技术课件十三、固体激光器

NanjingUniversityofInformationScience&LaserPrinciple& 物理与光第5如果按工作波段分：可分为红外和远红外激光器、可见光激如果按运转方式分：可分为连续激光器、脉冲激光器、超短按激光器工作物质分类：固体激光器、气体激光器、 本章内5.3激光5.4半导体激光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、钕玻率高因此，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、视 固体激光器内容提红宝石掺钕钇铝石榴石一、和冷却、滤光系统构成的。如图，是长脉冲固体激光器的基。二、红宝石激光红宝石晶体的光谱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Cr3+密度为ntot=1.58x1019cm-3红宝石的吸收光谱如图所示峰值波长在0.41m附近，称为紫带或U带 峰值波长在0.55m附近，称为绿带或Y这是两个很强很宽的吸收谱带，吸收带宽均约0.1m红宝石中铬离子的吸收红宝石有两条强荧光谱线R1和R2线分别为E和2A能态向跃。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：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；容易生态；得到连续输出；红宝石激光器输出的红光4，不仅能因此，红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。。三、掺钕钇铝石榴石Nd3+:YAG2、Nd3+:YAG的光谱结构和能级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。实际时是将一定比例的晶体的吸收光YAG中Nd3+与激光产生有关的能级1.06um比1.35um的荧光约强四倍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波长的激四、钕玻璃激光 1961玻璃中掺入适量的制成的。最佳掺入量为%重量比。对应3%的掺入量，Nd3的浓度为×。+玻璃的工艺比较成熟，易获得良好的光学均匀性，玻m，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钕玻璃最大的缺点钕玻璃的能级结构和跃迁光

E4:含三个吸收带(抽运能带2G5/2F9/4F7/

(中心波长 E3:三条激光谱线公共的能 4F3/下能级(四能级系统),即4I

3/

(4

3/

4I ,对应3/I4I11/

谱线(4F3/谱线

4I ,对应1/(4I9/

4 4I9/3/对应0.9μm谱线3/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,不一定可到;③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转,一般不出现.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d脉冲激光器中应用最广泛的氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与A泵浦吸收带相匹配故在连续和小能量脉冲器件中得到比较多二、泵浦光源应当满足 ①有很高的发光效 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聚光器的类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，。这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔,激光棒泵灯置于轴线两侧.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。圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光,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、加工方便等优点聚光器的材料制做聚光器时，常用的金属材料石铝、铜和不锈钢，常用铝如果重量要求不严时，最好选用铜，这是因为铜的热胀、不锈钢，仅为铜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，固体激光器的输出固体激光器的激光脉冲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转换效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 Pth 1

in 1

in 左5.1.3新型固体激光 1．半导体激光器泵浦的固体激光 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。是近年来半导体激光器泵浦固体激光浦方式和图(b所示的侧泵浦方式。从固体工作物质来看，有与传统灯泵浦激光器相比，DPSSL 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 高达上万小时，从而大大降低了使用者 成本低功耗。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，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。DPSSL端面泵浦（EndPump）固体激光侧面泵浦(SidePump)固态激以8W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的增透膜和的高反膜。的增透膜使泵浦源发出的波长的激光进入激光晶体前的损耗降至最低，而的高反膜与镀有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TEM0输出，在某些功率要求不高，需要准直的场合休斯航天航空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侧面泵浦（SidePump）固态激光器激光头是由三个二极管的二极管线阵组成。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120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一片激光器(ThinDisc 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 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年由光通讯行业中的光放大器演变来的。其一推出即引起了业界的，其良好的光学质量，较高的输出功率，超长的及无需的特点获得了众多公司的瞩目。其严格来说，属于端面泵浦的一种。现代高功率光纤激光器的泵浦源是高功率的多模二极管，通过一个围绕着单模固体可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。色心激光器的阈值低，既可连续工作，又可脉冲工作，很容易实现单模运转，并且光束质量好。特别是调谐范围可覆盖掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器，性能更加优越。用于固体可调谐激光器的掺过渡族金属离子的激光晶体主要有金绿