固体激光器简介

5.3固体激光器Solidstatelaser1960年7月，美国休斯公司实验室梅曼制成世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。波长为694.3nm的激光。1961长春光机所RubyLaser

1964上海光机所成立1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统－－神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。主要介绍固体工作物质、光泵浦系统、工作物质的热效应等5.3.1固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器结构：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。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二、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Q1、红宝石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+密度为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图5-2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。应指出,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。2、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。3、钕玻璃

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。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.5.3.2固体激光器的泵浦系统

一、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.

1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。

2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。

3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

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。

（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。三、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。五、LD泵浦固体激光器（DPL)1、优势光谱窄，与工作物质吸收带匹配可提高效率，减轻热效应结构紧凑寿命长，连续>104h，脉冲>109次波长630～680nmAlGaInP770～990nmGaAlAs900～1000nmInGaAs模块化2、泵浦方式——A端面泵浦2、泵浦方式——B侧面泵浦2、泵浦方式——C基于内反射的泵浦Imagefrom:/repairfaq/sam/l54-101.gif

Diode-pumpedsolidstate(DPSS)5.3.3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

总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：

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(0.1

1)

m，各短脉冲之间的间隔约为(5

10)

s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。

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0.1%～0.2%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.

采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激光器效率.例如,Nd:YAG中宽约30nm的810nm泵浦吸收带中含有多条吸收谱线,若用波长为810nm的半导体激光二极管输出光泵浦可以准确对准2nm的810nm吸收谱线,半导体激光二极管激励的固体激光器的总体效率可以做到20%～50%左右.5.4染料激光器

染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。

适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。一、染料分子能级

染料分子能级图

染料分子的能级如图所示,染料分子能级的特征可用“自由电子”模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云,电子云中的2n个电子与势阱中的自由电子相似。当分子处于基态时,2n个电子填满n个最低能级,每个能级为两个自旋相反的电子所占据,总自旋量子数为零,形成单重态S0。当分子处于激发态时,电子云中有一个电子处于较高能级。若此电子自旋方向不变,则总自旋量子数仍为零,形成S1、S2等单重激发态。若此电子自旋反转,则形成T1、T2等三重态。由选择定则可知,单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个电子态都有一组振动——转动能级。电子态之间的能量间隔为106m-1量级,同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为105m-1,而转动子能级间的能量间隔仅为103m-1量级。实际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽,使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上对应一个准连续能带。染料分子能级图二、染料分子的光辐射过程染料分子能级图

染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到S1的某一振转能级后,在和溶剂分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能级时产生荧光。跃迁至S0的较高振转能级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程返回S0的最低能级。由以上叙述可知,在S1的最低振转能级和S0的较高振转能级间极易形成粒子数反转分布状态。产生激光。由于S0和S1都是准连续带,吸收谱和荧光发射谱都是连续的,所以染料激光器有很宽的调谐范围。三、染料分子的三重态“陷阱”

处于S1态的分子还可通过碰撞容易地向T1态跃迁,这一过程称作系际交叉,其速率KST一般为10-2ns-l左右,虽然这一速率较S1态的自发辐射速率(≈ns-1)小得多,但由于T1态的寿命τT较长(10-4~10-3s),分子较易积聚在T1态,所以T1态对于激发分子来说，相当一个“陷阱”。一方面，T1占有S1上部分分子，减少了S1对S0的反转粒子数，另一方面，积累在T1中的大量分子又会吸收光能，由T1跃迁到T2，并且而T1→T2跃迁的吸收波长又恰好与S1→S0跃迁荧光波长重叠,这意味着T1态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向T2态跃迁,因此染料分子在T1态集聚不利于激光运转。显然,只有在S1→S0受激辐射产生的增益大于T1→T2跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光振荡。染料分子能级图5.4.2染料激光器的泵浦

通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频Nd3+:YAG激光器发射的532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,而连续染料激光器则常用氩或氪离子激光器作泵浦源。显然,泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。可以采用光栅、棱镜、标准具及双折射滤光片等波长选择元件对染料激光器进行波长调谐。一、闪光灯脉冲泵浦

泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。

二、激光脉冲泵浦

能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337

m)，红宝石激光器(0.6943

m)，钕玻璃激光器(1.06

m)，铜蒸气激光器(0.5106

m、0.5782

m)，准分子激光器(主要在紫外区)以及这些激光的二次、三次谐波等。三镜腔式染料激光器是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。