阈值影响因素工作物质本身：内部，表面脉宽谐振腔是否有聚焦点固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:21§1.3固体工作物质几种典型的激光工作物质•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在蓝宝石中掺入少量Cr2O3，Cr3+取代部分Al3+固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:22§1.3固体工作物质Cr3+的吸收光谱吸收谱线：410nm，550nm发射谱线：694.3nm，692.9nm固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:23§1.3固体工作物质红宝石晶体的优缺点：•优点：机械强度高，承受的功率密度大；易加工成大尺寸，获得大脉冲能量；输出为可见光。•缺点：阈值高性能随温度变化明显，（温度升高，输出向长波方向移动；荧光寿命是温度的函数；荧光量子效率随温度升高降低）固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:24§1.3固体工作物质Nd：YAG由Al2O3、Y2O3、Nd2O3熔化结晶而成。部分Y3+被Nd3+所取代。YAG基质光学质量好，热导率高，各向同性；•Nd：YAG激光器增益高，产生非偏振的激光；•Nd：YAG激光器热退偏效应严重；•Nd：YAG激光器产生的激光波长主要有946nm，1064nm，1342nm。固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:25§1.3固体工作物质Nd3+:为激活离子激光波长：4F3/2~4I9/2：914nm4F3/2~4I11/2：1064nm4F3/2~4I13/2：1342nm固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:26§1.3固体工作物质0.81μm0.75μm0.58μm固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:27§1.3固体工作物质Nd：YAG特点：具有优良的物理、化学性能，激光性能和热学性能。能制成连续和高重复频率器件，它是目前应用最广泛的固体工作物质。•连续，脉冲，调Q，锁模•可闪光灯泵浦也可二极管泵浦•功率可大可小•广泛应用于各行业固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:28§1.3固体工作物质钕玻璃•某种型号的玻璃掺入Nd2O3制成。中心波长：0.92um，1.06um，1.37um固体激光器哈工大光电子信息科学与技术系Page:29§1.3固体工作物质红宝石Nd:YAGNd:Glass掺杂浓度1.58E19(cm-3)1.38E20(cm-3)~3E20(cm-3)受激辐