4固体激光工作物质的热效应
《光电子技术》第四章课后练习题
《光电子技术》第四章课后练习题一、选择题（20分，2分/题）1、2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三名主要成员：雷纳·韦斯（Rainer Weiss）, 巴里·巴瑞希（Barry Barish）, 基普·索恩（Kip Thorne），以表彰他们直接探测到了引力波。
LIGO的全称是激光干涉仪引力波天文台，它的基本原理就是迈克尔逊干涉仪。
当引力波经过时，干涉仪的双臂长度会有微小的改变，导致产生光程差，科学家们再通过精密测量技术，在各种（）中将微弱的信号捕捉出来。
A. 噪声B. 周期C. 振动D. 振幅2、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的探测器，称为（）。
A. 相位调制型探测器B. 相位结合型探测器C. 相位振动型探测器D. 相位干涉型探测器3、半导体激光发光是由（）之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。
A.原子B.分子C.离子D.能带4、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型（）和玻璃作为工作物质的激光器。
A. 石英晶体.B. 高纯硅C. 绝缘晶体D. 压电晶体5、光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。
光纤传感器对光探测器的要求包括以下那几个？（）A. 线行好，按比例地将光信号转换为电信号B. 灵敏度高，能敏度微小的输入光信号C. 产品结构简单，易维护D. 性能稳定，噪声小6、光纤传感器中常用的光探测器有以下哪几种？（）A. 光电二极管B. 光电倍增管C. 光敏电阻D. 固体激光器7、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。
其中响应波长范围（或称光谱响应），是表示探测器的（）相应率与入射的红外辐射波长之间的关系。
A. 电流B. 电压C. 功率D. 电阻8、光子探测是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（）。
使材料的电学性质发生变化。
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
固体激光器的原理及应用
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。
如表1是我国激光器的发展。
1.2.3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。
2）相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3）方向性好：激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置,但即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。
1.1.3激光的特性
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
1）单色性好：普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长,使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外,激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用,已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
固体激光工作物质的热效应
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4.1.1热平衡下棒内温度分布 4.1.1 热平衡下棒内温度分布
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：
d T 1 dT Q 0 2 dr r dr K
T温度， 温度 Q单位体积内发热功率， 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。
热致双折射之退偏效应
退偏系统示意图 左图表示了光束的相关分量在经过系统前后的 变化，θ表示起偏器偏振方向和y* 轴的夹角（ 起偏器与主双折射轴的夹角）。当光束经过起 偏器入射到激活介质时 各分量分别为 偏器入射到激活介质时，各分量分别为：
29
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热致双折射之退偏效应
得到光束的透射强度：
当光束离开激活介质时，各分量为：
当光束离开检偏器后，各分量为：
热致双折射之退偏效应
左图说明 左图说明： 棒内光程差的大小分布和棒的长度无关 ，这不同于棒内温度场分布； 影响光程差最大的因素是注入功率，注 影响光程差最大的因素是注入功率 注 入功率越大，光程差越大，同等半径变 化内光程变化越大； 在棒的中心区域，光程差变化较缓，随 在棒的中心区域 光程差变化较缓 随 着向外延伸，光程差变化趋势越来越大 ，这体现出激活介质中心区域热致双折 射较小。
Nd:YAG晶体的取向
在热应力 在 力Nd:YAG晶体中，与棒 中 棒 轴垂直的平面内光率体的取向
22
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[111]方向 [111] 方向Nd Nd： ：YAG YAG的热致双折射 的热致双折射
X
nφ
φ
θ
nr
Y
1 3 αQ 2 2 nr n0 n0 (q2 r0 Cr r ) 2 K 1 3 αQ nφ n0 n0 (q2 r02 Cφ r 2 ) 2 K
固体激光器热焦距的测量
主要表现为：激光束发散角加大，方向性变差；
对单模工作的器件影响更大，单模体积缩小，输 出降低。谐振腔内有热透镜，等效改变了谐振腔 型，例如由平行平面腔变成凹面腔。 2.1： 测量方法： 工来自测量法（常用）2.2装置
泵灯 窄带滤光片
光电元件
He-Ne激光
激光棒，发生热透镜效应
扩束望远镜
YAG棒
M 辅助透镜
针孔光阑
1：辅助透镜（焦距约50cm）：使组合焦距变短，激光束腰明显，准确测得光束的焦距点。 2：小孔光阑：用于检测光强度的变化，孔径比最小光斑略大，且可移动，当测得光强为 最大时，光阑所在位置为光束聚焦位置。 3：光电元件：接收光强度，示波器检测。 4：窄带滤光片：消除散光。
2.3光路
热透镜效应中热焦距的测量
江苏大学机械学院光信息系 石云杰
1.1概念（产生）： 激光棒的热效应导致折射率由中心逐渐减小，与r呈抛物线， 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极为相似，故这种 热效应称为热透镜效应。
1.2危害：
L M G F1
Md:YAG
h d
d‘ C‘ c
fT
2.4公式求解
M:辅助透镜 G：热透镜和辅助透镜的组合焦点 根据几何光学关系和透镜成像的高斯公式，得到热焦距为：
fT=d+c=d+c’f’M/ f’M-c’ C’:辅助透镜到G点的距离 (测量) f’M：辅助透镜焦距 (已知) d：热透镜后主平面与辅助透镜M间距(已知) 若已知棒后端面到辅助透镜距离为d’，后主平面到棒后端面距离为h=L/2n0 则： d=d’+h=d’+L/2n0 说明：辅助透镜M与棒的距离不宜过大，否则，当热距离fT较短时，热焦距的焦点会落 到透镜M的左方焦距内，通过M成虚像，不能实现测量。
固体激光器原理及应用
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：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。
(1)关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 (1)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 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 cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced (1)Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application (1)1引用 (2)2激光与激光器 (2)2.1激光 (2)2.2激光器 (3)3固体激光器 (4)3.1工作原理和基本结构 (4)3.2典型的固体激光器 (8)3.3典型固体激光器的比较 (11)3.4固体激光器的优缺点 (12)4固体激光器的应用 (13)4.1军事国防 (13)4.2工业制造 (15)4.3医疗美容 (16)5结束语 (17)参考文献 (19)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。
论文——单频环形腔Nd_YVO4激光器实验研究
［
］
热传导系数 犓ｃ ＝０． ／ （ ； 折 数如下 ： ０ ５ ２ ３Ｗ ｃ ｍ·Ｋ） 射率随温度 的 变 化 率 ｄ ／ ／ 泵浦光 狀 ｄ 犜 ＝３×１ ０－６ Ｋ； 对波长 在 工 作 物 质 内 的 热 转 换 效 率 ξ ＝２ ４％ ； 图 ２） 耦合系 １ ０ ６ ４ ｎ ｍ 折射率 狀＝２． １ ８ ３。 采 用 上 述 （ 经计算泵浦光 在 激 光 工 作 物 质 内 的 平 均 光 斑 半 统，
（ ／ ｌ ｎ 犘ｔ 犘ｍ ） （ ） ２ α＝－ 犾 式中犾 为工作物质的长度 ； 犘 ｉ ｎ 为进入工 作物质内 的 泵浦功率 ； 犘ｔ 为通过工作物质后泵 浦 光 的 功 率 。 在 用功率计接收到透过 Ｎ ： 泵浦 光 功 率 为 ２ ５Ｗ 时 ， ｄ 由公式（ 计算得 ＹＶＯ４ 的泵浦光 功 率 为 ８． ２ ９Ｗ， ２） 出吸收系数α≈１． ／ ８ ４ ｃ ｍ。 将 上 述 各 参 数 代 入 公 式 （ ） 计算得到热透镜焦距约为 １ ５ ２ ｍｍ。 根据 上 述 计 算 得 出 的 热 透 镜 焦 距 ， 用光路传输 定义 矩阵分析激光器 的 工 作 特 性 。 按 照 图 １ 结 构 ， 两 个凹面镜 犕３ 和 犕４ 之间的距离为犔 从工作物质 １； 中 心经 犕１ 到 犕３ 的长度定义为犔 从工作物质中心 ２； 经 犕２ 到 犕４ 的长度定义为犔 在满足谐振腔稳定条 ３； 件狘 （ ／ 取值 犔 犃 ＋ 犇） ２狘≤ １ 下 ， ０ ０ｍｍ、 犔２ ＝ １ ＝１ １ ２ ０ｍｍ、 犔３ ＝１ ６ ５ｍｍ。 根据公式
１． ２ １． ２ １． ２ ， ， Ｃ Ｈ Ｅ ＮＳ ａ ｎ ｂ ｉ ｎ Ｚ Ｈ Ｏ ＵＳ ｈ ｏ ｕ ｈ ｕ ａ ｎ Ｚ Ｈ Ａ ＯＨ ｏ ｎ ｇ １． ２ ２ ２ ２ ， ， Ｔ Ａ Ｎ ＧＸ ｉ ａ ｏ ｕ ｎ Ｇ Ｕ ＯＬ ｉ ｎ ａ Ｌ Ｉ ＵＧ ａ ｎ Ｎ ＧＣ ｈ ａ ｏ ｊ ｇ ，ＷＡ
固体激光器ppt课件
§5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
一、固体激光器的基本结构
1. 激光工作物质 2. 泵浦系统 3. 谐振腔 4. 冷却系统 5. 滤光系统
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)
固体激光器的基本结构
激光二极管端面泵浦固体激光器结构示意图 激光二极管侧面泵浦固体激光器结构示意图
5.1.4 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器 ➢半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所 示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
优点：模式匹配好， 阈值低，效率高 光束质量好
优点：可获得大功率输出
5.1.4 新型固体激光器
§5.1 固体激光器
固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的 激光器。
固体激光器主要特点： ① 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； ② 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到紫 外区； ③ 固体激光器系统简单，工作容易，传输灵活，可接光纤； ④ 结构紧凑，牢固耐用，价格低廉，应用前景广泛。 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。
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
❖ 吸收特性与光的偏振状态有关（各向异性图(5导-3)致红宝）石中铬离子的能级结构 ❖ 红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带：
固体激光器的基本结构和工作物质 李迎鑫 1102
固体激光器的基本结构与工作物质摘要1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
到1960年底，人们分别在固体（掺铀氟化钙）和气体（氦氖）中实现了四能级激光器系统。
固体激光器的发明梅曼发明的红宝石激光器为激光技术的发展完全打开了新的大门。
本文就固体激光器的基本结构与工作物质进行阐释。
关键词固体激光器基本结构工作物质基本结构固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
工作物质，激光器的核心部分，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
激励能源，固体激光器一般采用光激励源。
通常为光泵。
它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。
通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。
例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。
通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。
常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。
在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。
一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
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。
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。
受激辐射光通过反馈在其中形成放大与振荡, 并由部分反射镜输出。
固体激光器简介
4
I 11 / 2
(4 F3 / 2 谱线)
4
I 11 / 2
,对应1.06μ m
E1:基态, 一条激光谱线的激光 下能级(三能级系统):
4
I9/2
(
4
F3 / 2
4
I9/2
对应0.9μm谱线)
跃迁谱线: ①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观 察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定 可观 察到;
红宝石中铬离子的吸收光谱
红宝石中铬离子的能级结构
红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应 的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。
通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943μm线才能形成激光输出。
应指出,红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂 成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占 47%,E能级上约占53%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度 比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。 同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去, 这就加强了R1线,而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的位子均 将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。 红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随 温度变化。 但具有很多优点,如: 机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大 尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线 较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连 续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为 人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和 照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍属一 种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺 寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容 易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对 载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器 件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激 光发展上是贡献比较大的一种晶体。
蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制
学校编码：10384 分类号 密级 学号：S*********UDC硕 士 学 位 论 文 蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制 Heat Effect Problem of Blue Laser and It’s Temperature Control 黄剑平答辩委员会主席： 评 阅 人：2006 年 5月指导教师姓名：许惠英 副教授专 业 名 称：无线电物理论文提交日期：2006年5 月论文答辩时间：2006年5 月学位授予日期：2006年 月蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制黄剑平指导教师许惠英副教授厦门大学厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。
本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。
本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。
声明人（签名）：年月日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。
厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。
保密的学位论文在解密后适用本规定。
本学位论文属于1、保密（ ），在 年解密后适用本授权书。
2、不保密（）（请在以上相应括号内打“√”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要目前，激光领域中蓝光固体激光器由于自身具有效率高、结构紧凑、输出稳定、寿命长等优点，加上其在许多领域具有广泛的应用前景而倍受关注。
但目前输出功率达到瓦级水平的蓝光激光器的技术还不够成熟，因而进行这方面的研究具有重要的现实意义。
本论文的课题是研制瓦级蓝光固体激光器。
由于影响蓝光激光器工作性能的最主要的一个因素就是其晶体的工作温度，本文就蓝光固体激光器工作晶体的热效应问题进行探讨，并介绍了激光晶体温度控制器的设计。
固体激光器的应用
固体激光器的应用所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。
I960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
距今已有整整五十年了，在这五十年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。
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。
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。
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我们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。
一、固体激光器的类别：固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：AI2O3）、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd: YAG、掺钛的铝酸忆（Nd: 丫ALO、掺钛的氟化忆锂（Nd: YLF）等多种。
它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694. 3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。
二、固体激光器的构造及原理：在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。
激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。
常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。
固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。
掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。
激光器件3工作物质的热效应
§2.1.4 固体激光器的热效应
21
不同YAG棒的屈光度与泵浦功率的关系
Refracting power(m-1)
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
7mm , Nd doping 1%
2.0
6mm , Nd doping 0.8%
8mm , Nd doping 1% 1.5
4
5
6
7
8
9
10
Pump power(KW)
15
热焦距表示热透镜效应，则由折射率变化引起的热焦距为
fT
'
1 n2 L
K QL
(18）
端面效应形成的焦距用几何光学薄透镜公式表示为
fT"
R 2(n0 1)
K
r0Q(n0
1)
（19）
组合薄透镜为
1 fT
1 fT '
1 fT "
QL[1 dn K 2 dT
n03Cr,
n(r) n(0) n(r)T n(r)c
（12）
n(r)为棒截面内任意半径r处的折射率，n(0)为棒中心的折射率，Δn(r)T为与棒中心温 差引起的折射率变化量，Δn(r)c为热应力引起的折射率变化量
n(r ) T
[T(r) T(0)] dn dT
Q 4k
dn dT
r2
（13）
dn/dT为折射率温度系数
§2.1.4 固体激光器的热效应
1
固体激光器工作时，输入泵浦灯的能量只有少 部分转化为激光输出，其余能量转化为热损耗， 工作物质自身温度升高，引起荧光谱线加宽、 量子效率降低，导致激光器阈值升高和效率降 低。激光棒一方面吸收光泵辐射发热，另一方 面由于冷却不均匀会造成工作物质内部温度分 布不均匀，导致热应力、应力双折射和热透镜 效应等，这些热影响称之为热效应。
光热效应的工作原理
光热效应的工作原理
光热效应是指物质在受到光的照射时，会产生热效应的现象。
其工作原理主要涉及光能量的转换和热能量的释放。
光能量的转换通常是通过光子与物质相互作用来完成的。
当光子与物质相互作用时，光子的能量会被吸收，使得物质内部的电子能级发生变化。
这种能级的变化可以引起物质的电子、离子、分子等的激发或离解，从而产生热效应。
热能量的释放则是指物质内部的激发或离解所产生的热能量。
这种热能量可以通过传导、对流或辐射等方式释放到周围环境中。
在光热效应的应用中，通常利用光能量的转换和热能量的释放来实现一些工业生产或科学研究上的目的。
例如，太阳能板就是利用光能量的转换来发电；激光则是利用热能量的释放来进行切割、焊接等加工作业。
总之，光热效应的工作原理是通过光能量的转换和热能量的释放来实现物质的激发或离解，从而产生热效应的现象。
其应用广泛，对于工业生产和科学研究都具有重要意义。
- 1 -。
端面激光晶体热效应比较及分析的开题报告
端面激光晶体热效应比较及分析的开题报告一、研究背景及意义晶体激光是一种先进的光学探测技术，在现代光电领域具有广泛的应用。
随着科技的不断发展，针对晶体激光的研究也越来越深入。
其中，端面激光晶体热效应是研究的重要方向之一。
端面激光晶体热效应是指晶体激光工作时在晶体端面产生的热效应。
这种热效应会导致晶体材料中应力和变形的产生，因此对于晶体激光的性能和稳定性有着重要的影响。
目前，针对晶体激光的研究主要集中于热效应的检测和控制方面，因此对于端面激光晶体热效应的比较及分析具有重要的研究意义。
二、研究内容及方案1.研究内容本文将针对端面激光晶体热效应进行比较及分析，主要包括以下内容：（1）晶体激光的工作原理及热效应的产生机制分析。
（2）常见的端面激光晶体材料的热效应比较。
（3）端面激光晶体的热效应检测方法的研究和分析。
（4）针对端面激光晶体热效应的控制方法和技术的研究和分析。
（5）探讨端面激光晶体热效应对晶体激光性能的影响及其在实际应用中的作用。
2.研究方案（1）收集晶体激光的相关文献，了解晶体激光的工作原理及热效应的产生机制。
（2）对常见的端面激光晶体材料进行热效应的比较分析，比较不同材料在热效应方面的特点和优势。
（3）分析端面激光晶体热效应检测方法的特点和适用性，介绍并比较目前常见的检测方法。
（4）研究和分析端面激光晶体热效应的控制方法和技术，包括对晶体材料和环境的优化控制等方面。
（5）通过对端面激光晶体热效应对激光性能的影响分析，探讨其在实际应用中的作用及可能的应用前景。
三、研究预期结果1.深入研究端面激光晶体热效应的产生机理，对晶体激光的工作原理有更为深刻的理解。
2.比较不同晶体材料的热效应特点和优缺点，为晶体激光的应用提供理论基础。
3.研究和分析端面激光晶体热效应的检测和控制方法，为实际应用提供技术支持。
4.对端面激光晶体热效应对激光性能的影响进行深入探讨，为晶体激光应用的性能优化提供依据。
5.深化对晶体激光的研究，推动晶体激光在光电领域的应用和发展。
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(4.1 3)
抛物线型
September 2004 7
单位体积内发热功率Q
整根棒的热 耗散功率 热耗散功 率系数 泵浦源的 输入功率
Pd ηPin Q 2 2 πr0 l πr0 l
激光棒 长度
September 2004
8
热耗散功率与冷却水的热平衡方程
P Fh [ T ( r ) T ] (4.1 4) d 0 F
September 2004
26
[111]方向Nd：YAG的热致双折射
α 7.5 106 / C n0 1.82 Cr 0.017 Cφ 0.0025 CB2 0.0099 K 0.14W / cm C μ 0.25
Δn Δnr Δnφ (3.2 10 )Qr
September 2004
38
4.2.2重复频率脉冲激光器
September 2004
39
热累积
September 2004
40
4.3热效应的消除和补偿
• 4.3.1冷却与滤光
• 4.3.2光学补偿 • 4.3.3非圆柱工作物质
September 2004
41
4.3.1冷却与滤光
• 一、冷却
tg (2θ ) 3.23tg (2φ)
αQ 2 Δn n CB1 r K
3 0
22
September 2004
[001]方向Nd：YAG的热致双折射
q1 (3 μ 1) P 11 (5 μ 3) P 12 16(1 μ)
2 2 2 2 2[(1 3 μ) P (3 5 μ ) P (1 μ ) ( P P ) cos 2 φ 4 P sin 2φ 11 12 11 12 44 CX 16(1 μ) 2 2 2 2 2[(1 3 μ) P (3 5 μ ) P (1 μ ) ( P P ) cos 2 φ 4 P sin 2φ 11 12 11 12 44 CY 16(1 μ) 2 2 2 2 (1 μ) ( P P ) cos 2 φ 4 P sin 2φ 11 12 44 CB1 16(1 μ) P P P44 0.0615 11 0.029 12 0.0091
Q 1 dn 3 ( n0 αCr ,φ ) 热透镜效应系数：n2 K 2 dT
热焦距：
1 K f n2l Ql ( 1 dn n3αC ) 0 r ,φ 2 dT
' T
33
September 2004
端面效应
R
r0
Δl (r0 )
对于Nd：YAG
l0 r0
Qr 2 Δl (r ) αl0 [T (r ) T (0)] αr0 4K
P d T σ ε Bij n Δn
热 耗 散 功 率 温 度 分 布 应 力 应 变 光 率 体 折 射 率 双 折 射
September 2004
19
光率体
n1
lk
D1
n2
D2
Bij X i X j 1
主轴化：
B11 X 2 B22Y 2 B33 Z 2 1 X 2 Y2 Z2 2 2 1 2 n1 n2 n3
Δn(r ) ε Δn(r ) r ,φ 1 3 αQ 2 n0 Cr , φ r 2 K
September 2004
32
热透镜效应
Q dn 2 1 3 αQ n(r ) n(0) r n0 Cr , φ r 2 4 K dT 2 K n2 2 n(0)[1 r ] 2n(0)
棒的表 面积 热传递 系数 棒表面与冷却 介质的温差
F 2πr0l
September 2004 9
热传递系数
September 2004
10
棒表面与中心的温度
ηPin T ( r0) TF ( ) Fh 1 1 T (0) TF ηPin ( ) Fh 4πKl
Q 2 ηPin 中心与表面温差： T (0) T (r0 ) r0 4K 4πKl
αE 1 径向： σ r [ 2 1 μ r0 αE 1 切向： σ φ [ 2 1 μ r0 αE 2 轴向： σ z [ 2 1 μ r0
r0
0 r0
1 T (r )rdr 2 r 1 T (r )rdr 2 r
T (r )rdr ]
0
r
0 r
T (r )rdr T (r )]
September 2004
20
弹光效应
Bij P ε ijkl kl
弹光系数，对于YAG 具有3各独立分量
September 2004
21
[001]方向Nd：YAG的热致双折射
X
θ
X
φ
Y
Y
1 3 αQ 2 2 nX n0 n0 (q1r0 C X r ) 2 K 1 3 αQ nY n0 n0 (q1r02 CY r 2 ) 2 K
September 2004
13
4.1.2激光棒的热应力
应力：
力 σ 面积
线膨胀系数
应变：
Δl ε l
热膨胀
Δl α l Δ T
杨氏模量
虎克定律：
σ Eε
各向同性物质 μ 0.25
14
横向应变 泊松比： μ 纵向应变
September 2004
各向同性物质的热应力
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：
September 2004
35
4.2单次和重复率脉冲激光器的热效应
4.2.1单次脉冲激光器的热效应
Q ΔT
September 2004
CρV
36
单次脉冲泵浦时棒内温度的分布
September 2004
37
温度分布与半径和时间的关系曲线
使用15cm长螺旋氙灯， 注入11500焦耳，泵浦 直径1cm，长7.5cm的 钕玻璃棒
September 2004
23
[001]方向Nd：YAG的热致双折射
September 2004
24
[111]方向Nd：YAG的热致双折射
X
nφ
φ
θ
nr
Y
1 3 αQ 2 2 nr n0 n0 (q2 r0 Cr r ) 2 K 1 3 αQ nφ n0 n0 (q2 r02 Cφ r 2 ) 2 K
• 理论
热弹理论 弹光理论 虎克定律 热传导理论
September 2004 3
4.1连续激光器的热效应
• 4.1.1热平衡下棒内温度分布
• 4.1.2激光棒的热应力
• 4.1.3激光棒的热应力双折射 • 4.1.4激光棒的热透镜效应
September 2004
4
4.1.1热平衡下棒内温度分布
September 2004 17
热冲击波参量
Pd 8πR l
热冲击 波参量
K (1 μ ) R σ max αE
玻璃 CSGG 6.5 YAG 7.9 Al2O3 100
材料：
R(W/cm) 1
September 2004
18
4.1.3激光棒的热应力双折射
虎克定律 热弹理论 光弹效应
Y
3 CT 2n0 αCB2 λK
29
September 2004
4.1.4激光棒的热透镜效应
n(r ) n(0) Δn(r )T Δn(r )ε
温度差引起的 折射率变化
热应力引起的 折射率变化
September 2004
30
温度引起的折射率变化
dn Q dn 2 Δn(r )T [T (r ) T (0)] r dT 4 K dT
R2 r02 [R Δl (r0 ) ]2
l0
r02 2K R 2 Δl (r0 ) αr0Q
R K f 2(n0 1) αr0Q(n0 1)
'' T
September 2004
l 主平面： h 2n0
34
热效应的总焦距
1 1 1 ' '' fT fT fT αr0 (n0 1) 1 dn 3 n0 αCr ,φ 2 dT l 2 Kπr0 ηPin αr0 (n0 1) 1 dn 3 n0 αCr ,φ 2 dT l fT K Ql
θ φ
September 2004
αQ 2 Δn n CB2 r K
3 0
25
[111]方向Nd：YAG的热致双折射
4(2 μ 1) P 11 8(2 μ 1) P 12 2( μ 1) P 44 q2 48(1 μ) (17 μ 7) P 11 (31μ 17) P 12 8( μ 1) P 44 Cr 48(1 μ) (10 μ 6) P 11 2(11μ 5) P 12 Cφ 32( μ 1) 1 μ CB2 (P 11 P 12 4 P 44 ) 48( μ 1)
W/cm3
6
2
cm
September 2004
27
[111]方向Nd：YAG的热致双折射
X
Y
αQ 2 Δn n CB2 r K
3 0
September 2004
28
退偏效应
I0
X
I I0
I
ψ X
传输常数：
T
P1