固体激光器的应用

1、固体激光器的应用所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。I960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。距今已有整整五十 年了，在这五十年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。固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。固体激光器从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。 现在激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等

2、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 的历史相比我们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。一、固体激光器的类别：固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激 活离子或其他激活物质构成。常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr： AI2O3）、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd: YAG、掺钛的铝酸忆（Nd: 丫 ALO、掺钛的氟化忆锂（Nd: YLF）等多种。它们发出激光的波长主要取决于掺杂离 子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为 694. 3纳米，深红色；又如掺钕的多种 晶体和玻璃，工

3、作波长为1微米多，为近红外。二、固体激光器的构造及原理：在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物 质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工 作环境，而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子， 如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片 组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。掺铬红宝 石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激 光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激

4、励，会发射出 各种不同波长的激光。早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器，来完成激光工作物质内原子的 受激辐射过程的，这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电 能直接转化为激光的能量，一直是人们梦寐以求的事情。近年来，科学家成功地研 制出了半导体激光器，一旦接通电源，便会发出激光。选用不同的半导体材料和不 同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出 现，大大减少了激光器的体积，米粒大的一个半导体芯片，接上电源，便会发射出 神奇的激光。目前，半导体激光器已在许多方面得到了广泛的应用。三、固体激光器的优缺点固体激光器主要优点：1）输出能量大，峰值功率

5、高。在固体激光器中，由于中 心粒子的 能级结构，能够输出大能量，并且峰值功率高。这个是固体激光器非常突 出的优点。2）结构紧凑耐用，价格适宜。和其他类型的激光器相比，固体激光器的结构非常简单并且非常耐用，同时价格相对适宜。3）材料种类数量多。固体激光 器的工作物质的种类非常多，到目 前为止至少有一百多种，而且大有增长的趋势。 大量高性能的材料的出现，是固体激光器的性能进一步的提高。固体激光器的主要缺点：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，因此固体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。固体激光器的总

6、体效率 非常低，例如红宝 石激光器的为0.5%18左右，YAG激光器的总体效率为1%2% 在最好的情况下可接近3%可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。四、固体激光器的应用固体激光器的应用范围是同它的特点和发展水平分不开的。固体激光器的特点 大体上可归纳为：有较大的输出功率和较紧凑的结构。 直到80年代末期，固体激光 器的应用主要集中在科研与研发、加工、医疗和军用等四个方面。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、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面

7、 4.2 18 4.3在科研与 研发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究的高峰值功率激光器系统、作光谱研究 和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器以及由同体激光器泵浦的染料可 调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红卞石激光器、 作高速摄影用的超短脉冲激光器、 测人造地球11星轨迹和地球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等。在工业制造方面，激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互 作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加 工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、 激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光

8、化学反应加工是指激光 束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化 学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。这里我们主要来看看固体激光器的加工应用。1）激光切割技术。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少 加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功 率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割质量、 高的切割速度、高的柔性（可随意切割任意形状）、广泛的材料适应性等优点。2） 激光焊接技术。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热 传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部

9、扩散，通过控制激 光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 由于其独特的优点，已成功地应用于微小型零件焊接中。与其它焊接技术比较，激 光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小，能在室温或特殊的条件 下进行焊接，焊接设备装置简单。3）激光清洗技术。激光清洗技术是指采用高能激 光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒、锈斑或涂层等附着物发生瞬间蒸发或剥 离，从而达到清洁净化的工艺过程。在医疗美容方面，固体激光器医疗与美容方面的应用也是非常广泛的，但是在 这方面可以说3 Nd :YAG激光器“一家独大” 。3 Nd :YAG激光器是医学中用得较 多的固体激光器，

10、它的转换率 高，输出功率大，单根晶体工作时输出功率可达百瓦， 比二氧化碳气体激光止血及凝固效果好，故在医学上常用来做手术刀，广泛应用于 普外科、耳鼻喉科、泌尿科和骨科及整形科经皮椎间盘手术等，切割血管丰富的组穿透组织较深。3 Nd :YAG激光器采用倍频技术可输出532nm的绿色激光，即倍频26mm能量密度为512j/cm 2 。虽然血管中的氧 合血红蛋白对波长为532nm的光的吸收次于585nm的光，但可选择532nm波长激光 适当脉宽对血管性病变组织进行治疗。由于其穿透较浅，因而一般仅限于对较浅的 血管性病变进行治疗。另外，血管瘤的的治疗及显微外科手术，对于由红的染料颗粒所引起的文身、文唇

11、等人为的皮 肤色素变异亦具有一定的治疗效果19。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20。在军用方面，主要用于测距和目标指示。前者广泛用于步兵、炮兵、装甲车辆、 飞机、舰艇，不仅用于观测目标距离，更多的是成为火力控制系统的一部分，大大 提高火炮的酋发命中率。后者用于激光半主动制导，成为精确制导武器的“眼睛”。例如1991年海湾战争中，多国部队的飞机大量使用了激光制导的航弹， 高精度地摧 毁厂伊拉克的许多重要军事目标。下面

12、列举一些激光武器的应用：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。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。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。五、固体激光器的发展进入90年代，随着固体激光器性能的改进，”之不仅在原有的四个应用领域的 竞争力明

13、显增强，而且开辟了一些新的重要应用领域。首先是二极管泵浦的固体 激光器进入了信息传输领域。随着有线电视（CATV等活动图像信息传输的迅速增 长，作为发射源的半导体激光器已满足不了大功率和低失真的要求，转而部分采用 大功率（几十毫瓦至一百多毫瓦）低噪声的二极管泵浦的Nd:YAG激光器，其波长为 1.31微米，被传输的信号则用宽带妮酸狸调制器进行外调制加上去。这种光源1993年全球销售了 4000多台，1994年预测可增至5000多台。其次是二极管泵浦的固 体激光器进入分色、制版等印刷行业，开始在这新领域中占有一一席之地。再次是 随着环境监测的重要性日益提高，基于固体激光器的测风雷达、测污雷达等传

14、感器 有明显的增长。高峰值功率固体激光器可用于产生调光激光。近年来这方面的工作 也有重大进展。用固体激光激励产生的调光激光将逐渐广泛地应用于微细加工等领 域。综观上述进展，我们有理由相信固体激光器，特别是二极管泵浦的固体激光器， 包括高功率的和可调谐的固体激光器将有越来越宽广的应用前景。它们将变得日益 成熟、日益廉价，不仅更多地进入实验室，进入工厂一车间和医院，进入各种军事 装备，而且会进入办公室、商店，甚至进入家庭。世纪之交即将来临，让我们对固 体激光器及其应用的进一步发展拭目以待。固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激光器。 从世界上第一台激光器发明至今，固体激光

15、技术取得了很大的发展，主要表现三个 方面：第一是工作物质不断改进。最初是红宝石激光器，后来出现了钕玻璃和掺钕 钇铝石榴石激光器，现在又有了掺钕镓钆石榴石激光器。还有报道称，目前出现了 以陶瓷为基质的新型激光材料。第二是泵浦光源的改进。最初是闪光灯，后来发展 为弧光灯，现在出现了高功率激光二极管泵浦。第三是工作物质结构的改变。从最 初的棒式结构发展成板条式，又到后来的光纤式结构。固体激光器的发展趋势是材 料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器 的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工 作寿命等。总之，固体激光技术的发展过程是一个不断革新的过程，固体激光器发展到今天，无论在结构、输出功率、转换效率还是光束质量方面都有了很大进步。六、参考文献1 激光原理与应用（第二版）.陈家壁,彭润玲著电子工业出版社，2008.8.272 固体激光工程.克希奈尔著，孙文，江泽文，程国祥译科学出版社.2002.53 高能固体激光器现状及发展趋势.李修乾,洪延姬.科学出版社.2002.54 高功率LD泵浦的内腔倍频Nd:YAG激光器研究.陈进.天津大学博士论 文,2003.3 大功率泵浦固体激光