3 固体激光器的光泵浦系统
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。
固体激光器的泵浦方式
固体激光器的泵浦方式
固体激光器的泵浦方式主要有端面泵浦及侧面泵浦。
端面泵的最大优点是容易获得良好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。
端面泵的效率更高。
这是因为在泵激光模式不太差的情况下，泵光可以从聚光学系统耦合到工作物质，耦合损失较小；另一方面，泵光也有一定的模式，振荡光模式与泵光模式密切相关，匹配效果好，因此泵光的利用率相对较高。
正是由于端面泵的高效率。
良好的模式匹配。
波长匹配的优点在国际上发展非常迅速，已成为激光学科的关键发展方向之一。
广泛应用于激光标记、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研领域，具有巨大的市场潜力。
泵浦激光器工作原理
泵浦激光器工作原理
泵浦激光器是一种基于激光放大原理的装置。
它通过将能量输入到激光介质中，使原本处于基态的粒子被激发到激发态，然后通过受激辐射过程使激发态粒子发射出具有相同频率、相干相位和方向的光子，从而产生激光输出。
泵浦激光器的工作原理可以简单描述为以下步骤：
1. 泵浦源提供能量：泵浦激光器通常使用强光源作为泵浦源，例如激光二极管或弧光灯。
这些能量源向激光介质中输入高能量光子。
2. 激发介质吸收能量：激光介质通常是一种具有激发态和基态能级的材料，例如固体晶体或液体。
泵浦光子被激光介质吸收，使介质中的原子或分子从基态跃迁到激发态。
3. 受激辐射过程：在激发态中的原子或分子在受到外界光子刺激时，可以通过受激辐射的过程向基态跃迁。
当受激辐射发生时，激发态的粒子会发射出与外界光子相同频率和相位的光子。
4. 光子的倍增和放大：受激辐射释放出的光子与泵浦光子相互作用，产生光子的倍增和放大效应。
这个过程通过在激光介质中设置适当的反射镜和光学器件来实现，使光子在激光介质中来回反射，从而增加光子数目和能量。
5.激光输出：经过倍增和放大后的光子从激光器中输出，形成
一束高强度、高相干性的激光束。
这束激光可以用于各种应用，
如切割、打标和通信等。
泵浦激光器的工作原理是通过泵浦源提供能量、激发介质吸收能量、受激辐射过程、光子的倍增和放大以及激光输出等步骤实现的。
这种原理使得泵浦激光器能够产生高能、高相干性的激光输出，广泛应用于科研、工业和医疗等领域。
固态激光器的工作原理
固态激光器的工作原理激光器作为一种重要的光学器件，在现代科技和工业应用中起到了至关重要的作用。
固态激光器作为其中的一种类型，在多个领域中展现出了广泛的应用前景。
本文将详细介绍固态激光器的工作原理，以及其在科学研究、医疗、通信等方面的应用。
一、固态激光器的基本构成和工作原理固态激光器由一个激光介质和一个泵浦源组成。
激光介质是固体材料，常见的材料包括Nd:YAG（氧化铝掺杂钕）、Nd:YVO4（钇钒酸钕）等。
泵浦源通常采用光源或者其他激光器来提供能量，使激光介质中的掺杂离子处于激发态。
1. 光子吸收与激发当泵浦光进入激光介质时，它与激光介质中的掺杂离子相互作用。
这种相互作用导致掺杂离子从基态跃迁到激发态，吸收入射光子的能量。
这种能量吸收过程是固态激光器工作的起点。
2. 辐射与受激辐射当掺杂离子处于激发态时，它会逐渐失去能量。
在这个过程中，掺杂离子通过辐射的形式传递能量，并以光子的形式释放出来。
这些光子的能量是特定波长和频率的激光光子，具有相同的相位和方向，符合激光的特性。
3. 扩散与增益当释放的激光光子经过多次的反射和扩散后，在固态激光器的谐振腔内产生共振放大。
在这个过程中，激光光子不断增加，并形成强大的激光束。
这种过程是通过谐振腔中的镜面反射实现的，其中一个镜子是部分透明的，用于输出激光。
二、固态激光器的应用固态激光器具有紧凑、高效、可靠等特点，因此在科学研究、医疗、通信等领域有广泛的应用。
1. 科学研究固态激光器在科学研究中扮演着重要角色。
其激光束的窄带宽和高功率使得它成为细分光谱研究、原子物理、分子光谱学等领域的理想工具。
此外，固态激光器还广泛应用于量子光学研究、量子计算和量子通信等领域。
2. 医疗器械固态激光器在医疗领域有着广泛的应用。
激光切割、激光刻蚀、激光焊接等技术在现代医疗器械的制造过程中发挥着重要作用。
此外，激光手术、激光疗法等应用也在眼科手术、皮肤整形和癌症治疗等方面展现出了巨大的潜力。
固体激光器基本原理以及应用
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单击输入目录标题 固体激光器的基本原理 固体激光器的应用 固体激光器的发展趋势
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固体激光器的基本原理
固体激光器的组成
泵浦源：提供能量使激光介质产生 激光如氙灯、半导体激光器等
冷却系统：保持激光介质的温度稳 定提高激光器的性能和寿命如水冷、
风冷等
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技术进步：提高输出功率、降低能 耗、提高稳定性
研究热点：新型材料、新型结构、 新型工艺等
固体激光器的应用拓展势
医疗领域： 用于眼科、 皮肤科等 疾病的治 疗
工业领域： 用于切割、 焊接、打 标等加工 工艺
科研领域： 用于光谱 分析、激 光雷达等 科学研究
军事领域： 用于激光 武器、激 光通信等 军事应用
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激光介质：产生激光的物质如YG晶 体、Nd:YG晶体等
光学谐振腔：使激光在腔内反复反 射形成稳定的激光输出如反射镜、
全反射镜等
电源和控制系统：提供激光器的工 作电压和电流控制激光器的工作状
态如电源、控制器等
固体激光器的工作原理
激光产生：通过激发态粒子的受激辐 射产生激光
激光治疗：用于 皮肤病、肿瘤、 血管疾病等治疗
激光诊断：用于 皮肤病、肿瘤、 血管疾病等诊断
激光美容：用于 皮肤美容、整形 等美容项目
军事领域的应用
激光制导武器：利用激光精确 制导提高打击精度
激光通信：实现远距离、高速、 保密通信
激光雷达：用于探测、跟踪、 识别目标
激光武器：用于摧毁敌方武器 装备、设施等
增益介质：使用固体材料作为增益介 质如稀土离子掺杂的晶体
固体激光器
固体激光器在固体激光器中，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。
如图所示,固体激光器的基本结构：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。
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。
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。
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。
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。
3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。
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。
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。
固体激光器产生激光的原理
固体激光器产生激光的原理固体激光器（solid-state laser）是一种利用固态材料产生激光的设备。
它由激光介质、能量输运和放大系统、泵浦源和谐振器等组成。
固体激光器的工作原理主要包括泵浦机制、能级结构和受激辐射三个方面。
首先，固体激光器的泵浦机制是激发激光介质中的粒子从基态跃迁到激发态，产生激光所需的能量。
泵浦源通常采用电弧、氙灯、二极管激光器等，通过光的辐射、电子碰撞、能量传递等方式，将能量传递给激光介质。
其次，固体激光器的激光介质是关键部分，它能够将泵浦源提供的能量转化为激光辐射。
常见的固体激光介质包括人工合成的晶体（如掺钕(YAG)晶体、掺铥(YAG)晶体等）和玻璃材料（如掺铬铝酸盐玻璃、掺钕玻璃等）。
这些材料中掺入的杂质离子能够在吸收泵浦光能后，通过吸收光子能量升级到激发态。
其次，固体激光器的能级结构是激光产生的关键。
在激光介质中，存在一个能级结构，其中包含至少两个能级，即基态和激发态。
当泵浦光能量被吸收后，激光介质中的离子会跃迁到激发态能级。
在激发态能级中，离子存在弛豫过程，通过非辐射跃迁和辐射跃迁来释放能量。
其中的辐射跃迁就是固体激光器产生激光的关键步骤。
最后，受激辐射是固体激光器产生激光的关键步骤。
在激发态能级中，存在大量的激发态离子，它们会通过自发辐射跃迁回到基态能级，释放出能量。
同时，激发态离子还可以通过受激辐射的过程，被已经辐射的光子逼迫跃迁回到基态。
在这个过程中，新产生的光子与已有的光子具备相同的频率和相位，这种过程称为受激辐射。
受激辐射的光子与已有的光子一起振荡，形成光的相长干涉，从而增加光的强度和能量，形成激光束。
以上是固体激光器产生激光的基本原理。
固体激光器的波长取决于激光介质中杂质离子的能级结构和跃迁方式。
在实际应用中，固体激光器被广泛应用于医疗、激光切割、激光雷达、激光测距等领域，具有较高的光束质量、较高的功率和较好的可调谐性。
不同的固体激光介质和泵浦源的选择，可以实现不同波长的激光输出，满足不同领域的需求。
大功率固体激光器的原理及应用
大功率固体激光器的原理及应用大功率固体激光器的原理基于激光的原理。
激光的产生需要两个条件：能级反转和受激辐射。
固体激光器中的固体材料通常是一些晶体或陶瓷形式，其中掺杂了一定的活性离子（如Nd3+、Yb3+等）。
这些活性离子通过光泵浦过程被激发到较高的能级，而后通过过程传递能量至基态能级，最终通过受激辐射产生激光。
具体而言，大功率固体激光器的主要原理如下：1.光泵浦：通过外部光源（如二极管激光器、闪光灯等）对固体材料进行光学激发，将活性离子从低能级激发到高能级，形成能级反转。
2.刺激辐射：由于能级反转，活性离子从高能级经过自发辐射或受到外界的辐射而返回到低能级。
在特定的波长和能级结构条件下，活性离子的辐射将受到受激辐射的促进，使得更多的光子被放大，并由此产生激光。
1.材料加工：由于其高能量、高亮度和可调谐的特点，大功率固体激光器广泛用于材料加工领域。
特别是在切割、焊接、打孔等高精度、高速度和高稳定性的加工过程中，固体激光器通常能够提供卓越的性能。
2.激光器打标：大功率固体激光器被广泛应用于激光打标领域。
通过调整激光的功率、频率和模式，可以实现对各类物品进行标记、雕刻和刻印。
这种非接触式的打标方式可以适用于各种材料，包括金属、塑料、陶瓷等。
3.军事应用：大功率固体激光器在军事领域也有重要应用。
例如，将固体激光器用于激光导引器、激光制导器、激光通信等系统。
其高功率和高能量密度可以实现远程目标识别、精确制导和激光防御等任务。
4.医疗领域：大功率固体激光器在医疗领域有广泛的应用。
例如，用于激光手术、激光激发和激光诊断等领域。
固体激光器可以提供高能量、高强度的激光束，以进行手术切割、封闭血管、清除肿瘤等。
综上所述，大功率固体激光器作为一种重要的光学器件，在多个领域都有广泛的应用。
通过光泵浦和受激辐射的原理，固体激光器能够产生高能量、高亮度和可调谐的激光。
未来随着科技的发展，固体激光器将继续发挥重要作用，并在更多领域创造更多的应用价值。
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 组成及 工作原理
固体激光器组成及工作原理固体激光器是一种利用固体材料来产生激光的装置，它由多种组成部分和复杂的工作原理构成。
在固体激光器的组成中，最核心的部分是工作物质、泵浦源、共振腔和输出镜。
而其工作原理主要包括受激辐射和光放大的过程。
在本文中，将详细介绍固体激光器的组成及工作原理。
固体激光器的核心部分是工作物质。
固体激光器的工作物质通常采用固体晶体或者玻璃材料，如氧化物晶体、掺杂晶体、玻璃体等。
这些材料受到光或电的激发后，能够发射激光。
固体激光器的性能和特性很大程度上取决于选用的工作物质，因此工作物质的选择至关重要。
固体激光器还需要泵浦源来提供能量。
泵浦源通常采用闪光灯、半导体激光二极管等，通过光或电的形式向工作物质提供激发能量，使其处于激发态。
泵浦源提供的激发能量将激发工作物质内的原子或分子跃迁至激发态，为固体激光器的激射提供能量。
固体激光器的第三个重要组成部分是共振腔。
共振腔由两个反射镜构成，其中一个是部分透明的输出镜，另一个是完全反射的输入镜。
这一腔体结构能够形成光波的多次反射，从而增强光的密集程度，促进激光产生。
输出镜是固体激光器输出激光的关键组成部分。
它具有一定的透过率，使得一部分激光能够逃逸出腔体形成输出激光。
固体激光器的工作原理主要包括受激辐射和光放大两个过程。
受激辐射是指利用泵浦源提供的能量，使得工作物质中的原子或分子跃迁至激发态。
而光放大是指激发态的原子或分子受到外界光的刺激后，向激光波长辐射能量，使得激光得以产生和放大。
固体激光器作为一种重要的激光器件，具有复杂的组成结构和工作原理。
通过对固体激光器的组成及工作原理的深入了解，可以更好地设计和应用激光器，从而推动激光技术在多个领域的应用和发展。
固体激光器
图7.1.3 椭圆柱聚光腔
一、固体激光器的基本结构及工作物质
2 Nd3＋:YAG激光器 工作物质将一定比例的 A12O3 、 Y2O3 ，和 Nd2O3 在 单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。
激活粒子是钕离子(Nd3＋)， YAG 中 Nd3 ＋ 与激光产生有 关的能级结构如图7.1.3所示。 它属于四能级系统。
一、固体激光器的基本结构及工作物质
1 红宝石激光器 工作物质为 Al2O3＋ Cr2O3，Cr3＋决定光谱性能，红 宝石激光器为三能级系统，从红宝石中铬离子的能级 结构图（7.1.2）
图7.1.2 红宝石中铬离子的能级结构图
优缺点：阈值高、温度效应非常严重、室温下不适 于连续和高重复率工作。
二、固体激光器的泵浦系统
图7.1.6 板条形固体激光器结构示意图
三、固体激光器的输出特性
2
转 换 效 率
定义：激光输出与泵浦灯的电输入之比 连续激光器(用功率描述)表示为：
t
Pout Pth 21 1 Lcab1cou Pin P in p
脉冲激光器(用能量描述)表示为：
t
Eout Eth 21 1 Lc ab1cou Ein Ein p
三、固体激光器的输出特性
1 固体激光器的激光脉冲特性 一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一
连串不规则振荡短脉冲(或称尖峰)组成的。
各个短脉冲的持续时间约为(0.11)s； 各短脉冲之间的间隔约为(510) s ； 特点：泵浦光越强，短脉冲数目越多，其包络 峰值并不增加。
固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激
励。泵浦光源应当满足两个基本条件。 由泵浦灯在空间辐射的全方位性，常将工作物质加
固体激光器产生激光的原理
固体激光器产生激光的原理固体激光器是一种利用固体材料来产生激光的装置。
其工作原理基于激活有机或无机材料中的激光介质，使其产生受激辐射并放大光子的过程。
固体激光器相对于其他激光器，具有高功率、高能量密度和较小的泵浦功率等优点，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
固体激光器的基本构成包括激光介质、泵浦源、反射镜和光输出装置等组件。
下面将详细介绍固体激光器的工作原理，分为泵浦源产生辐射、激发和放大激光介质、光在谐振腔中的反射以及光输出四个步骤。
首先，泵浦源产生辐射。
通常使用弧光灯、氙灯、二极管或其他激光器作为泵浦源。
泵浦源发出的光通过透镜或反射镜聚焦在激光介质上，以提供足够的能量激发激光介质。
泵浦源的能量量足够大时，可以保证激发出足够多的激发态粒子，从而增强光放大的效果。
其次，激发和放大激光介质。
固体激光器的激光介质通常选择某种具有受激辐射特性的材料。
常见的有机激光材料包括染料分子，而无机激光材料有掺铬的蓝宝石和掺镱的铒玻璃等。
泵浦源辐射进入激光介质后，激励介质中的颗粒（如染料分子、离子）跃迁到高能量的激发态。
这些激发态粒子会通过受激辐射发射出光子，并在光的作用下回到基态，形成激光。
再次，光在谐振腔中的反射。
谐振腔是固体激光器中保持激发和放大激光的光学装置。
光在谐振腔内来回反射，同时被增强和放大。
谐振腔由两个反射镜构成，一个是部分透射和部分反射的输出镜，另一个是高反射镜。
高反射镜反射率高达99.9%以上，部分透射和反射的输出镜的反射率较低，允许一部分激光通过输出。
最后，光输出。
光经过输出镜部分反射和透射，最终从输出口输出激光。
输出激光具有一定的功率、波长、激光束质量和光输出方向等特性。
通常采用光栅、半波板和偏振器等调节器件，调整激光的特性。
综上所述，固体激光器的工作原理主要包括泵浦源产生辐射、激发和放大激光介质、光在谐振腔中的反射以及光输出等步骤。
通过泵浦源激发激光介质中的激发态粒子，并在谐振腔内储存和放大光，最终输出激光。
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。
固态激光器工作原理
固态激光器工作原理激光是一种高能量、高度聚焦的光束，具有很多应用领域，如材料加工、医学、通信等。
而固态激光器作为一种重要的激光器件，其工作原理值得我们深入了解。
一、固态激光器的基本结构固态激光器由多个组件组成，包括激光介质、泵浦源、反射镜和输出装置等。
其中，最为关键的是激光介质，它由具有较高能级的原子或离子组成，并通过泵浦源的能量输入来实现光子的放大过程。
二、泵浦源的作用泵浦源是固态激光器中的能量输入装置，它提供能量来激发激光介质中的原子或离子，使其处于高能级状态。
常见的泵浦源有闪光灯、激光二极管和其他激光器等。
泵浦源通过能量的输入，使得激光介质中的原子或离子在吸收能量后进入激发态。
这些处于激发态的粒子具有更高的能量，但受到电子自发辐射的影响，它们将尽快退激发回基态。
三、激光放大过程固态激光器的激光放大过程是通过能量级别的跃迁实现的。
处于激发态的原子或离子通过自发辐射，将一部分能量以光子的形式释放出来，从而产生相干光。
这些相干光经过多次的反射和透射，通过光路系统进行放大。
反射镜在激光介质两端设置，可以实现光的来回反射，将光子导引回激光介质，从而增加其逗留时间和活动距离，使得更多的原子或离子参与到激光放大过程中。
四、输出装置的功能输出装置用于从固态激光器中提取激光光束。
它由一个或多个输出镜组成，其中一个镜是半透明的，可以让一部分光子通过，形成输出激光。
由于激光过程中会产生热量，输出镜通常与水冷系统相连，用于散热。
输出装置的设计对激光光束的特性有一定的影响，如光束的强度、聚焦度等。
五、固态激光器的工作原理总结固态激光器的工作原理可以总结为以下几个步骤：1. 泵浦源通过能量输入使得激光介质中的原子或离子进入激发态。
2. 由于自发辐射，处于激发态的原子或离子会放出一部分能量，形成相干光。
3. 光子经过多次反射和透射，在光路系统中进行放大。
4. 输出装置提取激光光束并进行散热处理。
总的来说，固态激光器的工作原理是基于能级跃迁和光子放大的基本原理。
3.3固体激光器
掺钛蓝宝石晶体的结构
图3.45掺钛蓝宝石晶体的能级分裂 掺钛蓝宝石晶体的能级分裂
自旋-轨道耦合 自由离子 立方场 三角场 自旋 轨道耦合
钛宝石晶体的能级结构 ——四能级系统 四能级系统
图3.46掺钛蓝宝石晶体吸收光谱与荧光光谱 3.46掺钛蓝宝石晶体吸收光谱o:Cr:Tm:YAG
连续可调谐的固体工作物质
掺钛蓝宝石
四种固体工作物质 性能的比较
1、掺杂离子： 、掺杂离子： 能级结构 激光参数 2、基质材料： 、基质材料： 晶体（刚玉、钇铝石榴石） 晶体（刚玉、钇铝石榴石） 玻璃
（1）红宝石晶体
物理性质： 物理性质： 激活离子： 激活离子：Cr3+ 基质材料： 刚玉） 基质材料：Al2O3（刚玉） 掺杂浓度: 掺杂浓度 按质量百分比一般为0.05% 按质量百分比一般为 按粒子数百分比为1.58×1025/m3 按粒子数百分比为 × 颜色为淡红色，各向异性晶体折射率： 颜色为淡红色，各向异性晶体折射率： 折射率： 折射率：no=1.763 ne=1.755（ λ = 700nm ） （
图3.37 金属反光膜层反射率与波长的关系曲线
(3)结构尺寸的选择 结构尺寸的选择
原则
灯泵固体激光器设计的基本原则
运转方式：连续 脉冲 运转方式：连续/脉冲 增益介质： 增益介质：类型及尺寸 闪光灯： 闪光灯：类型及参数 聚光腔： 聚光腔：形式及参数 输出功率或能量
补充： 补充：灯泵固体激光器的能量转换环节
固体基质材料+少量掺杂离子 构成：固体基质材料 少量掺杂离子 固体工作物质的物理性能 基质材料体现 固体工作物质的光谱特性 固体工作物质的光谱特性
掺杂离子体现
四类掺杂离子： 四类掺杂离子：
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7
3.1.2惰性气体灯的放电过程 连续弧光灯——灯管内惰性气体可以 工作在比较稳定的弧光放电状态
脉冲灯——灯管内气体工作在一个随 时间急剧变化的放电过程中，发光犹 如闪电，又称闪光灯。 脉冲灯的伏安特性曲线
8
脉冲灯的伏安特性曲线
9
脉冲灯的伏安特性曲线
触发段
负阻段
类稳放电段 消电离段
10
闪光灯的等效电阻
最大 工作电压 峰值 电流 1400 900~3150 A V
最小触发 电压 18KV,1.2u s
试计算，当闪光时间tp＝1.6ms，输入能量Ein＝1KJ时，灯寿 命和最高重复频率？
36
3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃
内触发
37
内触发
38
外触发
39
预燃电路
40
预燃电路
41
类预燃电路
忽略放电上升时间
2 2 V K V C im i (t 0) 0 C K , Req 0 i (0) VC
纯电容放电的特点：
放电电流和功率上升快，峰值高，对灯 冲击大 放电脉冲窄，放电时间正比于电容 衰减曲线尾部时间长，光能利用率低
57
单网孔脉冲成形网络—电容、电感放电网络
光电子技术 精品课程
3
固体激光器的光 泵浦系统
光电子技术(2)(激光器件)
3 固体激光器的光泵浦系统 3.1 惰性气体放电灯 3.2 激光二极管 3.3 聚光腔 3.4 二极管激光泵浦耦 合技术
2
3.1 惰性气体灯 3.1.1 惰性气体灯的结构与分类 3.1.2 惰性气体灯的放电过程 3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率 3.1.4 惰性气体灯的技术参数及寿命 3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃 3.1.6 氙灯的充放电系统
1 2 WR i Rdt CV0 2 0
2
44
谐振充电
di L Ri idt V0 dt 0
1 Lα Rα 0 C
2
t
d 2i di i L 2 R 0 dt dt C
R R2 1 2 2 特征根: α1， δ δ ω 2 0 2 2L 4L LC
R δ 2L
α2tω0 1Fra bibliotekLC通解：i(t ) C1e C2e
α1t
45
谐振充电
L (1)δ ω0 R 2 C
L (2)δ ω0 R 2 C
过阻尼
临界阻尼
L (3)δ ω0 R 2 C
衰减振荡
46
谐振充电
电容电压
衰减振荡
临界
过阻尼
衰减振荡
临界
充电电流
42
3.1.6 氙灯的充放电系统
一、充电电路 电阻限流 谐振充电 开关电源 二、放电电路 纯电容放电 单网孔脉冲成形网络 仿真线脉冲成形网络 斩波电路
43
一、充电电路——电阻限流
t τ V V (1 e ), τ RC c 0 t V i 0e τ R
22
三、氙灯辐射光谱的拟合
基尔霍夫定律： I (T , λ) I BB (T , λ) α ( λ) I (T , λ) [1 e
2πhc 2 1 I BB (T , λ) 5 hc kλT λ e 1
α ( λ )l
]I BB (T , λ)
待求
23
温度的经验公式
过阻尼
47
衰减振荡解
L 当R < 2 , δ ω0 C
V0 δt i (t ) e sin(ωd t ) Lωd
2 ωd ω0 δ2
α1,2 δ jωd
δ δt VC V0 1 e cos(ωd t ) sin(ωd t ) ωd
等离子体电阻系数K
1 2
( j ) Kj 电阻率
1 1 1 l l 2 K l R ρ Kj 2 2 i 2 K0i 2 等效电阻 S πd 4 π d
K ' 1.3ΩΑ
11
1 2
灯阻系数
连续灯的伏安特性曲线
12
脉冲灯的光输出波形
13
3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率
P (t ) PN 2 VC z0
59
电容、电感放电网络参数设计
一般给定输入能量，闪光时间，灯参数， 取α=0.8 求：L，C，Vc
2 Einα T C ( ) 4 K0
1 E in CVC2 2
4
2 1 3
闪光时间
T LC
60
T0 2.2T
电容、电感放电网络参数设计举例
给定：输入能量Ein=100j，闪光时间T0=100us， α=0.8，氙灯Φ5×60mm2，K’=1.3ΩA1/2 求：充电电压Vc，电感L，电容C。 解：C=140uF Vc=1200V L=15uh 对于Vc=1600V， α≈0.7，可以接受
16
2. 充气气压影响 充气压增高，效率提高 高充气压不易触发
高充气压灯，在触发时对灯管的 冲击大。
17
3. 灯电流密度影响
灯电流密度增 高 线状谱和连 续谱都增加。 连续谱增长 比线状谱快 短波部分增 长比长波快
18
最佳电流密度
19
氙灯与氪灯的选择
20
4. 灯管内径
单位s
Eex 8.5 寿命 ( ) Ein
34
氙灯的散热功率
液冷下石英管散热功率
最大300～400Wcm－2 保守值使用值50～100Wcm－2
35
习题1
某厂家脉冲氙灯参数如下：
内径d
极间 距l 150m m
Φ7mm
灯阻系数 最大 K0 平均 功率 28.5ΩA1/ 6597 2 W
1、损耗小 2、体积小 3、控制灵活
开关电源主要开关器件
SCR、GTR、MOSFET、IGBT、三极 管……
51
基于开关电源的激光器电源
连续激光电源
包括恒流源、恒压源
脉冲激光电源
电容充电电源
52
开关式电容充电电源
53
半桥电路
54
全桥电路
55
二、放电电路——纯电容放电
Trenholme-Emmett 扩展多项式
27
见P62
氙灯辐射谱的拟合曲线
d=15mm
9200K
p=4.05E4Pa Pin=20.1KWcm-2
28
辐射功率
P out P uv P vis P ir
P uv 0.174 j
2.07
d
1.31
p
0.2
2 P 0.958exp(1.11ln j 0.094ln j 0.60ln d 0.080ln p) ir
15
二、影响气体灯输出的主要因素
1. 充气种类的影响
原子量大 • 每次碰撞的平均能量转移多。 • 原子电离电位低，电离度大。 • 相同气压和放电条件下，连续谱的成分和总辐射量 高 例如： • Xe的原子序数54，Kr的原子序数36 • 氙灯的连续谱和总能量高于氪灯。 • 对于Vc＝1200V，C＝250uF，P＝600mmhg，d＝ 5mm，l＝70mm。 氙灯与氪灯效率之比为：100/55。
3
3.1.1 惰性气体灯的结构与分类 （1）分类
脉冲灯、连续灯
• 脉冲氙灯：工作与较高电流密度下，以连续光 谱为主。 • 连续氪灯：电流密度较低，以线状光谱为主。
直管式、螺旋式
4
（2）结构
管壁 电极 接头 气体
5
（2）结构
管壁
石英管—— 优点： 耐高温 耐冲击 耐强电流：电流密度>104A/cm2 高透过率：白光的吸收系数<0.002 缺点：紫外光的高透过率，破坏工作物质，出 现色心。 通过在石英中掺铈（Ce），铕（Eu）转 换紫外光 为可见光。
R K0i
1 2
di 1 L K 0 i i dt C
1 2
idt V
0
t
C
归一化方程
L z0 T LC 归一化 C iz0 K0 t τ IN α T VC VC z0
1 dI N αI N2 I N dτ 1 dτ 0
58
τ
电容、电感放电网络
V0 i (t ) (
t R eq C
Req
)e
V P (t ) i 2 (t ) Req ( 0
电流脉宽
2
2t R eq C
Req
)e
Ti ReqC TP Req C 2
适用于 T0>50us
功率脉宽
实验得到的闪光时间
T0 (0.5 ~ 0.7)ReqC
56
纯电容放电 峰值电流：
32
氙灯的寿命 灯的失效
破坏性——爆炸，破损 非破坏性——输出能量，平均功率逐步 减小
失效原因
高温作用
• 内壁熔化，蒸发，重新凝聚在管壁上，形成 白色沉淀。 • 电极溅射，在管壁形成黑色沉淀 • 接头裂缝，漏气 33
氙灯的爆炸能量与寿命
Eex 1.2 10 ld t p
4
单位cm
n 1
20
见P62
26
氙灯辐射谱强度
I (T , λ) I BB (T , λ)F[α( λ), d ]
对角度平均的辐 射函数
9 n an x , x 5.0 n 1 F ( x) 3 1 c ( 1 )n , x 5.0 n n 1 x