技术课件-十三、固体激光器

激光原理与技术

LaserPrinciple&Technology物理与光电工程学院顾芳5.1固体激光器NanjingUniversityofInformationScience&Technology物理学专业方向选修课第5章典型激光器第一台固体脉冲红宝石激光器问世后，激光器的研制发展非常迅速。各种工作物质、运转方式的激光器不断出现。激光器的种类：如果按工作波段分：可分为红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射线激光器。如果按运转方式分：可分为连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。按激光器工作物质分类：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。5.1固体激光器5.2气体激光器

5.3染料激光器5.4半导体激光器5.5其它激光器本章内容§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。在激光发展史上，固体激光器是最早实现激光工作的。目前已经实现激光振荡的固体工作物质有百余种，激光谱线有数千条，但最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。

固体激光器的特点是：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、几十兆兆瓦)，结构紧凑牢固耐用。

因此，它在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛应用，例如:打孔、焊接、划片、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。5.1固体激光器内容提要5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质

1．红宝石(Cr3＋：A12O3)2．掺钕钇铝石榴石(Nd3＋:YAG)5.1.2固体激光器的泵浦系统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2．可调谐固体激光器3．高功率固体激光器5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。如图，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)。二、红宝石激光器（1）红宝石晶体（2）红宝石晶体的光谱特性红宝石的化学表示式为Cr3+:Al2O3，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+密度为ntot=1.58x1019cm-3。图中所示为红宝石中铬离子的能级结构。红宝石的吸收光谱如图所示。峰值波长在0.41mm附近，称为紫带或U带。峰值波长在0.55mm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0.1mm左右。红宝石中铬离子的吸收光谱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=0.6943mm线才能形成激光输出。红宝石作为激光晶体材料的优缺点

缺点：是阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。

优点：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，且很容易被探测接收。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(已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。1.Nd3+:YAG晶体三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)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A12O3、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。2、Nd3+:YAG的光谱结构和能级结构晶体的吸收光谱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。

四、钕玻璃激光器1961年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。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.5.1.2固体激光器的泵浦系统一、固体激光器一般都采用光泵浦最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯、金属蒸气灯、卤化物灯、半导体激光器、日光泵等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其它灯高，辐射为连续谱，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。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工作物质的吸收光谱相匹配。三、聚光器(或称泵浦腔)聚光器的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，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”。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。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。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。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(0.11)s，各短脉冲之间的间隔约为(510)s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。2.转换效率转换效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)而言，转换效率分别表示为：

固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为0.5%～0.1%左右，YAG激光的总体效率为1%～2%左右，这是因为放电灯的发射光谱由连续谱和线状谱组成，覆盖很宽的波长范围，其中只有与工作物质吸收波长相匹配的波段的光可有效地用于激励。5.1.3新型固体激光器1．半导体激光器泵浦的固体激光器半导体激光泵浦固体激光器（DPSSL）英文全称为DiodePumpSolidStateLaser，即二极管泵浦固体激光器。是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。（1）半导体激光器泵浦固体激光器的结构半导体激光器泵浦固体激光器的结构，如图(a)所示的端泵浦方式和图(b)所示的侧泵浦方式。从固体工作物质来看，有圆柱形和板条状两种。端泵浦方式因半导体激光模式与固体工作物质中的激光振荡模式匹配良好，所以“泵”与激光器之间的耦合效率高。这种激光器的阈值低、效率高，但输出功率受到单个激光二极管输出功率的限制。而利用半导体激光器阵列侧泵浦固体工作物质，虽然效率降低，但在脉冲或连续运转时，都能获得较高的输出功率。（2）与传统灯泵浦激光器相比，DPSSL的优势1．工作时间长。传统的氪灯或氙灯寿命只有几百小时，最长的不超过2000小时。而用于泵浦的二极管激光器寿命高达上万小时，从而大大降低了使用者的维护成本。2．低功耗。传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能，造成了极大的能源浪费。而DPSSL所用的LD发出固定的，被激光晶体吸收的808nm波长的激光，光光转换效率可高达40%以上，大大减少了运行成本。3．体积小，便于设计小型化。一台DPSSL激光器大约只有传统灯泵浦激光器体积的1/3甚至更小，便于携带。（3）DPSSL的发展状况及技术特点

1端面泵浦（EndPump）固体激光器

2侧面泵浦(SidePump)固态激光器

3薄片激光器(ThinDiscPump)4光纤激光器①端面泵浦（EndPump）固体激光器端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。在该系统中，泵浦源采用8W的半导体激光器，输出后经柱状棱镜组整形，将光束发散角压缩并聚焦后输入激光晶体。激光晶体的靠近泵浦源的一端面镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜。808nm的增透膜使泵浦源发出的808nm波长的激光进入激光晶体前的损耗降至最低，而1064nm的高反膜与镀有1064nm部分反射膜的输出镜结合起来，形成谐振腔。该种结构中泵浦光束激活的晶体模体积较小，因而一般用于功率较小的场合。端泵的优势在于输出的激光模式较好，便于实现TEM00输出，在某些功率要求不高，需要准直的场合非常实用。②侧面泵浦(SidePump)固态激光器休斯航天航空实验室的研究人员们侧面泵浦棒状Yb:YAG晶体获得了0.95KW的大功率输出。这是目前利用半导体激光器泵浦单根Yb:YAG所得到的最大的功率输出。侧面泵浦（SidePump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。③薄片激光器(ThinDiscPump)薄片激光器是集端面泵浦与侧面泵浦的优点于一身的一种新型的固体激光器设计方案。由德国航空航天研究院技术物理所的研究人员们首次提出。它的基本概念是用光纤耦合输出的半导体激光器作泵浦源对非常薄的晶体进行端面泵浦，使泵浦光在几百微米的晶体薄片中多次经过，同时使热梯度的分布方向与激光束的传播方向相同。新的泵浦设计中用一个抛物面成像反射镜代替了原来的4个球面成像反射镜，使得泵浦光在晶体中经过的次数由原来的8次增加到16次。④光纤激光器光纤激光器是最近几