固体激光器原理及应用

固体激光器原理及应用

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。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五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激光与激光器

1.1激光

1.1.1激光（LASER）

激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

1.1.2产生激光的条件

产生激光有三个必要的条件：

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。

1.1.3激光的特点

与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。

1.2激光器

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至χ射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。

2固体激光器

2.1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。

图1 固体激光器的基本结构

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。

常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件（尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源），二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。

LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦（如下图2 a）；纵向:垂直入射的侧面泵浦（如图2 b）。

图2 LD泵浦方式结构示意

LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。

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所示为椭圆柱聚光腔，是目前小型固体激光器最常采用的。

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。

2.2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。

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。

3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聚变等方面。激光自其诞生之日来，已对人类生活产生了巨大影响。其应用已渗入到人类生活的每个方面。比如监测, 检测,制造业,医学,航天等等。由于激光应用的广泛性，这里我只能从广面上稍微介绍下其应用。

3.1 激光技术在监测方面的一些应用

3.1.1三维激光扫描技术在地形测绘的应用

三维激光扫描仪用于边坡三维形状的获取、加固方案设计、边坡灾害对策及安全检测等，都具有独到得方边便性及先进性。测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据直接可以进行处理以得到基础信息和分析结果。在地形测绘中，三维激光扫描仪及后处理软件，只经过简单的几个步骤就可以轻松获取高比例尺的地形图。

3.1.2激光雷达技术在大气环境监测中的应用

用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术,使用这种技术的激光雷达被称为米散射激光雷达。激光雷达是一种重要的大气环境探测手段,由于其具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干扰能力强等优点,因此,利用激光雷达对大气进行监测,收集、分析数据,建立大气环境预测理论模型,将为研究气候变化和寻求治理环境的新途径提供科学的依据。

3.2激光技术检测方面的应用