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1、第1章 固体激光器的基本原理与特性 1 1引言 1960年7月 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 美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器 694 3nm红光 1 1引言 固体激光器应用 目前固体激光器在激光应用中占有极其重要的地位 可用于材料加工 激光测距 激光光谱学 激光医疗 激光化工 激光分离同位素及激光核聚变等 固体激光器主要特点 运行方式多样 可在连续 脉冲 调Q及锁模下运行 获得高平均功率 高重复频率 高单脉冲能量和高峰值功率 能实现激光运转的固体工作物质多达数百种 激光谱线数千条 多工作于可见光及红外光区 通过频率变换技术可
2、到紫外区 固体激光器系统简单 工作容易 传输灵活 可接光纤 结构紧凑 牢固耐用 价格低廉 应用前景广泛 1 2固体激光器的基本特性 固体激光器的基本组成 激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔冷却与滤光 1 2固体激光器的基本特性 固体激光器的能量转换 泵浦源的电光转换效率与激光电源系统的结构 类型及灯的参数等有关 约50 聚光腔的聚光效率聚光腔的类型 内表面反射情况 泵灯与激光棒尺寸匹配以及冷却滤光系统的光能损失有关 约80 激活粒子的吸收效率取决于灯的发射 工作物质的吸收带 工作物质的体积及激活离子的浓度 对灯约20 对半导体可达到80 90 荧光量子效率粒子吸收光子到辐射光子之间的总量子效率 1
3、 2固体激光器的基本特性 荧光量子效率 1 泵浦能级向激光上能级无辐射跃迁的概率 2 激光上能级的粒子通过自发辐射或受激辐射跃迁至激光下能级的概率 A21B12B21 E2 S32 E1 W13 E3 a 三能级 A31 1 2固体激光器的基本特性 优质红宝石可达0 7 普通红宝石0 5 钕玻璃0 4 Nd YAG接近1 1 2固体激光器的基本特性 斯托克斯效率 例如 对于808nm泵浦的1 06 mNd YAG激光器 其斯托克斯效率 76 相应的量子亏损为24 1 2固体激光器的基本特性 激光器的输出特性 激光器的输出功率 能量 激光器的效率 固体激光器的阈值 1 3固体工作物质 工作物质是
4、固体激光器的核心 是固体激光器领域一直在研究并且继续在发展的方向之一 对固体激光工作物质的一般要求 较高的荧光量子效率针对某一泵浦源有较强的光谱吸收光学质量好 杂质 气泡 条纹 内应力 光学不均匀少 良好的物理 化学性能 导热率高 热膨胀系数小 熔点高 机械强度高 可承受高功率密度 化学稳定性好 制备简单 加工容易 成本低 足够尺寸 1 3固体工作物质 固体激光工作物质是由激活离子和基质两部分组成 其中激活离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 基质主要决定工作物质的物理 化学特性 1 3固体工作物质 稀土离子钕 Nd3 实现了100多种基质中获得受激发射以0 9um 1 06
5、um 1 35um为中心 可实现若干频率的受激发射铒 Er3 实现了YAG YLF YAP LaF3 CaWO4 CaF2 玻璃基质中的受激发射 1 53 1 66um内实现激光发射 属人眼安全波长 常用的Er3 YAG经敏化 最易其振 输出波长为2 9um 钬 Ho3 掺Er Tm Ho的YAG和YLF 输出波长2um掺Cr代替Er敏化 Cr Tm YAG激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量 输出波长2 1um 1 3固体工作物质 稀土离子铥 Tm3 与Cr或Ho一起实现YAG YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出 二极管泵浦Tm YAG实现2 01um输出二极管泵浦Tm Ho YAG实现2 0
6、9um输出高效闪光灯泵浦Cr Tm YAG实现1 945um和1 965um的可调输出镨Pr3 钆Gd3 铕Eu3 镱Yb3 铈Ce3 二极管泵浦的Yb YAG激光器二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器钐Sm2 镝diDy2 铥Tm2 液氮冷却的作用下 CaF2中产生过激光作用 1 3固体工作物质 2 锕系离子掺0 05 铀 U 的CaF2成功用于激光器 输出2 6um 3 过渡金属铬 Cr3 红宝石 Cr3 AL2O3 紫翠宝石 绿宝石 金绿宝石 翠绿宝石 Cr3 BeAl2O4 钛蓝宝石 钛宝石 Ti3 Al2O3 Nd YAG泵浦的Co2 MgF2激光器 1 3固体工作物质 二 基质材料 为激
7、活离子提供合适的配位场 适合作为激光离子的基质晶体的选择原则 掺杂后晶体必须具有均匀的折射率晶体的机械 热性能容许高功率工作 热导率 硬度和抗裂强度 晶体的晶格能够接收掺杂离子 局部晶体场感应出期望光谱特性所需的强度 一般 截面接近10 20cm2 生长出足够尺寸的高质量晶体 对于1300 下可均匀熔化的晶体 容易采用合适的生长技术 1 3固体工作物质 晶体 蓝宝石 Al2O3 质硬 导热率高Al容易被过渡金属离子取代 Al相对稀土离子较小 不可能得到高掺杂浓度 以红宝石 Cr Al2O3 和钛宝石 Ti Al2O3 为代表 石榴石 YAG 性能稳定 质硬 热导率高光学各向同性有钇铝石榴石Y3
8、Al5O12 YAG 钆镓石榴石Gd3Ga5O12 GGG 和钆钪铝石榴石Gd3Sc2Al3O12 GSGG Nd3 YAG 阈值低 增益高 处于固体激光材料垄断地位 YAG中也可掺铒Er3 铥Tm3 钬Ho3 和镱Yb3 同时掺Cr3 的Nd GSGG 可显著提高对闪光灯的辐射 1 3固体工作物质 3 铝酸钇YAlO3 YAP Y2O3和Al2O3 1 1混合物 负单轴晶体可线偏振光输出生长快速物理和机械性质与YAG类似可选择不同的结晶方向 得到不同的光谱特性 实现高增益 低阈值或者调Q所需的低增益 大储能 可掺杂Nd3 Er3 Tm3 Ho3 4 硫氧化物稀土硫氧化物 如硫氧化镧 硫氧化镥
9、 硫氧化钇 均有相同晶体结构 为单轴晶体 稀土激活离子在稀土硫化物基质中可形成任意浓度的固体溶液硫氧化镧 硫氧化镥 硫氧化钇 硫氧化钆可透过0 35um 7um波长 Nd LOS La2O2S 的1 075um波长处激光跃迁截面约为Nd YAG的1 3 1 3固体工作物质 玻璃 1 易于制备 可获得高透光性 光学均匀 大尺寸的激光工作物质 成本较低 是大功率和高能量激光的主要材料 2 基质玻璃的成分易于改变 可加入各种激活粒子 掺杂浓度亦可提高 可发展各种特性的激光玻璃 3 易于加工和成型 可制成棒状 板条状 片状 较晶体易于加工 适应于各种器件结构 常用的是硅酸盐和磷酸盐玻璃 1 3固体工作
10、物质 掺杂浓度在基质中掺入激活离子称为掺杂 掺杂浓度不同 工作物质的运行特性也不同 掺杂浓度高 吸收高 激光器的效率高 掺杂浓度过高 激光器效率反而下降 甚至出现浓度猝灭 因此 存在一最佳掺杂浓度 1 3固体工作物质 工作物质的劣化与破坏劣化激光输出效率降低50 以上色心吸收红宝石 粉红 橙红 棕红Nd YAG 淡紫 棕红钕玻璃 紫红 棕红杂质离子变价破坏现象 端面 内部原因 介质本身 能量密度 表面污染 腔型 冷却 破坏阈值影响因素工作物质本身 内部 表面脉宽谐振腔是否有聚焦点 1 3固体工作物质 几种典型的激光工作物质红宝石 Cr3 Al2O3六方晶系 负单轴晶体粉红色提拉法生长可以获得大
11、尺寸晶体 在蓝宝石中掺入少量Cr2O3 Cr3 取代部分Al3 1 3固体工作物质 Cr3 的吸收光谱 吸收谱线 410nm 550nm发射谱线 694 3nm 692 9nm 1 3固体工作物质 红宝石晶体的优缺点 优点 机械强度高 承受的功率密度大 易加工成大尺寸 获得大脉冲能量 输出为可见光 缺点 阈值高性能随温度变化明显 温度升高 输出向长波方向移动 荧光寿命是温度的函数 荧光量子效率随温度升高降低 1 3固体工作物质 Nd YAG由Al2O3 Y2O3 Nd2O3熔化结晶而成 部分Y3 被Nd3 所取代 YAG基质光学质量好 热导率高 各向同性 Nd YAG激光器增益高 产生非偏振的
12、激光 Nd YAG激光器热退偏效应严重 Nd YAG激光器产生的激光波长主要有946nm 1064nm 1342nm 1 3固体工作物质 Nd3 为激活离子激光波长 4F3 2 4I9 2 914nm4F3 2 4I11 2 1064nm4F3 2 4I13 2 1342nm 1 3固体工作物质 0 81 m 0 75 m 0 58 m 1 3固体工作物质 Nd YAG特点 具有优良的物理 化学性能 激光性能和热学性能 能制成连续和高重复频率器件 它是目前应用最广泛的固体工作物质 连续 脉冲 调Q 锁模可闪光灯泵浦也可二极管泵浦功率可大可小广泛应用于各行业 1 3固体工作物质 钕玻璃某种型号的
13、玻璃掺入Nd2O3制成 中心波长 0 92um 1 06um 1 37um 1 3固体工作物质 1 4工作物质的热效应 热效应的来源泵浦带与上激光能级之间的能量差以无辐射跃迁的形式转移到基质材料中 造成所谓的量子亏损发热 这是废热的主要来源 下激光能级与基态之间的能量差转化为热能 激光器产生的受激辐射 一部分被工作物质再吸收变为热能 激光跃迁的荧光过程的量子效率小于1 除了产生激光能量以外 其余的能量由于激光猝灭而产生热 泵浦光源的光谱中除部分与工作物质的吸收谱相匹配的光能转化为有用泵浦外 其他光谱波段能被基质材料吸收转化为热 ETU效应引起额外的废热 1 4工作物质的热效应 激光棒内的温度分
14、布 在热平衡状态下 忽略冷却介质沿轴向的微小温度变化认为热流主要沿棒的径向传导热传导方程 T温度 Q单位体积内发热功率 r棒横截面内任一半径大小 K热导率 1 4工作物质的热效应 棒内温度沿径向变化为抛物线型 棒中心温度最高 棒表面温度最低 1 4工作物质的热效应 激光棒中的热应力热应力产生的主要原因是内部温度分布不均匀 内 外材料由于存在温差而产生机械应力 热膨胀 线膨胀系数 1 4工作物质的热效应 假设具有自由端的各向同性的激光棒 无其它外来作用时 依据前述温度分布和热弹理论的结论 应力可用下式表示 径向 切向 轴向 1 4工作物质的热效应 棒内热应力分布与半径成抛物线关系 最大应力发生在
15、棒中心和棒表面处 1 4工作物质的热效应 激光棒的热应力双折射工作物质中温度分布不均匀会产生热应力 进而通过光弹性效应使折射率发生变化 使原来各向同性材料变为各向异性 即产生热应力双折射 激光棒的热透镜效应棒内各处的温度和热应力 导致各处的折射率不相同 若以棒中心的温度为标准 棒内折射率空间分布为 温度差引起的折射率变化 热应力引起的折射率变化 1 4工作物质的热效应 激光棒的热效应导致折射率由中心向外逐渐减小 与半径r成抛物线关系 即当光通过激光工作物质时 通过棒中心的光线光程大 通过棒边缘的光线光程小 光通过激光棒的情况与通过透镜的情况相似 故这种由热引起的效应称为热透镜效应 1 4工作物
16、质的热效应 热效应的消除和补偿冷却光学补偿非圆柱工作物质 冷却液体冷却 气体冷却 传导冷却 1 4工作物质的热效应 1 4工作物质的热效应 气体冷却 传导冷却 1 4工作物质的热效应 1 4工作物质的热效应 光学补偿热透镜效应的补偿修磨端面热不灵敏腔 非稳腔 腔内加入负透镜等 热应力双折射补偿旋光将两支热致双折射效应相近的棒串接 中间置入石英旋光片 旋转角90度 互相补偿 抵消 两棒的热致双折射 1 4工作物质的热效应 采用非圆柱工作物质首先是增大了散热面积 降低激光器的整体温度 其次是改变热流方向 使工作物质的内部温度梯度方向与激光传播方向一致 盘状激光器板条激光器管状激光器二极管泵浦的固体激光器 1 4工作物质的热效应 盘状激光器激光工作物质为圆片 增大了散热面积 使热能朝光传播方向流动 大大减轻了热效应 1 4工作物质的热效应 1 4工作物质的热效应 板条激光器 1 4工作物质的热效应 1 4工作物质的热效应 二极管泵浦的固体激光器 泵浦波长与吸收波长的匹配闪光灯发射近紫外到红外的全谱光 激光工作物质的吸收线宽往往很窄 因此 绝大部分泵浦光没有得到充分利用 这也是灯泵激光器效率低
