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1、编号赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用物理与电子信息学院2010 届电子科学与技术教学学院 届别 专业 学号 姓名 指导老师 完成日期丁志鹏邹万芳2010.5.10目录摘要 1关键词 1Abstract 1Key words 11 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 17参考文献 19摘要：固体激光器目前是用最广泛的
2、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 lasers and
3、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 and cosm
4、etic 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，因此在各方
5、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 Amplific
6、ation byStimulated Emission of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。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
7、明是 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X射 线和Y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
8、作物质、激励方式、运转方式和 输出波长范围等四个方面进行分类。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。触笈电蹄11图1固体激光器的基本结构1）工作物质工作物质一一激光器的核心，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
9、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。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，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
10、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）。翔F就K二SIft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： 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
11、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。泵浦腔光泵图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
12、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23红宝石是由蓝宝石（AlO ）中掺入少量的氧化铬（Cr O ）而形2332成。红宝石激光器的工作物质是Cr 3+ : AlO，其中，AlO作为基质晶2323体，Cr3
13、+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。如下图4所示为红宝石晶体Cr3+能级图。在室温情况下,红宝石激光器一般输出694.3nm的红光。一-Wo-X-Man2 / /R|谶光跃迁20151050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。322掺钕钇铝石榴石激光器(Nd 3+ : YAG)Nd3+ : 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Nd3+，基质
14、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。如下图5所示，为Nd3+ : YAG能级图。在室 温下，Nd3+ : YAG一般输出的激光波长为1.064pm。12 -10 -8 -6 -4 -2 -0 -r图5 Nd 3+ : YAG能级结构Nd3+ : 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Nd3+ : YAG的应用远超过其他固体工作物质，可以说，Nd3+ : YAG出现至今，被大量使用，长盛不衰。323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
15、破。它的基本结构与Nd3+ : 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。如下图6所示，为Er : YAG激光跃迁能级图, 其输出的波长为2.94pm。1 04 12I 040R90、I H2R51 Q2526K75S3O 仃6779602-6596斗绊如廿丼亢訂呂绒的能 cm-1图6 Er : YAG激光跃迁能级图现今，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； 加之交换输出波长为2.94pm，这正是人体组织的吸收波长，这个也是 Er :YAG 的一个非常突出的优点。因此在医
