固体激光器的装调
YAG
电光调Q 脉冲YAG 激光器与倍频实验赵凯（201421140047）[摘要]本实验研究闪光灯泵浦的调Q 脉冲Nd 3+：YAG 激光器，了解其工作原理，掌握该激光器的装配和调试方法以及相应的激光参数测量，学习应用非线性光学晶体产生倍频光的基本原理。
本实验通过调Q ，极大地压缩激光脉冲的脉宽，得到高峰值功率的激光脉冲。
并总结激光输出能量与氙灯注入能量的关系，以及绝对效率和斜率效率随注入能量的变化规律，并总结倍频输出与倍频晶体角度的关系。
一、引言固体激光器是以固体材料作为工作物质的激光器，它具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑等优点，在工业激光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究以及国防等方面有着重要的应用。
迄今，已实现激光振荡的固体激光工作物质有数百种之多，其中以掺钕钇铝石榴石（Nd 3+：YAG ）应用最多。
Nd 3+：YAG 是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好、激光阈值低和转换效率高，所以用它可以做成高重复频率的脉冲激光器和连续激光器。
如果在脉冲激光器内采用调Q 和放大技术，很容易获得时间宽度为10ns 量级而峰值功率达几百 MW 量级的TEM 00激光脉冲。
再通过P KD *等非线性光学晶体对波长为 1.06μm 的Nd 3+：YAG 激光基波进行二倍频、三倍频和四倍频，则可得到532nm 、 355nm 和266nm 四种波长的脉冲激光器。
此外，还可以用上述二倍频或三倍频光去泵浦染料激光器，获得从紫外到近红外的波长连续可调谐的脉冲激光。
这种以Nd 3+：YAG 激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽范围波长调谐特性等优点在科学技术、医学、工业和军事上得到了广泛的应用。
二、实验原理1．Nd 3+：YAG 激光器的工作原理和结构掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石（简称 YAG ，其分子式为 1253O Al Y ）单晶为基质材料，掺入适量的三价稀土离子Nd 3+所构成。
固体激光倍频、调Q实验
声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。
在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。
【实验目的】（1）掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理；（2）学习声光调Q倍频激光器的调整方法；（3）了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法；（4）学习倍频激光器的调整方法。
【实验原理】【实验原理】声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理（1）声光调Q基本原理：图1 声光调制器工作原理声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。
超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。
如图1所示。
光栅公式如下式（1）式（1）中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。
当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。
利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。
当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。
在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。
当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。
由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。
声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。
（2）倍频器件工作原理：图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。
固体激光器最佳腔长
固体激光器最佳腔长本文将介绍和概述关于固体激光器最佳腔长的主题。
固体激光器是一种利用固体材料作为介质产生激光的设备。
腔长是指激光在激光腔内传播的距离。
选择合适的腔长对于固体激光器的性能至关重要。
本文将探讨如何确定固体激光器的最佳腔长以优化其输出功率和光束质量。
固体激光器是一种利用固体材料产生激光的装置。
其工作原理基于激发介质和腔体结构两个关键元素。
激发介质固体激光器的激发介质是一种固态材料，如晶体或陶瓷，其中掺杂了适量的激发剂。
激发剂的特性决定了激光器的工作波长。
当激发介质受到外部能量的激发时，激发剂的激发电子会跃迁到高能级，形成一个具有较高能量的激发态。
这种状态是短暂的，激发态的电子会很快返回到低能级，并释放出能量。
腔体结构固体激光器的腔体结构是其光学谐振腔，用于放大激发介质产生的激光信号。
典型的腔体结构包括平面腔、谐振腔和激光棒腔。
在光学谐振腔中，激光信号来回反射，通过多次放大，最终形成强大的激光束。
腔体结构的设计和腔长对固体激光器的性能有重要影响。
固体激光器通过激发介质和腔体结构来实现激光的产生和放大。
理解固体激光器的工作原理对于确定最佳腔长具有重要意义，进而提高激光器性能。
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腔长的重要性本文旨在阐述固体激光器腔长对激光器性能的影响以及其重要性。
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本文将介绍确定固体激光器最佳腔长的方法，包括数值模拟和实验调节。
数值模拟通过数值模拟可以评估不同腔长对固体激光器性能的影响。
以下是一些常用的数值模拟方法：模拟软件：通过使用专业的激光器模拟软件，可以进行光场传输模拟和模拟实验调谐过程，以评估不同腔长下的激光功率、频率稳定性和模态分布等性能指标。
参考文献：查阅相关文献，了解其他研究者在类似问题上的数值模拟方法和参数设置，并结合实际情况进行适当调整。
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。
板条激光器
板条激光器与光速质量测量试验实验目的1.了解板条固体激光器的结构和工作原理2.学会调整谐振腔3.了解光速质量的定义和多种测量方法1.板条激光器的特点激光工作物质为板条形状的固体激光器。
普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状，温度梯度的方向与光传播方向垂直，在热负荷条件下运转时，将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应，使得光束质量降低，并限制了激光功率的进一步提高。
在板条激光器中，温度梯度发生在板条厚度方向上(板条宽度方向上的两侧面被热绝缘)，而光在厚度方向的两侧面(即泵浦面)上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，光传播方向近似与温度梯度方向平行，可基本避免热透镜效应和热光畸变效应，大幅度提高了激光输出功率。
热透镜效应是指LD（半导体激光器）工作时产生的温度会使晶体表面发生热形变，造成了晶体各部分密度不同，而光在经过不同密度的分界线时发生不同程度的折射，因此就形成了像是光线通过普通透镜一样的折射效果。
2.激光器的组成1) 工作物质工作物质——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，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。
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。
激光的技术习题
激光原理与技术实验YAG 多功能激光实验系统光路图实验内容一、固体激光器的安装调试1、安装激光器。
2、调整激光器，使输出脉冲达最强二、激光参数测量1、测量自由振荡情况下激光器的阈值电压。
2、测量脉冲能量和转换效率。
3、测量光束发散角。
三、电光调Q 实验研究1、调整Q 开关方位，寻找V λ/4 。
2、确定延迟时间。
3、测试动静比。
四、倍频实验1、测量倍频光能量与入射角的关系。
2、倍频效率的测量。
五、激光放大实验1、放大器放大倍率测量。
2、放大器增益测量3、最佳时间匹配测量。
M 1脉冲氙灯 脉冲氙灯第一章 习题1、请解释（1）、激光Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation辐射的受激发射光放大（2）、谐振腔在工作物质两端各放上一块反射镜，两反射镜面要调到严格平行，并且与晶体棒轴垂直。
这两块反射镜就构成谐振腔。
谐振腔的一块反射镜是全反射镜，另一块则是部分反射镜。
激光就是从部分反射镜输出的。
谐振腔的作用一是提供光学正反馈，二是对振荡光束起到控制作用。
（3）、相干长度从同一光源分割的两束光发生干涉所允许的最大光程差，称为光源的相干长度，用∆Smax 表示，相干长度和谱线宽度有如下关系：∆Smax = λ2 / ∆ λ光源的谱线宽度越窄，相干性越好。
2、激光器有哪几部分组成？一般激光器都具备三个基本组成部分：工作物质、谐振腔和激励能源。
3、激光器的运转方式有哪两种？按运转方式可分为： 脉冲、连续 ，脉冲分单脉冲和重复脉冲。
4、为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性∆λ/λ应为多少？109max 10328.61016328.0-⨯=⨯==∆mm S μμλλλ第二章 习题1、请解释（1）、受激辐射高能态E 2 的粒子受到能量 h ν = E 2 - E 1 光子的刺激辐射一个与入射光子一模一样的光子而跃迁到低能级 E 1 的过程称受激辐射.（2）高斯光束由凹面镜所构成的稳定谐振腔中产生的激光束即不是均匀平面光波，也不是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，沿 Z 方向传播的高斯光束的电矢量表达式为：)]())(2(exp[])()(exp[)(),,(222220z i z z R y x ik z y x z A z y x E ϕωω+++-∙+-= 高斯光束是从z<0处沿z 方向传播的会聚球面波,当它到达z=0处变成一个平面波,继续传播又变成一个发散的球面波.球面波曲率半径R(z)>z,且随z 而变.光束各处截面上的光强分布均为高斯分布.（3）、增益饱和受激辐射的强弱与反转粒子数 ∆N 有关，即增益系数G ∝ ∆N ，光强 I ∝ ∆N 。
实验1NdYAG固体激光器实验
hv21(a) 2 1 (b) 2 E 1(c) 图1、光与物质作用的吸收过程Nd ：YAG 固体激光器实验一、 实验内容与器件1、了解半导体激光器的工作原理和光电特性2、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法二、 实验原理概述1. 激光产生原理光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。
在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。
自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。
只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。
工作物质主要提供粒子数反转。
hv 21 2 E 1(a) E 2E 1(b)hv 21 hv 21图2、光与物质作用的受激辐射过程泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。
E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。
激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。
处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。
激光原理第九章
2．半导体激光二极管激励 用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源将大大提高激光器效率。
Nd：YAG宽约30nm的810nm泵浦吸收带中含合多条吸收谱线，809nm的半导体激光二极管输出光泵 浦可以准确地对准此吸收带中带宽约2nm的809nm吸收谱线。半导体激光二极管激励的固体激光器的总 效率为7％—20％。
CO2激光器的谐振腔大多采用平凹腔，由于其增益高．也可采用非稳腔以增加其模体积。
高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜，输出端可采用小孔耦合方式或由可透 过红外光的Ge、GaAs等材料制成输出窗。
1、纵向慢流CO2激光器 气体从放电管一端流入，另一端抽走，气流、电流和光轴方向一致。气流目的是排除CO2与电子碰
一、光泵激励 光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。 1、气体放电灯激励
以气体放电灯为激励光源是广为采用的激励方式，脉冲激光器采用脉冲氖灯，连续激光器 采用氖灯或碘钨灯。
气体放电灯激励的能量转换环节多，其辐射光谱很宽、只有一部分能量分布在激光工作物质的有效 吸收带内，通常L约为15％，激光器的效率较低，常用的Nd：YAG激光器的效率约为1％—3％
有小型化、全固态、长寿命及热效应小等优点。单个半导体激光器功率已越过1w，半导体激光器列阵 功率达数百瓦。
工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体激光器发射波长匹配是构成半导体激光器泵浦的固 体激光器的必要条件。适于构成此类激光器的固体工作物质有Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：YLF， Tm、Ho：YAG。为了使波长准确匹配，对半导体激光器的温度加以控制。
钕玻璃的荧光寿命长，易于积累高能级粒子。容易制成光学均匀性优良的大尺寸材料，可用 于大能量大功率激光器。
输出能量已达上万焦耳。荧光线宽较宽，适于制成锁模器件，钕玻璃锁模激光器可产生脉 宽小于1ps的超短光脉冲。钕玻璃的热导率低，振荡阈值又较高，因此不宜用于连续和高重 复率运转。
LASER激光器的调Q技术专讲..
栅声常波数频率等较于声高波.声波光长作λ用s.光长束度射d足经够此大介,质满时足发生衍射,一部d分光 偏2s离原来方向。当
时(λs与λ分别为声波与光波波si长n),如 果λ射光与声波波面的夹角θ满足 2s
只有振荡持续到t＝tD时，增长 到了ΦD ，雪崩过程才形成， Φ才迅速增大，受激辐射才迅 速超过自发辐射而占优势。
ΦD Φi 图3 从开始振荡到脉冲形成的过程
②激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。
因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间△t (也 就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni迅速减少，到t=tp时 刻， △ni= △nt，光子数达到最大值Φm之后，由△n ＜ △nt ，则Φ 迅速减少， 此时△n = △nf ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的 峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ni= △nt)的时刻。
声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调制 电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、 脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能 力差,不宜用于高能调Q激。
光轴方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x‘、y’,z‘。令光束沿z轴方 向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x' 和y'方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率η’x和η’y。经过晶体长度d距 离后,二偏振分量产生了相位差δ
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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 *********姓名丁志鹏指导老师邹万芳完成日期 2010.5.10目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Key words (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 (17)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。
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 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.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。
实验报告
佛山科学技术学院实 验 报 告课程名称 实验项目专业班级 姓 名 学 号 指导教师 成 绩 日 期 年 月 日一、实验目的1．掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；2．了解固体激光器倍频的基本原理；3．掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量。
二、实验仪器半导体激光器、激光准直器、耦合系统、YAG晶体、Cr4+晶体、KTP晶体、YAG输出镜、激光探测器、示波器三、实验原理1.半导体激光泵浦固体激光器工作原理由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
图 1 本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦简图２．激光晶体以Nd3+离子部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG），由于具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，成为目前应用最广泛的实验报告内容：一.实验目的 二.实验仪器（仪器名称、型号、参数、编号） 三.实验原理（原理文字叙述和公式、原理图） 四.实验步骤 五、实验数据和数据处理 六.实验结果七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等）八.思考题LD泵浦的理想激光晶体之一。
Nd:YAG晶体的吸收光谱如2所示。
图 2 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图从Nd:YAG的吸收光谱图我们可以看出，Nd:YAG在807.5nm处有一强吸收峰。
我们如果选择波长与之匹配的LD作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。
固体激光器分类
固体激光器分类固体激光器是一种利用固体材料作为工作介质产生激光的装置。
固体激光器的分类可以根据工作介质的不同来划分，下面将对常见的固体激光器进行分类和介绍。
1. 金属离子激光器金属离子激光器是指利用金属离子作为激发剂产生激光的固体激光器。
金属离子激光器主要有Nd:YAG（氧化钇钇铝石榴石）、Nd:YVO4（氧化钇钒钛石榴石）等。
这些材料具有较长的寿命，能够产生高能量和长脉冲激光，常用于军事、医疗、材料加工等领域。
2. 掺杂晶体激光器掺杂晶体激光器是指将某种外来元素加入晶体材料中，从而改变晶体的光学性质，使其具有产生激光的能力。
常见的掺杂晶体激光器有钕掺杂的YAG晶体（Nd:YAG）和掺镱的YLF晶体（Yb:YLF）。
这些晶体具有较宽的光学吸收带宽和较长的寿命，能够产生高功率、高效率、较短的脉冲激光。
3. 稀土离子激光器稀土离子激光器是指利用稀土离子（如钕、镥、铽、铒等）作为激发剂产生激光的固体激光器。
稀土离子激光器具有较宽的光学吸收带宽和较长的寿命，能够产生较短脉冲宽度和较高激光功率。
常见的稀土离子激光器有Nd:YAG（氧化钇钇铝石榴石）和Er:YAG（氧化铒钇铝石榴石）等。
4. 雷曼晶体激光器雷曼晶体激光器是指利用某些构成晶体结构的有机物质产生激光的固体激光器。
雷曼晶体激光器具有较宽的光谱范围和较短的激光脉冲宽度，适用于生物医学、化学分析等领域。
常见的雷曼晶体激光器有双重掺杂的钕掺杂钇铝石榴石晶体（Nd:YAG）。
5. 半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料产生激光的固体激光器。
半导体激光器具有体积小、功率高、效率高、成本低等优势，常用于光通信、激光雷达、医疗美容等领域。
常见的半导体激光器有铜蒸汽激光器、晶体管激光器、半导体激光二极管等。
每种固体激光器都有其独特的特点和应用领域，不同的激光器材料可以提供不同波段、功率和脉冲宽度的激光，满足不同应用的需求。
随着科学技术的不断进步，固体激光器的分类和应用领域也在不断拓展和深化，为人类的科学研究和工程技术提供了强大的支持。
激光应用系统设计课程实验教学设计与实践
942021年1月总第353期ISSN1672-1438CN11-4994/T 激光应用系统设计课程实验教学设计与实践何铁锋1,2 潘国兵2 王 萌1 王红志1 杨 灿11.深圳技术大学中德智能制造学院 广东深圳 5181182.浙江工业大学机械工程学院 浙江杭州 310014摘 要：激光应用系统设计课程是培养学生实践能力的重要课程，该课程涉及激光智能装备的光学系统、机械系统、控制系统、软件系统、冷却系统的相互配合和协调。
设计了激光应用系统的实验内容，构建了包括固体激光器装调在内的7个实验，并且根据课程实际情况，修改了课程考核标准，强调了实验预习和实验效果。
实验教学实践表明，实验内容和理论知识相匹配，加深了学生对激光应用系统的理论认识，积累了激光智能装备的工程经验，提高了学生的激光应用系统设计能力。
关键词：激光应用系统设计课程；实验内容；设计；考核作者简介：何铁锋，理科硕士，实验师；潘国兵，工科博士，副教授；王萌，工科博士，助理教授；王红志，工科博士，教授；杨灿，工科博士，副教授。
基金项目：教改项目“深圳技术大学教学改革研究项目”(编号：202018666601002)；实验室与设备管理项目“深圳技术大学实验室与设备管理研究基金项目”(编号：202018777702006)。
1 研究背景应用技术大学是以产业需求为导向，为经济社会发展培养本科层次的应用型人才的新型高校，培养出的学生理论知识扎实，实践和专业能力强[1-4]。
激光应用系统设计课程是激光智能装备及应用专业的一门专业基础课。
掌握好这门课程不仅需要学好理论知识，还需要在实践中积累相关经验。
课程实验教学及技能训练的设置将直接影响学生对该课程的学习程度，是值得高校教师进行思考的问题。
本文将从激光应用系统设计这门课程的现状出发，对实验课程内容的设置、课程考核方式等方面进行初步探索与实践。
激光智能制造业是高端制造业的重要内容[5-11]，已经成为世界各国争相发展的重点。
激光原理实验
激光原理实验激光安全须知实验一Nd3+:YAG激光器的安装与调试实验二Nd3+:YAG激光器参数测量实验三高斯光束远场发散角测量实验四氦氖激光器模式测量实验五电光调Q脉冲YAG激光器实验六KTP晶体倍频YAG激光器实验七YAG激光放大器激光安全须知1 大功率调Q脉冲激光装置所在地应有明确标志，非实验人员不得进入激光工作区域。
2 不可直视激光束(迎着激光束射来的方向看)和它的反射光束，不允许对激光器件做任何目视的准直操作。
3 对于不可见的红外激光束，实验者更应了解实验的光路布局，并避免使自己的头部保持在激光束高度所在的水平面内。
4 实验区域内不应存在任何带有闪亮表面的物体。
实验者应从身上除去此类饰物、手表与徽章等。
5 不可在有激光照射的情况下移动任何反射镜、光阑、能量汁探头和光谱仪器等。
6 不允许将激光束瞄准任何人体、动物、车辆、门窗和天空等。
对于由此而带来的对目的物的伤害，操作者负有法律责任。
7 不得在未停机或未确认储能元件均已放电完毕的情况下检修激光设备，避免造成电击伤害。
实验一Nd3+:YAG激光器的安装与调试一、实验目的1、通过对Nd3+:Y AG激光器的安装与调试熟悉固体激光器的结构和工作原理。
2、学会调整光学谐振腔的基本方法。
3、要求将激光器调整到有最佳输出状态。
二、仪器设备YAG棒：φ6Х80mm 脉冲氙灯：φ6Х80mm 半反镜透过率：T=80%谐振腔长：500mm 储能电容：100μF 聚光腔：1个激光电源：1台水冷设备：一套光学平台及支架：一套黑相纸：若干红光LED指示光源光源：一支小孔光阑：一个三、实验原理1、固体激光器基本结构YAG 棒图1、固体激光器基本结构固体激光器主要由工作物质，激励源和光学谐振腔三部分组成，其结构如图1。
本实验用激光器，工作介质φ6×80mm，泵灯为脉冲氙灯，尺寸为φ7×80mm，聚光腔采用镀银金属腔。
聚光腔的作用是使光泵发出的光更有效地集中照射到工作物质上，从而提高激光器的总体效率。
激光机装调工国家职业标准(试行)
深圳市职业技能鉴定(激光机装调工)考试大纲1. 职业概况1.1 职业名称 : 激光机装调工1.2 职业定义 : 从事各类激光机生产、装配、调试、检验及维修的人员。
1.3 职业等级 : 本职业分为 3 个等级 ,分别为初级( 国家职业资格5 级)、中级 ( 国家职业资格 4 级)、高级 ( 国家职业资格3 级 ) 。
本大纲所含试题库只对中级 ( 国家职业资格 4 级)、高级 ( 国家职业资格3 级 )进行考核。
1.4 职业环境 : 室内、无尘、常温或恒温 , 湿度≤ 80% 。
1.5 职业能力特征 : 有一定的分析、判断和推理能力 , 手指、手臂灵活 , 行走正常 , 动作协调 , 矫正视力不低于 1.0 。
1.6 基本文化程度 : 高中毕业及相当学历。
1.7 培训要求 :1.7.1 培训期限要求 : 全日制职业学校教育 , 根据培养目标和教学计划确定。
晋级培训期限 :中级不少于 100标准学时；高级不少于 150标准学时。
1.7.2 培训教师要求 : 应具有较为丰富的激光机专业知识、实际生产制造经验以及教学能力；培训中级人员的教师应具有高级职业资格证书或具有本职业中级专业技术职称；培训高级人员的教师应取得高级职业资格证书二年以上或具有本职业高级专业技术职称。
1.7.3 培训场地设备要求 : 可容纳30名以上学员的教室。
应有装调激光机的实验室和相关试验设备 , 以及频率计、示波器、万用表、功率计、能量计。
1.8 鉴定要求 :1.8.1 适用对象 : 从事或准备从事激光机生产装调的从业人员。
1.8.2 申报条件 :――中级 ( 具备以下条件之一者 )(1) 取得相关职业初级职业资格证书后 , 连续从事本职业工作一年以上 ,经本职业中级正规培训达规定标准学时数 , 并取得毕 ( 结)业证书。
(2) 取得本职业初级资格证书后,连续从事本职业工作二年以上。
(3) 取得经教育或劳动保障行政部门审核认定的以中级技能为培训目标的中等以上职业学校本职业毕业证书。
21激光设备激光器功率控制系统控制方式要点
三、激光器功率控制方式——激励信号控制
下图为一激光器自动功率控制系统原理框图，此控制系统激励信号 为直流电压。整体电路形成一个闭合环路，通过负反馈机制稳定激 光器的输出功率。
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三、激光器功率控制方式——激励信号控制
该控制电路由电压比较器、电容充放电模块、恒流源和反馈回路构成 。其工作原理是：电容充放电模块根据比较器输出电压的高低循环跳 变，来对电容进行充放电，最终将其电压值稳定在某预设值，从而间 接控制恒流源的输入电压，并进一步控制激光器电流，恒流源直接驱 动激光器，它的输入电压和激光器驱动电流成正比例关系。
（1）电光调Q:是利用晶体的电光效应作为Q开关的元件。
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二、调Q实现方式
（1）电光调Q：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压， 调节腔内光子的发射损耗。开始工作时，晶体两端加一电压，由于 晶体的偏振效应，谐振腔的损耗很大，Q值低，激光器不振荡，激光 上能级不断积累粒子数，Q开关处于关闭状态。某一特定时刻，突然 撤去晶体两端电压，谐振腔突变至损耗低，Q值高，Q开关打开，形 成巨脉冲激光。
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二、调Q实现方式
（2）声光调Q: 声光调Q器件由声光互作用介质（如熔融石英）和键合于其上的换 能器所构成。换能器将高频信号转换为超声波。在激光腔内插入声 光调Q器件，可以产生很高的衍射损耗，此时腔内具有很低的 Q值 ，Q开关处于关闭状态。当激光高能级积累大量粒子数时，撤除超 声波，衍射效应即刻消失，损耗下降，Q开关打开，激光巨脉冲遂 即形成。
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二、调Q实现方式
（1）电光调Q特点是： ——有较高的动态损耗和插入损耗；
-9 ——开关速度高，同步性能好。开关时间可以达到10 秒；
高功率固体激光器晶体断裂的故障分析及防护
多， 早期激光器输出功率大多在 １０ 以内， ０Ｗ 这种故 上。伴随着激光器使用功率 的升高， 激光器 Ｙ Ｇ晶 障现象通 过规范 晶体 安装工 艺和使 用优质 的水压 保 Ａ 体断裂 的故 障也频繁发 生 ， 即固体激光 器 中的激光工 护 开关 可 以有效 防范 。 作物质 Ｙ Ｇ晶体在使用 过程 中 出现突然 断裂 现象 。 Ａ 但近几 年频 繁发 生 的高 功率 固体激光 器 晶体 断 Ｙ Ｇ晶体作 为 固体 激光 器 的 核 心器 件 ， Ａ 价格 昂 裂 的故障 和以前 有所 不 同 ， 障 发生 过 程 和激 光 器 故 贵， 晶体断裂故障频繁发生给激光器生产厂家和用 的工作 状态存 在 密切联 系 。 户 带来较 大 的经济 损 失 和心 理 影 响 ， 固体 激 光 器 给 （） １ 激光器工作频率越高 ， 输出功率越高 ， 障 故 的推广 和使用 带来很 大 的障碍 ， 通过对 引起 Ｙ Ｇ晶 Ａ 发生概率就越高。特别是在 ３０ 功率段使用的设 ０Ｗ 体断裂故障的几种原因进行分析 ， 提出了对应 的防 备故障比率几乎达到 ５ 而 １０ 小功率段使用的 ％， ０ Ｗ 护措施 ， 实践证 明这些 防护 措施对 Ｙ Ｇ晶体 断裂 故 Ａ 设 备几 乎没有 出现过这 种故 障 。 障有很好 的 防范效果 。 （） ２ 激光器高功率连续工作的时间越长 ， 障 故
升， 以达到热平衡 ， 可 冷却水有足够的冷却能力 。同 时， 用大流量 的水泵更换过几台故障设备的水泵 ， 水
流量可升高到 ４ Ｌ ｍｎ故障情况仍然不能好转 ， ５ ／ ｉ， 证 明故障现象和水流量关 系不大 。 只有从 注入功率上找原 因， 大功率 固体激光器
的相互干扰 ， 降低外界干扰源对激光电源的影响。 在激光器光路安装调试过程中， 特别是谐振腔 装调过程 中， 光路一定要严格准直 ， 激光输出不能偏 离光 轴 中心 ， 最好 使用 铸造 成型 的激光 器底 座 ， 采用 四维 膜 片调整 架使 膜 片 中心对准 光轴 中心 。
深圳职业技能鉴定激光机装调工
深圳市职业技能鉴定《激光机装调工》考核大纲(技师）（2016制订）1.职业概况1.1.职业名称：激光机装调工根据GB/T18490-2001定义，本大纲所指激光机是：包含有一台或多台激光器，能提供足够的能量/功率使至少有一部分工件融化、气化，或者引起相变的机械(机器）,并且在准备使用时具有功能上和安全上的完备性.1.2.职业定义进行激光机部件与整机生产与制造、安装与调试、维护与维修的相关人员和使用激光机从事各类激光加工的相关人员.1.3.职业等级本职业分为初级（国家职业资格5级）、中级(国家职业资格4级）、高级（国家职业资格3级)、技师（国家职业资格2级)和高级技师（国家职业资格1级）5个等级。
1.4.职业能力特征有一定的分析、判断和推理能力，手指、手臂灵活，行走正常，动作协调，矫正视力不低于1。
0。
1.5.职业培训要求1.5.1.培训环境要求室内、无尘(粉尘度≤0。
01g/cm）、恒温或常温(18-28℃）、相对湿度≤70%RH、无强烈震动源。
1.5.2.培训对象基本文化程度要求高中毕业(含同等学历）。
1.5.3.培训期限要求(1）全日制职业学校教育,根据其培养目标和教学计划确定。
（2）晋级培训期限：初级不少于360标准学时；中级不少于300标准学时；高级不少于240标准学时。
技师不少于180标准学时；高级技师不少于120标准学时。
1.5.4.培训教师要求参照深圳市职业技能鉴定指导办最新公布的教师资格条件执行。
1.5.5.培训场地与设备要求（1）可容纳30名以上学生同时进行理论学习的计算机教室。
(2)可容纳5名以上学生同时进行实操学习的实训室。
(3）实训室包括但不限于6台以上的激光打标机、激光切割机、激光焊接机和激光清洗机等激光加工设备。
（4）实训室包括但不限于6台以上的激光机光路系统装调模块、激光机电控系统装调模块和激光机整机装调模块在内的激光机装调专用装置。
（5）实训室包括但不限于5套以上的工具和激光专用测量仪器（含激光光束质量分析仪、激光功率计、激光能量计、100X显微镜、二次元测量仪、示波器、万用表、电工工具和钳工工具等。
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实验四 固体激光器的装调及静态特性
实验序号 No:225003
固体激光器的装调及静态特性 S S o o l l i i d d S S t t a a t t e e L L a a s s e e r r A A l l i i g g n n m m e e n n t t a a n n d d T T h h e e P P a a r r a a m m e e t t e e r r M M e e a a s s u u r r e e m m e e n n t 一、实验目的
（1）掌握固体激光器的工作原理；
（2）学习固体激光器的装调；
（3）掌握常用固体激光器的调整和检测仪器的使用方法；
（4）测量固体激光器的静态特性。
二、实验原理
（1）固体激光器的工作原理
固体激光器主要由激光工作物质、激励泵源、聚光腔和光学谐振腔组成。
常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石晶体（Nd：YAG）、掺 钕玻璃等。
本实验中激光工作物质为红宝石晶体，它的激活离子是红宝石中的 三价铬离子，激光输出的波长为694.3nm。
实验简介
固体激光器一般由激光工作物质、
泵浦光源、聚光腔、光学谐振腔和控制
电源组成。
常用的固体激光器有：红宝
石激光器、Nd:Y AG 激光器、钕玻璃激
光器、铒激光器、钛宝石激光器等。
本
实验使用的是红宝石激光器。
红宝石中铬离子产生受激辐射的能级如图4—1所示。
当光泵的光照射红宝
石时，则处于基态能级 4 A 2 的铬离子就吸收光泵的能量跃迁到能级 4 F 2 和 4 F 1 上。
再经过非辐射跃迁的形式跃迁到 2 E 上。
2 E 是亚稳态，具有较长的能级寿命，平
均寿命约为3毫秒。
激发离子可在 2 E 上积聚起来，从而实现粒子数反转，每当
光通过处于粒子数反转状态的红宝石棒时，由于受激辐射，光得到放大。
因为 能级 2 E 分离成为 2 A 和E 两个能级，从 2 A 至 4 A 2 和E 至 4 A 2 的跃迁分别发射
692.9nm 和694.3nm 的光。
不过，由于能级E 的平均寿命比能级 2 A 的平均寿命
稍长， 以及E 处于较低能级位置上等原因， 所以通常红宝石激光器输出的是E 至 4 A 2 跃迁的694.3nm。
红宝石（Al 2O 3: + 3 r C ）的能级为三能级系统，它与四能级系统的掺钕钇铝石
榴石和掺钕玻璃相比有较高的光泵阈值。
红宝石激光器的输出受温度影响大， 在室温下主要是脉冲工作。
一般结构的固体激光器称为静态激光器，理论与实验表明，它输出的脉冲 并不是一个平滑的脉冲，而是一群只有微秒量级的尖峰脉冲序列，如图 4—2 所示，人们称这种现象为激光驰豫振荡或尖峰振荡。
激光驰豫振荡的产生机理 可定性地解释为当粒子反转数△n 达到并稍超过阈值时，开始产生激光。
受激 辐射使粒子反转数△n 下降，当△n 下降到阈值时，激光脉冲达到峰值。
△n 小 于阈值，增益小于损耗，所以光子数减少。
但随着光泵的增加，△n 又重新增 加，再次达到阈值时，又产生第二个尖峰脉冲。
在整个光泵时间内，这种过程 反复产生，形成一群尖峰脉冲序列。
增加光泵的输入能量，则尖峰脉冲的个数 增加、尖峰脉冲之间的时间间隔变小，激光驰豫振荡的总宽度约为毫秒量级。
三、实验装置
静态激光器的结构示意图如图4—3所示， 它由激光工作物质、 光激励泵源、 聚光器和光学谐振腔组成。
本实验的固体激光器装置如图4—4所示。
He-Ne激光器、光栏用于调整激 光器，能量计和光标检流计用于测量激光器的输出能量，光电探测器和示波器 用于观察氙灯闪光波形和激光输出波形。
本实验的固体激光器采用红宝石激光 器，实验装置的具体参数简述如下：
（1）红宝石激光器
光阑
半反膜 固体激光电源
红宝石棒
φ6×70mm 脉冲氙灯
φ6×70mm 谐振腔长
500mm 平面反射镜
部分反射镜透过率T=60% 储能电容
400μF×4=1600μF 聚光腔
单椭园柱，a=35，b=30 镀银抛光。
（2）激光能量计
炭斗接收，光标检流计指示，测量范围0—13焦耳。
（3）光电探测器
如图4—5所示。
（4）脉冲示波器。
He-Ne 激光器 图4—4 实验装置示意图
红宝石晶体
直流电流 示波器 检流计 激光 光电探测 能量计 脉冲氙灯
全反模
四、实验内容
（1）装调静态固体激光器，使之产生激光，反复调整，降低阈值。
（2）观察脉冲氙灯的闪光波形。
本实验的脉冲氙灯充电和放电回路如图 4—6 所示，充电电压范围为 600V —1300V，改变充电电压，观察氙灯闪光波形变化，观察闪光波形宽度并与理论 计算值比较。
闪光时间
T=2n LC 储存电能 E= 2
2
1 nCV 式中n 为仿真节数，n 越大放电波形越接近方波。
C 为每节电容量，L 为每 节电感量，V 是电容上的充电电压值。
（3）测量激光器输入能量的阈值
使储能电容器充电（从 1300V 到 600V）。
分别触发激光器，用黑相纸记录 打出的斑点，直到黑相纸打不出痕迹时即为激光器阈值输入能量。
（4）重复上述实验，将激光脉冲射入能量计探头，从光电检流计上读出相 应激光能量数值，画出输入输出曲线。
如图6—7所示，延长实验曲线与横坐标 轴的交点即为输入能量之阈值。
（5）用光电探测器接收激光，从示波器上观察激光尖峰振荡波形，改变光 泵输入能量，观察尖峰振荡波形的变化。
五、实验方法提示
（1）激光器的调整方法
用 He-Ne 激光器光束调整固体激光器的谐振腔反射镜，首先使它们轴向与 红宝石棒对中，并使它们对He-Ne激光的反射光斑重合，达到严格平行。
（2）激光波形的观察
为了避免光强过强引起光电探测器饱和失真，需要用若干毛玻璃或纸片将 激光衰减，衰减程度应以观察到不失真的激光波形为准。
输出
输入
图4—7 激光输入输出曲线
（3）用示波器观察氙灯闪光波形和激光波形时，要注意调整示波器的触发 灵敏度，使示波器只有在待测信号输入时才扫描，电干扰均不得使示波器扫描。
六、思考题
（1）怎样观察氙灯的发光时间与激光振荡的时间之间的关系？
（2）用什么观察方法可以求出脉冲峰值功率？
（3）你观察的氙灯闪光时间与理论公式计算结果符合吗？想想为什么？。