3第三章 固体激光器

基质材料
晶体

氧化物晶体 氟化物晶体
各自又分为 单一和混合 两类
激活粒子可分为四类（1）三价稀土金属离子（2）二价稀 土金属离子（3）过渡金属离子（4）锕系金属离子 固体工作物质达数百种，已获得数千条激光光谱线 掺杂离子浓度1025~1026m-3,比气体工作物质高3~4个数量 级，且固体工作物质激光上能级寿命也比较长，易于获得大 能量输出，适合调Q
钕玻璃的能级结构和跃迁光谱
E4:含三个吸收带(抽运能带)
*(吸收特定波长的光而跃迁到 这三个吸收带)
2
G5 / 2 F9 / 2 F7 / 2
(中心波长5900A)
(............... 7500A) (............... 8000A)
2 4
上能级 4 F3 / 2 E2: 含二条激光谱线的二个激 光下能级(四能级系统), 即 4 4 I13 / 2 ( 4 F I 1 3 / 2 ,对应1.4μm 3/2 谱线)
③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一 般不 出现.
第二节 固体激光器的泵浦系统
一、光泵浦
固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般采用光泵浦激励 最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯(灯内充入氙山、氪等惰性气体)、 金属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯 等)、半导体激光器、日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯 的辐射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝石钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中 应用最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与Nd:YAG泵浦 吸收带相匹配,故在连续和小能量脉冲Nd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨 灯用220V电压即可,使用简单、方便,在功率小于1OW的连续Nd:YAG器件中可以 应用。砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹 配,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。
五、聚光器(或称泵浦腔)
其作用是将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去聚光器设计 得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。
1、.聚光器的类型 ①椭圆柱聚光器
这种聚光器的内反射表面的横截面是一椭圆。因为从椭圆一个焦点发出的所 有光线,经椭圆面反射后将会聚到另一焦点上。因此,如果把直管灯和棒分别置于 椭圆柱聚光器的两条焦线上(如图a所示),则可以得到比较好的聚光效果。这种放 置方法称为“焦上放置”也可将泵灯和激光棒平行地安置在焦线和腔壁之间,这 种放置称为“焦外放置”。(如图b所示),椭圆长辅上焦点外任意点发出的光,经 椭圆反射后必交于另一端焦点外的长袖上,因此,焦外放置的棒可以截获焦外放置 的泵灯所辐射的大部分能量。焦外放置不如焦上放置成象质量好,但采用焦外放 置,结构设计上可以做得比较紧凑。
第三章 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。 常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、 掺钕钇铝石榴石(Nd3＋:YAG)等三种 。 固体激光器的特点：输出能量大(可达数万焦 耳)，峰值功率高(连续功率可达数千瓦，脉冲峰值 功率可达千兆瓦、几十太瓦)，结构紧凑，牢固耐用。 广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面， 例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、 制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大 容量通信等。
红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr 的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3后失去外层 三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电子 组态为3d3。红宝石的光谱特性就是Cr3+的3d壳层 上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子完全 暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。Cr3+在 很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变化,呈 现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通 过实验和理论分析,已确定红宝石中Cr3+的工作能 级属三能级系统。如图5-3所示。4A2是基态又是 激光下能级,其简并度g1=4,2E是亚稳态,它是由能 量差为29cm的2A和E二能级组成,其简并度都为2。 4F 和4F 是两个吸收能带。 1 2
在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦 系统包括泵灯和聚光器。 二、泵浦光源应当满足两个基本条件
1、有很高的发光效率 2、辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.
三、惰性气体放电灯的结构
一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。 见图 (a)。电极是用高熔点、高电子发射率, 又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材 料有钨，钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电 极要设计成水冷结构,见图(b),灯管用机械 强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制 成。灯管内充入氙(Xe)、氪(kr)气体。
红宝石中铬离子的能级结构
轴
铝或铬
氧
Cr3+:Al2O3 六方晶系，负单轴晶体, 提拉法生长 , 粉红色 可以获得大尺寸晶体
红宝石的吸收光谱如下图所示。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近, 称为紫带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55μm附近,称为绿带或Y带。这 是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约0.1um左右。由于红宝石晶体的各向异性,它的 吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情 况下,其吸收曲线略有差别,见下图。
4
E3:三条激光谱线公共的激光
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;
二、红宝石晶体
红宝石晶体 红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质 是刚玉晶体(化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶 体。 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入 Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr3+密度ntot=1.58x1019cm-3。
第三节ld泵浦固体激光器dpl一优势1光谱窄与工作物质吸收带匹配可提高效率减轻热效应2结构紧凑3寿命长连续104模块化泵浦波长630680nmalgainp770990nmgaalas9001000nmingaas效率提高10寿命增长100体积减小10可靠性大100二泵浦方式a端面泵浦三泵浦方式b侧面泵浦四泵浦方式c基于内反射的泵浦diodepumpedsolidstatedpss第四节可调谐全固态激光可调谐全固态激光一可调谐激光发展方向一可调谐激光发展方向超宽调谐超高功率超短脉冲2全固化小体积长寿命高效率高可靠3固体可调谐激光源具代表性二原理和技术1宽光谱带激光效应色心晶体终端声子激光晶体2非线性变频效应非线性光学晶体准相位匹配芯片可调谐激光器短波调谐短波调谐长波调谐振荡放大倍频基础和关键技术基础
第一节 概述
一、固体激光器的基本结构与工作物质
1、固体激光器结构： 由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光 系统构成的。下图是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示意图
2、固体工作物质
固体工作物质
掺杂离子
基质材料 玻璃
物理、化学性能
光谱特性 硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃
四、钕玻璃
继1960年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃 激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。 最佳掺入Nd2O3量为1%~5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为 3×1020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的 形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1~2m,直径 30~100mm,可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几 微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。 钕玻璃最大的缺点是导热 率太低,热胀系数太大,因此不 适于作连续器件和高频运转的 器件,且在应用时要特别注意 防止自身破坏。
红宝石中铬离子的能级结构
三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。 Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度 为1.38×1020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在 单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。 掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图所示
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。
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。
图a椭圆柱聚光腔
图b椭圆腔的焦外几何光路
聚光器的类型
聚光器的类型
设椭圆的长半轴为a,短半轴为b,焦距为2c,偏心率为e=c/a.理 论和实验分析发现,在灯内径和激光工作物质确定后,e越小,聚光器 的聚光效率越高,因为e小,泵灯截面经椭圆面反射后成象弥散小,光 能被工作物质截获得多。但e太小,意味着a大或c小.a大则聚光器尺 寸大。c小则二焦点靠得近,采用"焦点"放置时则灯和工作物质靠得 近,直照强,容易造成工作物质光照不均匀,影响激光光斑质量.因此, 一般取e=0.4为宜。 为了尽可能利用沿轴向发射的泵灯光能,在椭圆柱的两端应有 反射端面。但当聚光器横向尺寸较小,而轴向尺寸比棒、灯长得多 时,两端也可以不加反射面,因为此时可利用的轴向光能很少。 ②圆柱聚光器 这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔,激光棒和泵灯置于 轴线两侧.由于圆相当于焦点重合的椭圆,因此圆柱聚光器内棒、灯 的放置相当于椭圆柱聚光器的"焦外放置"。 圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光器强,而且在 同样棒、灯直径情况下,圆柱聚光器横截面积大,体积也大。但它 具有结构简单、加工方便等优点。
四、惰性气体放电灯的辐射特性
氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时,辐射的特征 谱线的峰值波伏在0.84、0.9和1um附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的特征 谱线的峰值波长在0.76、0.82和0.9um附近。可见,氪灯的特征谱线与Nd:YAG的主 要泵浦吸收带相匹配,因此连续和小能量(<10J)脉冲Nd:YAG激光器用氪灯泵浦效 率较高。实验发现：充气压增高,特征谱线的线宽也增加。随着放电流密度的增 大,连续谱增加的份量比线谱多,当电流密度增加到一定值后,连续谱逐渐掩盖了 线光谱,与黑体辐射相接近,且短波部分的增长比长波快,光谱重心移向短波。因 此,在高电流密度放电情况下,有利于红宝石的吸收。大中型钕玻璃和Nd:YAG脉冲 激光器,由于泵灯的放电电流密度高,灯辐射的特征谱线相对减弱,此时应采用辐 射能量大、效率较高的脉冲氙灯。
Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱 Nd3＋:YAG 的能级结构
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图所示。它属于四能级系统。1.06um 比1.35um的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振,进而抑制1.35um谱线起振,所以 Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um激光。只有采取选频措施，才能实现1.35um波长 的激光振荡。