红宝石激光器论文

1、 红宝石激光器原理及应用教学学院 化学与生命科学学院 届 别 2012届 专 业 材料化学 学 号 120843077 姓 名 田静 完成日期 2015.5.9 目 录1摘要12激光与激光器12.1激光12.2激光器23固体激光器33.1工作原理和基本结构33.2红宝石激光器53.3红宝石激光器的优缺点64固体激光器的应用74.1固体激光器在军事国防上的应用74.2红宝石激光器的应用9参考文献1112 摘要世界上第一台激光器红宝石激光器（固体激光器）于1960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。固体激光器从

2、其诞生开始至今，一直是备受关注。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。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) 低成本高质量现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。2激光与激光器2.1激光2.1.1激光（L

3、ASER）激光的英文名LASER，是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写1。2.1.2产生激光的条件产生激光有三个必要的条件2：1) 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）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。2.1.3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

4、点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。2.2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（以至射线和射线）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。2.2.1激光器的诞生史 激光器的诞生史大致可以分为以下三个阶段3：理论基础阶段、粒子数反转阶段和激光器产生（竞赛）阶段。2.2.2激光器的分类1960年，梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光

5、器。如下表1所示，分别从激光的工作物质、激励方式、运转方式和输出波长范围等四个方面进行分类。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 表一3 固体激光器3.1 工作原理和基本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（有部分结构没有画出）。固体激光器主要由工作物质、泵浦

6、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4。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（都为金属）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（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状4。2) 泵浦系统 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

7、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（尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源），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（如下图2 a）；纵向:垂直入射的侧面泵浦（如图2 b）。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，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。3.2红宝石激光器（

8、：）红宝石是由蓝宝石（）中掺入少量的氧化铬（）而形成。红宝石激光器的工作物质是:，其中，作为基质晶体，是发光的激活粒子，光谱特性与的能级结构有关，它是三能级系统。如下图4所示为红宝石晶体能级图5。在室温情况下，红宝石激光器一般输出694.3nm的红光。图3 红宝石中铬离子的能级结构红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好，高功率密度，大尺寸晶体，亚稳态寿命长，高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。3.2.1红宝石激光器的工作原理红宝石棒两个端面精磨抛光，其中一个端面镀银，成为全反射面，另一个端面平镀银，成为透射率10% 的部分

9、反射面。激励能源是光源螺旋形脉冲氙灯（现经常采用直管氙灯），由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面，外有聚光器加强照射效果，闪光灯通常一次工作几毫秒，输入能量1000-2000J，闪光灯的大部分输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝石所吸收，并转移到其中的相应能级上。当由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时，则每激励一次，就有一束相干光从红宝石的半镀银面射出，其波长为694.3nm红光。 当氙灯射红宝石时，基态能级上的吸收（360450）nm和（510600）nm的光跃迁到和能级。在和能级上的寿命s很短，因而迅速通过无辐射跃迁到能级。该能级是寿命较长的亚稳态。在这个能级上可以积累较多的，可以实现

10、在和上的粒子束反转。而有两个能级间隔为29的子能级2和组成。粒子由2和向跃迁产生694.3nm和692.9nm的荧光谱线，称为线和线。 由于能级集居数较2的多，所以易于产生线，线形成后，抽空的粒子很快由2的粒子补充，在2与很难形成粒子束反转，则激光器只能输出线。3.3红宝石激光器的优缺点红宝石激光器主要优点： 1）从应用观点看红宝石是很有吸引力的，因为它的输出在可见光范围，而大多数稀土四能级激光器的输出则在近红外。 2）从光谱角度看红宝石具有以下几方面的优点：较窄的线宽、长荧光寿命、高量子效率以及宽的而位置优越的泵浦吸收带。这可以非常有效的利用闪光灯发射出泵浦辐射。3）输出694.3nm波长的

11、可见激光。光谱线宽0.010.1nm，光斑直径为36mm。易于接收和检测。红宝石激光器主要缺点：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，因此红宝石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，红宝石激光器的转换效率在0.5%1%左右。3）红宝石激光器属三能级系统，具有较高的泵浦能量阈值，通常只能以脉冲方式运转。4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

12、照相以及激光核聚变等方面。4.1军事国防在激光器军事应用的过程中，固体激光器可算是后起之秀。直到20世纪90年代，由于激光技术的发展，固体激光器才在各种军事应用领域崭露头角，并成为绝对的主角。1) 常规的固体激光武器激光测距仪是部队中使用最普遍的激光系统，他们被装备在主站坦克、火炮和步兵战车上等。装备之后，可以大大的提高攻击命中率。相比传统的光学瞄准装备，命中率提高数倍。目前，服役的激光测距仪大多数是1.06mm的掺钕钇铝石榴石（:）激光测距仪。但由于长期使用该固体激光器容易让人眼膜损坏，目前正在转向对人眼安全的1.54mm掺铒（Er）的磷酸玻璃激光器。当然，还有一些被大量使用的常规激光武器，

13、例如激光目标指示器（LD泵浦的固体激光器），激光雷达等6。2) 激光导弹防御系统 激光导弹防御或称激光反导的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。我们可以说这方面是LD泵浦的固体激光器的天下，因为它有一些突出的优点。目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用LD泵浦的固体激光器7。3) 未来的激光武器未来的固体激光武器主要的方向是超高功率和高便携性。高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分，将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高，充分发挥每一个兵的作用

14、，当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这两个目标发展，当然实现这两个目标还需很漫长的等待。如下图7所示，为美军未来车载激光武器效果图8：图4 美军未来车载激光武器效果图如下图59所示为诺思罗普格鲁曼公司研制出的高功率固体激光器，起功率达到100千瓦，可以说这个功率的出现是固体激光器向高功率方向发展迈出的非常有意义和非常重要的一步。图5诺思罗普格鲁曼公司研制出的高功率固体激光器4.2红宝石激光器的应用 红宝石激光器对玉石进行加工的研究为国内的首创,在国内尚无现成的理论和产品。随着时代的发展,玉石加工的技术也在不断地更新换代。我希望把激光这种先进的技术引进到玉石加工中来,

15、以之代替现有的机械加工和超声波加工的方法,达到提高玉石加工的效率和质量的目的。然而,对于玉石来说,大部分激光器发出的激光吸收率并不高,这就造成了玉石加工中激光器应用能力不强的特殊性问题。这时,以红宝石(ruby)为工作物质的红宝石激光器发出的激光由于其在玉石上相对来说较高的吸收率而被重视起来 。如下图6是红宝石激光器激光打孔。图6 红宝石激光器激光打孔眼科：用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的切除等；激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。如图7所示： 图7 视网膜的焊接红宝石激光器波长为69

16、4.3nm的可见红光，这种波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较高，尤其适用于各种色素性疾病 黑色素细胞对532nm的激光的吸收较强，加之皮肤组织对该波长的散射较强，照射在皮肤上的532nm激光能量被局限在皮肤表皮层，采用调Q技术后，可对表浅型黑色素细胞增生，如咖啡斑、老年斑、雀斑等达到较好的治疗效果12。参考文献1 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,1996:282 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,2008.8:273 单振国,干福熹.当代激光之魅力.北京:科学出版社,2000:5-104 克希奈尔著,孙文,江泽文,程国祥译.固体激光工程.北京:科学出版社.2002.5:76-775 陈家壁,彭润玲.