华中科技大学激光工程第9讲-其他工业用激光器-B-朱广志-
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激光原理与技术-第二部分B
c Y y a
c 2N
c ie ikL c iXX m n Fm X Gn Y Fm X e dX c Gn Y eiYY dY 2 c
1 mn m n
Y方向和X方向无限长的窄带镜共焦腔的自洽积分方程
(2.5.4)
……..
• 自再现模 积分方程
ik eik V x, y V x, y 1 cosds 4
开腔中稳态场分布函数
V(x,y)为复函数，| V(x,y) | 为镜面上场的振幅分布，arg V(x,y) ：
为镜面上场的相位分布。
•自再现模积分方程 (自洽积分方程）
x2 y2 L
Cmn －常系数 用近似解来讨论共焦腔镜面上的场分布特性
1. 镜面上场的振幅分布
• 基模: TEM00
m=0, n=0
Vmn
E
2W0s
c c 2 c 2 x 2 y 2 Cmn H m x Hn y e a a a
二、孔阑传输线
衍射在这里起到了“筛子”的作用
三、菲涅耳-基尔霍夫衍射积分
开腔衍射理论分析方法
1. 惠更斯--菲涅尔衍射原理及基尔霍夫衍射积分
ik eik u x, y ux, y 1 cosds 4 s
S曲面上光场分布函数
各子波源发 出的球面波
倾斜因子
c
Fm X e c
iXX
dX
......
d 2 Fm X X 2 Fm X 0 dX 2
线性谐振子的薛定锷方程
参见激光物理学邹英华 孙陶亨编写
华中科技大学光电子科学与工程学院 2010～2011学年度第二学期课表
1—2 星期一
3—4 光电探测与信号处理 1-12周 东九楼C101 5—6 7—8 9—10
光纤光学 1-10周 东九楼B201 光纤通信技术 11-12,14-19周 东九楼B201
计算机网络基础 东九楼D109
1-6周
东九楼D212
信息光学（86人） 1-2，4-8周
数据通信 （选修 142人） 9-12，14-19周 东九楼B201
任课教师姓名职 光电信息技术实验 称
24/1.5 周海（讲师）杨春华（讲师）齐丽君（讲师）朱广志（讲师）范晓红（讲师）何艳艳（高工）
16/1 陈晶田（工程师） 光纤通信技术 （双语 105人） 48/3 张新亮（教授） 光纤通信技术 （双语 68人）48/3 何健（副教授）张新亮（教授） 热力学与物理统计 32/2 陈培锋（教授） 信息光学（双语 选修 光信14人+中法班72人） 32/2 付玲（教授） 激光课程设计 1W 杨春华（讲师） 激光课程设计 1W 杨春华（讲师） 激光器件设计 （选修 160人）48/3 王海林（副教授）卢宏（高工） 生产实习 3W 半导体光电子材料与器件（选修 120人）48/3 郜定山（副教授）王双保（副教授） 数据通信 （选修 142人） 40/2.5 徐海峰（副教授） 光电图像处理 （选修 193人）40/2.5 刘斌昺（讲师） 精密机械设计与CAD （选修 78人） 40/2.5 黄鹰（教授）程愿应（教授）
专业班 星期 节次
光信 0801-0804班（31，33，27，28，合计119人）
计算机网络基础 1-6周 东九楼C101 热力学与物理统计 11-12，14-19周 东九楼B303
中法 0801-0803班（22，26，24，合计72人） 光电探测与信号处理 1-12周 东九楼D408
激光加工工艺-华中科技大学光学与电子信息学院
§3.2 Typical Laser cutting crafts of some materials
§3.3 Applications of high-power laser cutting
Chapter 4 The principle and application of the high power laser welding
第八章激光光致等离子体特性及激光制备薄膜技术
§8.1激光光致等离子体特性
§8.2激光制备薄膜原理
§8.3激光制膜工艺研究
第九章飞秒激光加工技术
§9.1飞秒激光微细加工机理
§9.2飞秒激光微纳加工系统
§9.3飞秒激光加工应用
教材：
《现代激光制造技术》，张国顺，化学工业出版社，2006年。
主要参考书：
《激光加工工艺手册》，关振东，中国计量出版社，2007年
Project Source:
The MOST National "Fifteen" Scientific and Technological ResearchPlan,CHINA.
"Eleventh Five" major scientific and technological support plan,CHINA.
1997.09－2000.06，华中科技大学，激光研究院，博士
研究工作经历：
1989.09－1999.06，华中理工大学，激光工程中心，讲师
1999.06－2006.11，华中科技大学，激光研究院，副教授
2006.11－现在，华中科技大学，光电信息学院，教授
学术成就：
主要从事新型CO2气体激光器、高功率激光加工系统集成、激光加工工艺等方面的研究开发，作为主要骨干力量，参与了“激光加工国家工程研究中心”学科建设等系列重要工作。先后承担并完成科技部国家“十五”科技攻关、“十一五”重大科技支撑计划、教育部博士点基金、湖北省“十一五”重点科技攻关等省部级项目20余项；获得省部级鉴定成果4项，第一完成人获得2005年教育部提名国家科技进步一等奖、2004年湖北省科技进步二等奖。
§3.3 Applications of high-power laser cutting
Chapter 4 The principle and application of the high power laser welding
第八章激光光致等离子体特性及激光制备薄膜技术
§8.1激光光致等离子体特性
§8.2激光制备薄膜原理
§8.3激光制膜工艺研究
第九章飞秒激光加工技术
§9.1飞秒激光微细加工机理
§9.2飞秒激光微纳加工系统
§9.3飞秒激光加工应用
教材：
《现代激光制造技术》，张国顺，化学工业出版社，2006年。
主要参考书：
《激光加工工艺手册》，关振东，中国计量出版社，2007年
Project Source:
The MOST National "Fifteen" Scientific and Technological ResearchPlan,CHINA.
"Eleventh Five" major scientific and technological support plan,CHINA.
1997.09－2000.06，华中科技大学，激光研究院，博士
研究工作经历：
1989.09－1999.06，华中理工大学，激光工程中心，讲师
1999.06－2006.11，华中科技大学，激光研究院，副教授
2006.11－现在，华中科技大学，光电信息学院，教授
学术成就：
主要从事新型CO2气体激光器、高功率激光加工系统集成、激光加工工艺等方面的研究开发，作为主要骨干力量，参与了“激光加工国家工程研究中心”学科建设等系列重要工作。先后承担并完成科技部国家“十五”科技攻关、“十一五”重大科技支撑计划、教育部博士点基金、湖北省“十一五”重点科技攻关等省部级项目20余项；获得省部级鉴定成果4项，第一完成人获得2005年教育部提名国家科技进步一等奖、2004年湖北省科技进步二等奖。
9HeN讲义e激光模式分析
(c) TEM02
(d) TEM03
圆形反射镜的横模图形
横模电场分布及强度示意图
(a) TEM00 (b) TEM10 (c) TEM20
激光谐振腔内电场横模分布示意图
TEM00
TEM11
激光多横模振荡示意图
激光模式的测量方法
横模的测量方法：在光路中放置一个光屏；拍照
；小孔或刀口扫描方法获得激光束的强度分布，确定 激光横模的分布形状
F
c 4l
l 20mm F3.75GHz
感谢聆听！
L=10厘米的He-Ne气体激光器
q 1.5109Hz
L=30厘米的He-Ne气体激光器
q 0.5109Hz
Ne原子的中心频率： 4.7 41104 /s
Ne原子的中心波长： 6328À
荧光光谱线宽： q 1.5109Hz
激光器中出现的纵模数
工作原子自发辐射 的荧光线宽越大， 可能出现的纵模数 越多。
光电探测器：接收扫描到的激光频率 双凸薄透镜：待测的激光光束变换为无源腔的高斯光束。使待测激光 束的全部能量耦合到无源腔的基模中去。 偏振器和1/4波片组成光学隔离器，防止光重新回到待测激光器中去
球面扫描干涉仪
相干极大透射 4la ka
自由光谱范围
4ldkd(k1)a
d
a
ad
4ld
F
2 4l
基模(横向单模)： m=n=0, 其它的横模称为高阶 横模
放电毛细管反馈产生衍射
方形反射镜和圆形反射镜的横模图形
m n 2 c n L 1( m n)ar c ( 1 cRL1 o )1 s ( RL2) 1 2
方形反射镜的横模图形ห้องสมุดไป่ตู้
华中科技大学激光工程第10讲-激光调制,调Q,激光技术-A-朱长虹-
射频信号 激光脉冲
脉冲峰值功率
脉冲平均功率/脉冲重复频率 脉冲宽度
对于声光调Q，开关的时间 s主要由声行波通过光束的渡越时间决定， 相邻两个Q脉冲的时间间隔大致要与激光工作物质的上能级寿命相等。 声光调Q通常用于连续激光器，输出K 激光调Q技术
✮
被动调Q
饱和吸收体的能级应当与激光能级匹配， 即饱和吸收波长与激光波长一致。
透反镜 激光介质
泵浦 饱和 吸收体
全反镜
将饱和吸收体放在谐振腔内，初始腔内光强很弱,同时吸收 损耗大，Q值低,谐振腔处于关闭状态，不能形成激光振荡； 在泵浦的作用下，随着激光介质反转粒子数的不断积累， 腔内自发辐射荧光也逐渐增强; 当荧光光强可与饱和吸收光强相比拟时，吸收系数变小， 透过率增大，饱和吸收体突然被漂白，这时腔内Q值猛增，产 生激光振荡，输出调Q激光脉冲。
检偏器
V
入射光电场矢量按主轴分解， 出射光波按 分量相位差合成，经过检偏器后光强发生改变。
13 of End
2 电光调制与声光调制
电光调制晶体的性质
非中心对称晶系 晶体折射率均匀 吸收和散射损耗小 物理化学性能稳定
激光损伤阈值高
常用的电光调制晶体有： KDP，DKDP，RTP,LN等。
14 of End
脉冲宽度与测量精度的关系
c L t 2
21 of End
3 激光调Q技术
激光尖峰脉冲系列
增加激光器的泵浦功率,只能增加尖峰频率,减小尖峰的间隔 既不能减少激光脉宽，也不能增加激光器的峰值功率
22 of End
3 激光调Q技术
弛豫振荡现象：普通脉冲固体激光器输出脉冲由许多振 幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。脉宽约 0.1~1us ，间隔为数 us ，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵 浦持续时间相等。
脉冲峰值功率
脉冲平均功率/脉冲重复频率 脉冲宽度
对于声光调Q，开关的时间 s主要由声行波通过光束的渡越时间决定， 相邻两个Q脉冲的时间间隔大致要与激光工作物质的上能级寿命相等。 声光调Q通常用于连续激光器，输出K 激光调Q技术
✮
被动调Q
饱和吸收体的能级应当与激光能级匹配， 即饱和吸收波长与激光波长一致。
透反镜 激光介质
泵浦 饱和 吸收体
全反镜
将饱和吸收体放在谐振腔内，初始腔内光强很弱,同时吸收 损耗大，Q值低,谐振腔处于关闭状态，不能形成激光振荡； 在泵浦的作用下，随着激光介质反转粒子数的不断积累， 腔内自发辐射荧光也逐渐增强; 当荧光光强可与饱和吸收光强相比拟时，吸收系数变小， 透过率增大，饱和吸收体突然被漂白，这时腔内Q值猛增，产 生激光振荡，输出调Q激光脉冲。
检偏器
V
入射光电场矢量按主轴分解， 出射光波按 分量相位差合成，经过检偏器后光强发生改变。
13 of End
2 电光调制与声光调制
电光调制晶体的性质
非中心对称晶系 晶体折射率均匀 吸收和散射损耗小 物理化学性能稳定
激光损伤阈值高
常用的电光调制晶体有： KDP，DKDP，RTP,LN等。
14 of End
脉冲宽度与测量精度的关系
c L t 2
21 of End
3 激光调Q技术
激光尖峰脉冲系列
增加激光器的泵浦功率,只能增加尖峰频率,减小尖峰的间隔 既不能减少激光脉宽，也不能增加激光器的峰值功率
22 of End
3 激光调Q技术
弛豫振荡现象：普通脉冲固体激光器输出脉冲由许多振 幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。脉宽约 0.1~1us ，间隔为数 us ，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵 浦持续时间相等。
华中科技大学激光工程第9讲-其他工业用激光器-A-朱广志-
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31
2 碟片固体激光器
美国波音公司的紧凑型有源镜激光器(CAMIL)的面泵结构
激活粒子为Nd3+，基质可以是YAG、GGG Nd:GGG尺寸可以达到15cm 碟片厚度大(2.5mm) 单程泵浦吸收效率达到90%
碟片口径很大，最大功率受ASE损失限制
采用光学透明的开放式微通道冷却 优势： 不需要复杂的泵浦光学结构
连续输出功率60W 和100W
14 of
31
1 半导体激光器
15 of
31
1 半导体激光器
固体激光器热管理问题的发展路线
泵浦源： 几何外形：
灯 半导体激光器
高功率碟片固体激光器——高光束质量、高平均功率、高转换效率
高端固体激光器典型代表
激光加工的主流光源
16 of
31
2 碟片固体激光器
1993
1000 2000 4000 4000 4000 4000 8000 8000 8000 12000 12000 12000 16000 16000
2 4 8 8 8 8 8 8 8 8 8 12 8 12
宽 1460 1600 1600 1600 1600 1600 1990 1990 1990 2880 2800 2800 2800 2800
不同尺寸泵浦光斑下的碟片晶体应力分布
Interference Fringe
OPD
24 of
31
2 碟片固体激光器
碟片激光器输出功率特性
Yb:YAG晶体能级结构
f Ai j
E Ai ) KT j 3 E exp( Aq ) KT j q 1 exp(
f Zi j
激光原理第一章_华中科技大学课件
1.1.1激光发展的历史
– 1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的 原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖； "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them" – 1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了 受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础； – 1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收” 的存在；
1.1.1激光发展的历史
• 突破
– 1958年Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文 “Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一 种新事物登上了历史舞台。 – 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制 的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公 认的世界上第一台激光器。
1.1.1激光发展的历史
• 黎明前的黑暗
– 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得 1918年诺贝尔物理学奖； "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta"
dn21 A21n2dt
• 其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高 能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是 每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。
1.2激光产生的机理
1.2激光产生的机理
连续激光器工作特性朱广志专选课件
连续激光器工作特性朱广志
20.1 激光器的阈值条件
阈 值 条 件 可 以 用 来 描 述 腔 内 产 生 振 荡 的 动 态 过 程 ；
考 虑 谐 振 腔 的 长 度 为 L ， 工 作 物 质 长 度 为 l， 腔 中 的 光 束 体 积 为
V R ， 工 作 物 质 内 的 光 束 体 积 为 V a， 则 第 l模 的 总 光 子 数 的 变 化 速 率 为 ：
到 达 能 级 E 2 的 粒 子 ， 也 只 有 一 部 分 通 过 自 发 辐 射 跃 迁 到 能 级 E 1 并 发 射 荧 光 ，
总 效 的 率 量 为 子 2 效 率 A 2 表 1 / 示 A 为 2 1 F S 2 1 1 。 2 工 作 物 发 质 射 从 荧 光 光 泵 的 吸 光 收 子 的 数 光 子 数
n n0 02121,0,cL 0N cllL lL cN Rll 21 n,00l21n,tL0clRl
不 同 模 式 具 有 不 同 的 , 0 和 ， 因 而 n t 值 不 同 。
3
20.1 激光器的阈值条件
从 上 式 可 以 得 出 ：
G 0G t /l
为 平 均 单 程 损 耗 因 子 。
增 加 ；
20.2 模式竞争
1 、 均 匀 加 宽 的 纵 模 竞 争
开 始 时 ， G 0 G t ， q ， q 1 ， q 1 都 能 形 成 自 激 振 荡 ；
当 G 下 降 到 曲 线 1 时 ， G q 1 G t ， 此 时 I q 1 不 再 增 加 ， 而 I q 和 I q 1 会 继 续
2
20.1 激光器的阈值条件
dd N tl n 21,0cN l L lN R ll
20.1 激光器的阈值条件
阈 值 条 件 可 以 用 来 描 述 腔 内 产 生 振 荡 的 动 态 过 程 ；
考 虑 谐 振 腔 的 长 度 为 L ， 工 作 物 质 长 度 为 l， 腔 中 的 光 束 体 积 为
V R ， 工 作 物 质 内 的 光 束 体 积 为 V a， 则 第 l模 的 总 光 子 数 的 变 化 速 率 为 ：
到 达 能 级 E 2 的 粒 子 ， 也 只 有 一 部 分 通 过 自 发 辐 射 跃 迁 到 能 级 E 1 并 发 射 荧 光 ，
总 效 的 率 量 为 子 2 效 率 A 2 表 1 / 示 A 为 2 1 F S 2 1 1 。 2 工 作 物 发 质 射 从 荧 光 光 泵 的 吸 光 收 子 的 数 光 子 数
n n0 02121,0,cL 0N cllL lL cN Rll 21 n,00l21n,tL0clRl
不 同 模 式 具 有 不 同 的 , 0 和 ， 因 而 n t 值 不 同 。
3
20.1 激光器的阈值条件
从 上 式 可 以 得 出 ：
G 0G t /l
为 平 均 单 程 损 耗 因 子 。
增 加 ；
20.2 模式竞争
1 、 均 匀 加 宽 的 纵 模 竞 争
开 始 时 ， G 0 G t ， q ， q 1 ， q 1 都 能 形 成 自 激 振 荡 ；
当 G 下 降 到 曲 线 1 时 ， G q 1 G t ， 此 时 I q 1 不 再 增 加 ， 而 I q 和 I q 1 会 继 续
2
20.1 激光器的阈值条件
dd N tl n 21,0cN l L lN R ll
华中科技大学激光原理考研题库与答案
华中科技大学《激光原理》考研题库及答案1．试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000m ，ν=3000MHz 的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？答：粒子数分别为：188346341105138.21031063.6105.01063.61⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯==---λνc h q n 239342100277.51031063.61⨯=⨯⨯⨯==-νh q n2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。
(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？答：（1）(//m n E E m mkTn nn g en g --=）则有：1]3001038.11031063.6exp[2393412≈⨯⨯⨯⨯⨯-==---kTh e n n ν（2）K T Te n n kT h 3623834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[⨯=⇒=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-==----ν3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。
设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。
求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？答：（1）1923181221121011.3]27001038.11064.1exp[4----⨯=⨯⨯⨯-⨯=⇒=⋅⋅n n e g n g n kTh ν且202110=+n n 可求出312≈n（2）功率＝W 918810084.51064.13110--⨯=⨯⨯⨯4．(1)普通光源发射λ＝0.6000m 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比q q 激自1=2000，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ⋅⨯=-νρ，λ为0.6328m ，设μ＝1，求q q 激自为若干？答：（1）3173436333/10857.31063.68)106.0(2000188m s J h h c q q ⋅⨯=⇒⨯⨯⨯=⇒=---ννννρρπρπλρνπ＝自激（2）943436333106.71051063.68)106328.0(88⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激5．在红宝石Q 调制激光器中，有可能将全部Cr 3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。
激光器知识讲解
激光器基本知识激光的意思是光受激发射，激光器的意思就易理解了吧！类似于放大镜聚焦火柴，不过激光能量大，可连续和脉冲，分类激光器的种类就越来越多。
按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。
其中每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器。
按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器。
大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦。
如前所述的He-Ne激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。
红宝石激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。
自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。
按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。
大功率激光器通常都是脉冲式输出。
各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。
激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。
激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。
工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。
激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。
而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。
激光器工作原理激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。
从CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。
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4 of 26
1 光纤激光器
输出波长范围宽
在光纤材料中掺杂铒，铥，镨，镱 等不同的稀土元素即使得光纤激光 器有多种不同的输出波长。
5 of 26
1 光纤激光器
具有大的表面积/体积比，只需简单的风冷 体积小，重量轻、效率高
6 of 26
1 光纤激光器
可靠性高，无需维护
7 of 26
1 光纤激光器 ♞ 光纤激光器的基本结构
激活离子密度大，增益系数高
能够产生超短脉冲激光 材料丰富、价格低廉
光束发散角小
谱线带宽窄
某两种染料混合可以输出新的波长
染料溶液的搬运和存贮 都比较困难
大多数有机染料是易燃、易爆、 有毒或致癌
25 of 26
2 其他激光器
液体染料料激光器的分类： 连续，脉冲 液体染料激光器的应用：
医学领域：在皮肤和血管科方面具有潜在的应用 激光探测领域：波长的可调谐性，增加探测的能力。
目前, 高功率光纤激光器的谐振腔主要有三种： 1、采用双色镜构成谐振腔。 这种方法给泵浦 光的耦合以及光纤激光器的封装都带来很大困 难，不利于光纤激光器的实用化和商品化。 2、在光纤端面直接镀膜。这种方式简化了结构。 3、采用光纤光栅做谐振腔。这样不仅使光纤激 光器的结构简单、紧凑, 有利于实用化。
工业用激光器
华中科技大学·激光技术系
2020年7月
主要内容
光纤激光器 其他激光器
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1 光纤激光器
光纤激光器是一种新型的激光光源，在同样的输出光功率下， 光纤激光器 在光束质量、可靠性和体积大小等方面都具有极大优势。目前， 高功率光 纤激光器的研制开发和实用化技术已成为激光技术领域的一个热点。
耦合的方式可以分为端面耦合和侧面耦合。
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
端面耦合
光学谐振腔技术
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
侧面耦合
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
侧面耦合是通过特殊的技术和工艺，将泵浦光从 双包层光纤的侧面耦合到光纤的内包层。采用这 种方式可以在一根双包层光纤的多个位置上进行 并行的耦合。
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
为了能够得到更高的转换效率，应当使在内包层传输的泵浦光尽 可能多次经过掺杂的纤芯而被充分地吸收。
泵浦光的吸收效率与内包层的几何形状以及纤芯在包层中的位置 有关。典型的内包层结构有方形、矩形、圆形、D形、梅花形和偏心 结构等。
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光纤激光器是在光纤放大器的基础上发展起来的。在掺杂稀土元素 的光纤放大器的基础上，加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器。 在光纤激光器中非常细的掺杂稀土元素的光纤纤芯就充当了光纤激光器 的增益介质，由于外加泵浦光的作用,在光纤内便很容易形成高功率密度， 从而引起激光工作物质的粒子数反转，从纤芯输出激光。
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THANKS FOR YOUR ATTENTION
武汉·中国光谷激光行业协会
Wuhan Laser Association of Optics Valley of China
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2 其他激光器
准分子激光器的谐振腔
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2 其他激光器
准分子激光器的应用领域
微电子行业 光化学、同位素分离等
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生物医学
2 其他激光器
液体激光器
染料激光器是以某种有机染料溶解于一定溶剂(甲醇、乙醇、水等)中作 为激活介质的激光器。
优点
染料激光器
缺点
波长在很宽的光谱范围内可调
1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
高功率光纤激光器的另一项关键技术就是将泵浦源输出的光 功率有效地耦合到增益光纤中去。要获得几百瓦甚至几千瓦的光 纤激光, 就需要更高输出功率的泵浦源(一般为半导体激光器列 阵) , 将半导体激光器列阵输出的几百瓦的激光耦合进入一根双包 层增益光纤是一件很困难的事情。因此, 寻找泵浦光进入增益光 纤的耦合新技术是一项重要工作。
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1 光纤激光器
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激光器实 用化的又一项关键技术。
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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2 其他激光器
♛ 准分子激光器
是获得高能脉冲紫外激光的重要光源！
“准分子”是指在激发态能够暂时结合成不稳定的分子，而在基 态又迅速分解成原子的缔合物！
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1 光纤激光器
IPG光纤激光器的结构
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1 光纤激光器
IPG光纤激光器的光束质量
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1 光纤激光器
♞ 高功率光纤激光器的关键技术
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
包层泵浦的技术基础是掺稀土元素的双包层光纤。此光 纤中较细纤芯由稀土元素掺杂，为了能够得到更高的转 换效率，应当使在内包层传输的泵浦光尽可能多次经过 掺杂的纤芯而被充分地吸收。 泵浦光的吸收效率与内包层的几何形状以及纤芯在包层 中的位置有关。典型的内包层结构有方形、矩形、圆形、 D形、梅花形和偏心结构等 。
♞ 光纤激光器的优点
输出光束质量极佳 输出波长范围宽 系统具有一定柔性 具有大的表面积/体积比， 只需简单的风冷 体积小，重量轻、效率高 可靠性高，无需维护
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1 光纤激光器
输出光束质量极佳
由于光纤本身为波导介质，在光纤制造时使其为单模，就可以 很好地保证输出激光的光束质量
极佳的光束质量使得光纤激光器在打标、材料加工、打孔、切 割、医学等应用中有很好的前景
1 光纤激光器
输出波长范围宽
在光纤材料中掺杂铒，铥，镨，镱 等不同的稀土元素即使得光纤激光 器有多种不同的输出波长。
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1 光纤激光器
具有大的表面积/体积比，只需简单的风冷 体积小，重量轻、效率高
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1 光纤激光器
可靠性高，无需维护
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1 光纤激光器 ♞ 光纤激光器的基本结构
激活离子密度大，增益系数高
能够产生超短脉冲激光 材料丰富、价格低廉
光束发散角小
谱线带宽窄
某两种染料混合可以输出新的波长
染料溶液的搬运和存贮 都比较困难
大多数有机染料是易燃、易爆、 有毒或致癌
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2 其他激光器
液体染料料激光器的分类： 连续，脉冲 液体染料激光器的应用：
医学领域：在皮肤和血管科方面具有潜在的应用 激光探测领域：波长的可调谐性，增加探测的能力。
目前, 高功率光纤激光器的谐振腔主要有三种： 1、采用双色镜构成谐振腔。 这种方法给泵浦 光的耦合以及光纤激光器的封装都带来很大困 难，不利于光纤激光器的实用化和商品化。 2、在光纤端面直接镀膜。这种方式简化了结构。 3、采用光纤光栅做谐振腔。这样不仅使光纤激 光器的结构简单、紧凑, 有利于实用化。
工业用激光器
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2020年7月
主要内容
光纤激光器 其他激光器
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1 光纤激光器
光纤激光器是一种新型的激光光源，在同样的输出光功率下， 光纤激光器 在光束质量、可靠性和体积大小等方面都具有极大优势。目前， 高功率光 纤激光器的研制开发和实用化技术已成为激光技术领域的一个热点。
耦合的方式可以分为端面耦合和侧面耦合。
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
端面耦合
光学谐振腔技术
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
侧面耦合
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
侧面耦合是通过特殊的技术和工艺，将泵浦光从 双包层光纤的侧面耦合到光纤的内包层。采用这 种方式可以在一根双包层光纤的多个位置上进行 并行的耦合。
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
为了能够得到更高的转换效率，应当使在内包层传输的泵浦光尽 可能多次经过掺杂的纤芯而被充分地吸收。
泵浦光的吸收效率与内包层的几何形状以及纤芯在包层中的位置 有关。典型的内包层结构有方形、矩形、圆形、D形、梅花形和偏心 结构等。
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光纤激光器是在光纤放大器的基础上发展起来的。在掺杂稀土元素 的光纤放大器的基础上，加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器。 在光纤激光器中非常细的掺杂稀土元素的光纤纤芯就充当了光纤激光器 的增益介质，由于外加泵浦光的作用,在光纤内便很容易形成高功率密度， 从而引起激光工作物质的粒子数反转，从纤芯输出激光。
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武汉·中国光谷激光行业协会
Wuhan Laser Association of Optics Valley of China
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2 其他激光器
准分子激光器的谐振腔
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2 其他激光器
准分子激光器的应用领域
微电子行业 光化学、同位素分离等
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生物医学
2 其他激光器
液体激光器
染料激光器是以某种有机染料溶解于一定溶剂(甲醇、乙醇、水等)中作 为激活介质的激光器。
优点
染料激光器
缺点
波长在很宽的光谱范围内可调
1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
高功率光纤激光器的另一项关键技术就是将泵浦源输出的光 功率有效地耦合到增益光纤中去。要获得几百瓦甚至几千瓦的光 纤激光, 就需要更高输出功率的泵浦源(一般为半导体激光器列 阵) , 将半导体激光器列阵输出的几百瓦的激光耦合进入一根双包 层增益光纤是一件很困难的事情。因此, 寻找泵浦光进入增益光 纤的耦合新技术是一项重要工作。
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1 光纤激光器
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激光器实 用化的又一项关键技术。
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1 光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
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♛ 准分子激光器
是获得高能脉冲紫外激光的重要光源！
“准分子”是指在激发态能够暂时结合成不稳定的分子，而在基 态又迅速分解成原子的缔合物！
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1 光纤激光器
IPG光纤激光器的结构
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IPG光纤激光器的光束质量
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♞ 高功率光纤激光器的关键技术
包层泵浦技术
光纤耦合技术
光学谐振腔技术
包层泵浦的技术基础是掺稀土元素的双包层光纤。此光 纤中较细纤芯由稀土元素掺杂，为了能够得到更高的转 换效率，应当使在内包层传输的泵浦光尽可能多次经过 掺杂的纤芯而被充分地吸收。 泵浦光的吸收效率与内包层的几何形状以及纤芯在包层 中的位置有关。典型的内包层结构有方形、矩形、圆形、 D形、梅花形和偏心结构等 。
♞ 光纤激光器的优点
输出光束质量极佳 输出波长范围宽 系统具有一定柔性 具有大的表面积/体积比， 只需简单的风冷 体积小，重量轻、效率高 可靠性高，无需维护
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1 光纤激光器
输出光束质量极佳
由于光纤本身为波导介质，在光纤制造时使其为单模，就可以 很好地保证输出激光的光束质量
极佳的光束质量使得光纤激光器在打标、材料加工、打孔、切 割、医学等应用中有很好的前景