第三章 固体激光器

第三章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。常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋:YAG)等三种。固体激光器的特点：输出能量大(可达数万焦耳)，峰值功率高(连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦)，结构紧凑，牢固耐用。广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通信等。一、固体激光器的基本结构与工作物质1、固体激光器结构：由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。下图是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示意图第一节概述2、固体工作物质固体工作物质基质材料掺杂离子物理、化学性能光谱特性基质材料玻璃晶体硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃氧化物晶体氟化物晶体各自又分为单一和混合两类

激活粒子可分为四类（1）三价稀土金属离子（2）二价稀土金属离子（3）过渡金属离子（4）锕系金属离子固体工作物质达数百种，已获得数千条激光光谱线掺杂离子浓度1025~1026m-3,比气体工作物质高3~4个数量级，且固体工作物质激光上能级寿命也比较长，易于获得大能量输出，适合调Q二、红宝石晶体红宝石晶体红宝石的化学表示式为Cr3+:Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体(化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶体。红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr3+密度ntot=1.58x1019cm-3。

红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3后失去外层三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电子组态为3d3。红宝石的光谱特性就是Cr3+的3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子完全暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。Cr3+在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析,已确定红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。如图5-3所示。4A2是基态又是激光下能级,其简并度g1=4,2E是亚稳态,它是由能量差为29cm的2A和E二能级组成,其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收能带。红宝石中铬离子的能级结构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

红宝石的吸收光谱如下图所示。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近,称为紫带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55μm附近,称为绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约0.1um左右。由于红宝石晶体的各向异性,它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下,其吸收曲线略有差别,见下图。红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的能级结构

红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。通常红宝石激光器中只有

R1=0.6943μm线才能形成激光输出。

红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占47%,E能级上约占53%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去,这就加强了R1线,而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的位子均将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。

红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。

但具有很多优点,如:机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。红宝石中铬离子的能级结构

Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图所示Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱Nd3＋:YAG

的能级结构

YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图所示。它属于四能级系统。1.06um比1.35um的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振,进而抑制1.35um谱线起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um激光。只有采取选频措施，才能实现1.35um波长的激光振荡。

继1960年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量为1%~5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为3×1020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1~2m,直径30~100mm,可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。

钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。四、钕玻璃E4:含三个吸收带(抽运能带)*(吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带)(中心波长5900A)(...............7500A)(...............8000A)E3:三条激光谱线公共的激光上能级E2:含二条激光谱线的二个激光下能级(四能级系统),即(,对应1.4μm

谱线)(,对应1.06μm谱线)

钕玻璃的能级结构和跃迁光谱

E1:基态,一条激光谱线的激光下能级(三能级系统):(

对应0.9μm谱线)

跃迁谱线:

①1.06μm:四能级系统,跃迁几率大,通常可观察到;

②1.4μm:四能级系统,跃迁几率较小,不一定可观察到;③0.9μm:三能级系统,难实现粒子数反转,一般不出现.第二节

固体激光器的泵浦系统

一、光泵浦固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般采用光泵浦激励最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯(灯内充入氙山、氪等惰性气体)、金属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器、日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝石钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与Nd:YAG泵浦吸收带相匹配,故在连续和小能量脉冲Nd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨灯用220V电压即可,使用简单、方便,在功率小于1OW的连续Nd:YAG器件中可以应用。砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。

在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。

二、泵浦光源应当满足两个基本条件1、有很高的发光效率2、辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.

三、惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。见图

(a)。电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电极要设计成水冷结构,见图(b),灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙(Xe)、氪(kr)气体。

四、惰性气体放电灯的辐射特性

氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时,辐射的特征谱线的峰值波伏在0.84、0.9和1um附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的特征谱线的峰值波长在0.76、0.82和0.9um附近。可见,氪灯的特征谱线与Nd:YAG的主要泵浦吸收带相匹配,因此连续和小能量(<10J)脉冲Nd:YAG激光器用氪灯泵浦效率较高。实验发现：充气压增高,特征谱线的线宽也增加。随着放电流密度的增大,连续谱增加的份量比线谱多,当电流密度增加到一定值后,连续谱逐渐掩盖了线光谱,与黑体辐射相接近,且短波部分的增长比长波快,光谱重心移向短波。因此,在高电流密度放电情况下,有利于红宝石的吸收。大中型钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器,由于泵灯的放电电流密度高,灯辐射的特征谱线相对减弱,此时应采用辐射能量大、效率较高的脉冲氙灯。

五、聚光器(或称泵浦腔)

其作用是将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去聚光器设计得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。

1、.聚光器的类型

①椭圆柱聚光器

这种聚光器的内反射表面的横截面是一椭圆。因为从椭圆一个焦点发出的所有光线,经椭圆面反射后将会聚到另一焦点上。因此,如果把直管灯和棒分别置于椭圆柱聚光器的两条焦线上(如图a所示),则可以得到比较好的聚光效果。这种放置方法称为“焦上放置”也可将泵灯和激光棒平行地安置在焦线和腔壁之间,这种放置称为“焦外放置”。(如图b所示),椭圆长辅上焦点外任意点发出的光,经椭圆反射后必交于另一端焦点外的长袖上,因此,焦外放置的棒可以截获焦外放置的泵灯所辐射的大部分能量。焦外放置不如焦上放置成象质量好,但采用焦外放置,结构设计上可以做得比较紧凑。图b椭圆腔的焦外几何光路图a椭圆柱聚光腔聚光器的类型聚光器的类型

设椭圆的长半轴为a,短半轴为b,焦距为2c,偏心率为e=c/a.理论和实验分析发现,在灯内径和激光工作物质确定后,e越小,聚光器的聚光效率越高,因为e小,泵灯截面经椭圆面反射后成象弥散小,光能被工作物质截获得多。但e太小,意味着a大或c小.a大则聚光器尺寸大。c小则二焦点靠得近,采用"焦点"放置时则灯和工作物质靠得近,直照强,容易造成工作物质光照不均匀,影响激光光斑质量.因此,一般取e=0.4为宜。

为了尽可能利用沿轴向发射的泵灯光能,在椭圆柱的两端应有反射端面。但当聚光器横向尺寸较小,而轴向尺寸比棒、灯长得多时,两端也可以不加反射面,因为此时可利用的轴向光能很少。

②圆柱聚光器

这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔,激光棒和泵灯置于轴线两侧.由于圆相当于焦点重合的椭圆,因此圆柱聚光器内棒、灯的放置相当于椭圆柱聚光器的"焦外放置"。

圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光器强,而且在同样棒、灯直径情况下,圆柱聚光器横截面积大,体积也大。但它具有结构简单、加工方便等优点。

六、固体激光器的热效应

固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。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。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。

2、聚光器的材料选择制做聚光器时，常用的金属材料石铝、铜和不锈钢，常用的非金属材料有玻璃、陶瓷等。铝通常用在轻型系统中；如果重量要求不严时，最好选用铜，这是因为铜的热胀。热导率高；不锈钢具有不易生锈和抛光精度高等优点，但热导率很低，仅为铜的1／10。玻璃和陶瓷虽然易碎，导热性差，但它们具有金属所没有的优点，如不生锈，不易被腐蚀。陶瓷的漫反射性能也好，可制成反射率很高的漫反射激光器。第三节LD泵浦固体激光器（DPL)一、优势1、光谱窄，与工作物质吸收带匹配可提高效率，减轻热效应2、结构紧凑3、寿命长，连续>104h，脉冲>109次4、模块化泵浦波长630-680nmAlGaInP770-990nmGaAlAs900-1000nmInGaAs同灯泵比：效率提高10倍寿命增长100倍体积减小10倍可靠性大100倍二、泵浦方式——A端面泵浦三、泵浦方式——B侧面泵浦四、泵浦方式——C基于内反射的泵浦Diode-pumpedsolidstate(DPSS)第四节可调谐全固态激光一、可调谐激光发展方向1、“三超”

——超宽调谐，超高功率，超短脉冲

2、全固化

——小体积、长寿命、高效率、高可靠

3、固体可调谐激光源具代表性

二、原理和技术1、宽光谱带激光效应

——色心晶体，终端声子激光晶体2、非线性变频效应

——非线性光学晶体，准相位匹配芯片可调谐激光器倍频和频差频短波调谐短波调谐长波调谐

激光源光参量振荡/放大倍频和频差频宽调谐

基础和关键技术基础：综合性能优良晶体，高亮度，高光束质量激光泵源关键：可调谐激光产生和扩展结构超宽调谐三、宽调谐固体激光的产生

四、掺钛蓝宝石激光器1980年林肯实验室P.F.MouLton首次演示晶体具有优良的综合性能：宽荧光谱和吸收谱，大发射截面，低激发态吸收，优良的物化性能，晶体生长，光学质量高。

——“三超”激光和高光谱分辨激光基础光源掺钛蓝宝石激光器吸收谱和发射谱调谐输出：720—

1080nm（四对腔镜）CW：最高43W，W级单频（单模），谐波→252nm，全固化µs脉冲：6.5J/脉冲，200W平均功率，灯泵。ns脉冲：50W平均功率，谐波7W（430—460），全固化Fs脉冲：脉宽4.5fs，峰功率100TW，19fs，10Hz，平均功率（9W）焦点功率密度：~3×1020W/cm2钛宝石-钕玻璃混合系统：

1.5PW峰功率—强场光物理关键设备。掺钛蓝宝石激光器现状20–200fs~100MHz0.1–1W0.68–1.1mf掺钛蓝宝石自锁模掺钛蓝宝石飞秒激光器—CW及自锁模全固态钛宝石激光器掺钛蓝宝石激光器全固态飞秒钛宝石激光器输出功率：300mW调谐范围：750-820nm模式：TEM00

连续器件平均功率：200mW脉冲宽度：30fs重复频率：77MHz飞秒器件全固态激光器应用脉冲Nd:YAG激光器（PulsedNd:YAG）Applications

Pumpsourcefordyelasers染料激光器泵浦

Laser-inducedfluorescence激光致荧光

Remotesensing遥感

Ablation烧蚀

LIDAR激光雷达

CARS相干反斯托克斯拉曼散射CoherentAnti-StokesRamanScattering典型固态激光器及应用高能脉冲HighEnergyPulsed

紧凑型Nd:YAG激光器

INDISeries,CompactNd:YAG

Applications应用

Plasticandceramiccomponentsmarking塑料陶瓷组件打标

Lasercleaning激光清洗

LIBS激光诱导离解光谱（Laser-InducedBreakdownSpectroscopy）

Flat-paneldisplayrepair平面板显示修复

Ablation烧蚀

Flowvisualization流场显示

LIDAR激光雷达

Dyelaserpumping染料激光器泵浦典型固态激光器及应用超快Ultrafast

SpitfirePro超快钛蓝宝石放大器

SpitfireProUltrafastTi:sapphireAmplifierApplications应用

Multicolorpump-probestudies彩色泵浦—探测研究

Coherentcontrolexperiments相干控制实验

Nonlinearoptics非线性光学

Combustiondiagnostics燃烧诊断

TransientRamanspectroscopy瞬态拉曼光谱学

Opticalparametricamplification光学参数放大

Materialprocessing材料加工典型固态激光器及应用前导准连续固态激光器

VanguardQuasi-CWSolidStateLaserApplications应用

SemicondutorMetrology

半导体测量

MaterialsProcessing材料加工

MedicalDiagnostics医学诊断

DirecttoPlatePrinting

平板印刷对准

ImageRecording影像记录典型固态激光器及应用调Q激光器

NavigatorIQ-SwitchedLaserApplications应用

Microviadrilling微钻孔

Circuittrimming电路切边

Diamondprocessing钻石加工

Solarcellscribingandcutting太阳能电池划割

Precisionmarkinganddrilling精密打标和钻孔

Intra-glassmarking玻璃内打标

Embeddedpassives埋电子板

Rapidprototyping快速制样

Materialsprocessing材料加工

Sapphirewaferscribing(Blueled)蓝宝石晶片切割典型固态激光器及应用Applications应用

Semiconductorwaferinspection半导体晶片检测

MedicalDiagnostics医疗诊断

Ramanimaging拉曼图像注：用激光使化学品的分子产生振动，从光颜色变化可以分析化学品的结构MG连续波固态绿光激光器

MGContinuousWaveSolidStateGreenLasers典型固态激光器及应用连续波激光器ContinousWaveLaserApplications应用

FlowCytometer

流动血细胞计数器

DNASequencingDNA测序

Micro-ArrayReaders微阵列读出

ConfocalMicroscopy共焦显微镜

LaserInducedFluorescence激光致荧光

Interferometer干涉仪

SemiconductorInspectionandMetrology半导体检测和测量

PrintingandComputer-to-Plate印刷和计算机直接制版典型固态激光器及应用Applications应用Spectroscopy光谱学

Fiberlaserresearch光纤激光器研究

Telecommunicationsresearch远程通信研究

Semiconductorstudies半导体研究Thehigh-performance,tunable,solidstateIRlaser（红外）.TheModel3900Sdeliverstunable,continuous-waveoutputfrom675to1100nminalow-costpackage（输出波长从675到1100nm）.Pumped