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1、激光原理与激光器件课程设计报告激光器种类及其用途介绍摘要电子科学与技术专业主要以光学为主，特别是激光的学习尤为重要。激光技 术作为先进制造业的一个重要组成部分，是我国“十一五”期间重点发展的一个 主导产业。随着固体激光、气体激光、半导体激光、准分子激光、染料激光、光 纤激光、飞秒激光、随机激光等器件的发展，促进了激光技术在科学研究、工业 加工、医疗、生命科学、检测、通信、自动控制、信息存储、全息技术、光源等 领域的广泛应用。做为一个专业知识以激光为主的学生，应该系统的学习激光有 关的理论知识，充分的去了解激光用途，本文主要介绍激光的电源构造、激光的 种类及其不同激光器的参数，重点介绍了不同激光
2、器的用途，另外还介绍了激光 器的发展前景。文章最后总结了本次课程设计的心得体会。关键词：光学激光 全息技术 用途一、认识激光1、 什么是激光激光是光受激辐射的产物，产生激光首先要有激活介质，另外还要有外界激 励源，在外界激励源（如外来光）的激励下，产生激光的高能级原子会跃迁到低 能级上，根据能量守恒可知，这时从高能级跃迁的低能级的原子将会释放一个和 外来光子完全相同的光子，只要选择的激活介质合适，光子在激活介质中将会形 成光放大，形成了产生激光的必要条件。其实激光是在光学谐振腔中产生的，光 学谐振腔可以增加激活介质的长度，谐振腔由前后两块反射率不同的反射镜构 成，一前镜的反射镜的反射率我 90
3、%，后反射镜的反射率我 100%，般在两个反 射镜间放置工作物质（激活介质），只要光学谐振腔里的光子积累到一定程度， 前镜将发出光，我们把这种方向性好，相干性好和亮度高的光叫激光。2、 产生激光的条件（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。特别要注意的是，光的传播方向要严格的垂直两放射镜的表面，这样才能减 少光的损失，才会形成激光
4、。二、激光的电源介绍每一种类型的激光器都需要研制专门的电源，以便用最小损耗来泵浦激光工 作物质，保证获得所要求的辐射参量。为了设计电源电路，必须研究激光器的工 作原理、电学特性（点火电压、正常工作电压和工作电流），同时考虑把激光器作 为负载接入电路时，对电路的制约。氦氖激光器电源的结构图4插头I11iiI11ii开关保险I调压器；升压器; yiI11ii稳流升压器:（硅堆冷冲D3|0. 22uFnrD1 D2滤波电路限流I 电阻； I II4EZHZZHZZIr激光器I-I IiiI I心卜一 I III I|0. 22uFL_._._激光各部分的功能说明：调整输入电压模块：由于室电不一定稳定
5、在220V,该模块用于是输入电压稳定 在某一个设定的特定值。变压器：由于激光器需要很高的电压驱动,这里的变压器用于升压,将输入的电 压值升高。滤波电路：将电容和电阻并联就可以组成滤波电路,降低输出电压中的脉动成分, 保留其中的直流成分。多倍整流电路：倍压整流电路多用于电流小而电压较高场合,这里的多倍整流电 路起到升高电压和整流的作用,一举两得。其原理3倍压整流原理说明：三倍压整流电路如图，在u2的第一个半周时， u2的极性是上正下负（即a端为正，b端为负），三1在正向电压作用下导通， 此时电容C1充电后的电压约等于u2的最大值j2U2 （u2为变压器次级绕.组 感应的交流电压，U2为次级交流电
6、压有效值）。在第二个半周，u2的极性反过 来（a端为负、b端为正），D1截止、D2导通，电压U2加上C1上的叮2U2向 电容C2充电，C2充电后的电压约为22 U2。在第三个半周时，U2的极性又 是a端为正，b端为负，D1又导通，已充电到2迈U2的C2上的电压加到e、 d两点使D2截止，但D3导通，于是电容C3就被充电到与C2 一样高的电压 22 U2。若负载接在a、b两端，就可获得三倍压（3込U2）的直流输出电压。 每只二极管承受的最大反向电压为2巨U2，电容C1、C2和C3承受的电压分 另U为 2U2、22 U2 和 2 迈 U2。根据相同的道理，可以组成n （多）倍压整流电路。当n为奇数
7、时，输出电 压从下端的相应两点（B、C）取出；当n为偶数时，输出电压从上端相应两点（A、D）取出。输出直流电压的平均值，空载时为 叽2U2,负载时为nX1.2U2。 电容C1上的电压为U2,其余电容上的电压均为2込U2,每个整流元件承受 的反向电压都是22 U2O名倍压整流电路大电阻：大电阻起到限流保护电路的作用，用陶瓷制成，耐高温，可在较高功率 下使用。三、激光器的种类介绍实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激 光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的 激光器中又包括有许多不同材料的激光器。下面主要介绍比较常见的激光器。（一）固体激光
8、器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含 有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称 为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。1、固体激光器的结构介绍当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd： YAG）工作 物质，输出的波长为1.06 口 m呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06 口 m 呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的 作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。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
9、（1）、工作物质工作物质一激光器的核心，是由激活粒子和基质两部分组成，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,可分为三能级系统与四能级系统。 工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形、平板形、圆盘形及管状（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 阳能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的，二极管（LD）泵浦 是目前固体
10、激光器的发展方向。（3）聚光系统 聚光腔的作用有两个：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。（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。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 较严重的热效应，所以通常
11、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。2、典型固体激光器介绍（1） 红宝石激光器（ Cr 3+ : Al 2 O3 ）红宝石是由蓝宝石（A12O3 ）中掺入少量的氧化铬（Cr3O2）而形成。红 宝石激光器的工作物质是 Cr 3+ : Al2O3 ，其中， Al2O3 作为基质晶体， Cr 3+ 是 发光的激活粒子，光谱特性与 Cr3+ 的能级结构有关，它是三能级系统。在室温 情况下，红宝石激光器一般输出 694.3nm 的红光。工作物质：Cr 3+ :
12、A12O3, A12O3作为基质晶体，Cr3+是发光的激活粒子 泵浦方式： 用氙灯照射能级结构：红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了氙灯发射的光子 而被激发到E3能级。输出波长 ：694.3nm （红光）主要用途：波长 694nm 的激光能被黑色素选择性吸收，而血红蛋白对该波长几乎不吸 收，调 Q 脉冲红宝石激光被黑色素选择性吸收的特性使其成为去除纹身最好的 激光器。与CO 2对组织灼烧炭化的治疗机理不同，调Q脉冲高能量瞬间作用于 皮损部位使色素团块被击碎成为细小的颗粒，细小的色素颗粒通过人体自身免疫 系统被巨嗜细胞吞噬，从而达到治疗目的，因此红宝石治疗色素病变不会产生疤 痕，是一种安全
13、有效的治疗手段。我国天津大学研制的TD-98型调Q红宝石激光治疗仪，激光脉冲小于30ns,输出峰值功率可达100兆瓦。可以治疗各种色 素病变，尤其是治疗纹身和胎记的效果非常好。非调Q红宝石激光去除毛发具 有良好的疗效，尤其在欧美用激光去除毛发受到重视。1997年美国FDA已批准 几种以红宝石激光为基础的系统用于去毛发应用。Cr3+的能级结构：io?旗光跌迁JOr注意事项：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。(2)掺钕钇铝石榴石激光器Nd 3+
14、 : YAG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Nd 3+，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，是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物 质。在室 温下，Nd 3+ : YAG 一般输出的激光波长为1.064pm。工作物质：激活粒子Nd 3+泵浦方式：光照输出光波：1.064pm主要用途：1、激光元件加工：片状，方柱，圆棒，布儒斯特角端面等， 可按用户要求加工镀膜：2、不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部 位的生物组织相互作用，可以获得良好的疗效。医用Nd:YAG激光器在外科手 术、眼科、牙科
15、、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛，特别是治 疗皮肤色素性疾病，有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点。Nd 3+ : YAG的能级结构:三f11nri结构示意图:注意事项：YAG能级结构Nd 3+ : YAG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Nd 3+ : YAG的应用远超过其他固体工作物 质（3）掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）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Nd 3+ : YAG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。其输出的波长为2.94pm。现 今，Er: YAG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；工作物质：泵浦方式：脉冲氙灯泵浦输出光波：2.94pm主要用途：Er:YAG激光输出2. 94pm的波长，正好与水吸收光谱的峰值吻合，吸收系 数为13000cm-l,在现有医疗激光器中为最高。此吸收系数对应的光学穿透深度 为1 口m，相比于其他医疗用激光器而言，穿透深度非常浅，因此
