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1、下载可编辑编号 赣 南 师 范 学 院 学 士 学 位 论 文固体激光器原理及应用教学学院 物理与电子信息学院 届 别 2010届 专 业 电子科学与技术 学 号 060803013 姓 名 丁志鹏 指导老师 邹万芳 完成日期 2010.5.10 目 录摘要1关键词1Abstract1Key words11引用22激光与激光器22.1激光22.2激光器33固体激光器43.1工作原理和基本结构43.2典型的固体激光器83.3典型固体激光器的比较113.4固体激光器的优缺点124固体激光器的应用134.1军事国防134.2工业制造154.3医疗美容175结束语18参考文献19.专业.整理.摘要：固
2、体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。关键词：固体激光器 基本原理 基本结构 应用Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state las
3、ers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical
4、and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced.Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application1 引用世界上第一台激光器红宝石激光器（固体激光器）于1960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。在这五十年时间里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
5、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。未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展：a) 高功率及高能量b) 超短脉冲激光c) 高便携性d) 低成本高质量现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，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，你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。2 激光与激光器2.1 激光2.1.1 激光（LASER）激光的英文名LASER，是英语词组Light Amplifica
6、tion by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写1。2.1.2 产生激光的条件产生激光有三个必要的条件2：1) 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2) 有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3) 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。2.1.3 激光的特点与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。2.2 激光器激光器的发明
7、是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至射线和射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。2.2.1 激光器的诞生史 激光器的诞生史大致可以分为以下三个阶段3：理论基础阶段、粒子数反转阶段和激光器产生（竞赛）阶段。2.2.2 激光器的分类1960年，梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。如下表1所示，分别从激光的工作物质、激励方式、运转方式和输出
8、波长范围等四个方面进行分类。分类方式工作物质激励方式运转方式输出波长气体激光器固体激光器半导体激光器染料激光器光泵式激光器核泵浦激光器化学激光器化学激光器其他激光器连续激光器单次脉冲激光器锁模激光器可调谐激光器红外激光器可见激光器紫外激光器X射线激光器表13 固体激光器3.1 工作原理和基本结构在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。如图1所示,固体激光器的基本结构（有部分结构没有画出）。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成4。图1
9、固体激光器的基本结构1) 工作物质工作物质激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状5。2) 泵浦系统泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳
10、能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件（尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源），二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦（如下图2 a）；纵向:垂直入射的侧面泵浦（如图2 b）。图2 LD泵浦方式结构示意LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。3) 聚光系统聚光腔的作用有两个6：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物
11、质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。如下图3所示为椭圆柱聚光腔，是目前小型固体激光器最常采用的。图3 椭圆柱聚光腔4) 光学谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。5) 冷却与滤光系统冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。固体激光器工作时会产生比较
12、严重的热效应，所以通常都要采取冷却措施。主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保证激光器的正常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。要获得高单色性的激光束，滤光系统起了很大的作用。滤光系统能够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。3.2 典型的固体激光器固体激光器从诞生之日至今，器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了许多种类,但是使用较多的主要是红宝石、掺钕钇铝石榴石、LD泵浦的固体激光器和可调谐固体激光器四种。3.2.1 红宝石激光器（:）红宝石是由蓝宝石（）中掺入少量的氧化铬（）而形成。红宝石
13、激光器的工作物质是:，其中，作为基质晶体，是发光的激活粒子，光谱特性与的能级结构有关，它是三能级系统。如下图4所示为红宝石晶体能级图7。在室温情况下，红宝石激光器一般输出694.3nm的红光。图4 红宝石中铬离子的能级结构红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好，高功率密度，大尺寸晶体，亚稳态寿命长，高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。3.2.2 掺钕钇铝石榴石激光器（:）:激光器是迄今为止使用最为广泛的固体激光器。在固体基质中掺入了激活粒子，基质钇铝石榴石（英文缩写为YAG）具有优良的光学、力学和热学性能，是目前能在室温下
14、连续工作的唯一实用的固体工作物质。如下图5所示，为:能级图。在室温下，:一般输出的激光波长为1.064mm。图5 :能级结构:激光器几乎没有什么缺点，突出优点是阈值低和优良的热学性能。目前对:的应用远超过其他固体工作物质，可以说，:出现至今，被大量使用，长盛不衰。3.2.3 掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）:激光器的出现是激光在医疗领域的一大突破。它的基本结构与:激光器基本结构相似，通常采用脉冲氙灯泵浦，聚光腔为镀银的单椭圆柱腔或双椭圆柱腔，但是其光学元件必须与水蒸气隔离（不隔离激光束将破坏），因此需要将激光器密闭在干燥的容器之中8。 如下图6所示，为:激光跃迁能级图，其输出的波长为2.94mm。图6 :激光跃迁能级图现今，:激光器的最大平均功率已达到3W，最大脉冲输出已达到5J，是迄今为止输出功率最大、效率最好的长波长固体激光器；加之交换输出波长为2.94mm，这正是人体组织的吸收波长，这个也是:的一个非常突出的优点。因此在医疗方面（尤其是激光外科和血管外科）有很大的应用潜力9。目前，激光器并没有像上述两种激光器一样被广泛的应用，但是我们相信，在不久的将来它会在固体激光器当中占有一个非常重要的地位。3.2.4 可调谐固体激光器可调谐固体激光器的出现可以说是固体激光器的重大发展。它是指在一定范围内，可以连续改变输出波
