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1、激光器激励原理一固体激光器1311310黄汉青1311343张旭日辅导老师:摘要：固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1引用世界上第一台激光器一红宝石激光器（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
2、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（LAS
3、ER ）激光的英文名- laser,是英语词组Light Amplification by Stimulated 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。3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
4、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。全反射镜.?. 部分反射镜.:二二 土L1_-A|噎光1麴脉冲鼠灯触笈电路一2储能电查十离压允电电谏图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 主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式
5、，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E 。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。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。如下图3所
6、示为椭圆柱聚光腔，是目前小型固体激光器最常采用的。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 常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷
7、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3-2.1红宝石激光器（Cr3: AI203）红宝石是由蓝宝石（AI2O3）中掺入少量的氧化铬（CD。？）而形成。红 宝石激光器的工作物质是Cr ： A|2O3，其中，AI2O3作为基质晶体，Cr是发33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Cr,能级图。在室温情况下，红宝石激光器一般输出3694.3nm的红光。红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机
8、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。3.3固体激光器的优缺点固体激光器主要优点：1）输出能量大，峰值功率高。在固体激光器中，由于中心粒子的能级结构，能够输出大能量，并且峰值功率高。这个是固体激光器非 常突出的优点。2）结构紧凑耐用，价格适宜。和其他类型的激光器相比，固 体激光器的结构非常简单并且非常耐用，同时价格相对适宜。3） 材料种类数量多。固体激光器的工作物质的种类非常多，到目 前为止至少有一百多种，而且大有增长的趋势。大量高性能的材料的出现，是 固体激光器的性能进一步的提高
9、。固体激光器的主要缺点:1）温度效益比较严重，发热量大。正是由于输出能量大，峰值功率高， 导致热效应非常明显，因此固体激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激 光器的正常连续使用。2）转换效率相对较低。固体激光器的总体效率非常低，例如红宝石激光 器的为0.5%1%左右，YAG激光器的总体效率为1%2%,在最好的情况下 可接近3%。可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。4固体激光器的应用固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于 测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、 大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激 光核
10、聚变等方面。4.1工业制造激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理， 大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利 用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光 切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光 束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括 光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。这里我们主要来看看固体激光器的加工 应用。1）激光切割技术激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时 间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密
11、度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比，激光切割其具有周的切割质量、周的切割速度、周的柔性（可随意切割任意形状）、广泛的材料适应性等优点。目前常采用1.06 5波长的YAG激光束。2）激光焊接技术激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导 型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激 光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔 池。由于其独特的优点，已成功地应用于微小型零件焊接中。与其它焊接技术 比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小，能在室温 或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单伯。5结束语固体激
12、光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激 光器。从世界上第一台激光器发明至今，固体激光技术取得了很大的发展，主 要表现三个方面：第一是工作物质不断改进。最初是红宝石激光器，后来出现 了钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器，现在又有了掺钕镓钆石榴石激光器。还有 报道称，目前出现了以陶瓷为基质的新型激光材料。第二是泵浦光源的改进。 最初是闪光灯，后来发 展为弧光灯，现在出现了高功率激光二极管泵浦。第三 是工作物质结构的改变。从最初的棒式结构发展成板条式，又到后来的光纤式 结构。固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工 作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增
13、大输出功率，改善光 束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。参考文献1 蔡枢,吴铭磊.大学物理（当代物理前沿部分专题）.北京：高等教育出版社，1996:282 陈家壁，彭润玲.激光原理与应用（第二版）.北京:电子工业出版社,2008.8:273 单振国，干福熹.当代激光之魅力.北京：科学出版社,2000:5-104 陈家壁，彭润玲.激光原理与应用（第二版）.北京:电子工业出版社,2008.8:1025 克希奈尔著，孙文，江泽文，程国祥译.固体激光工程.北京:科学出版社.2002.5:76-776 李相因，姚敏玉,李卓，崔骥.激光原理技术及应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.10:457 陈家壁，彭润玲.激光原理与应用（第二版）.北京:电子工业出版社,2008.8:1038 闫毓禾，钟敏霖.高功率激光加工及其应用.天津:天津科学技术出版社，1994:134-135
