5.1 固体激光器-20200527

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器的波长,选用光密度合适的防护镜加强保护眼睛。 • 对于3类和4类激光器,任何情况下不能直视激光束。
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器 ------------激光安全、警示标记
激光辐射警告标记 激光辐射警告标记图形为正三角形外框,中间
为一同心圆,该同心圆向外呈太阳辐射状的一条 长线,若干中线和短线组成。
掺钕钇铝石榴石激光器(Neodymium : yttrium-aluminumgarnet), 简称Nd:YAG激光器。
化学表示式: Nd3+:Y3Al5O12
基质为钇铝石榴石晶体(分子式为Y3Al5O12,YAG) YAG晶体特点:淡紫色、硬度高、各向同性、热 导率高(有利于连续运转)、熔点高(1970C)
第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
固体激光器
基质材料分为晶体和玻璃两类,在基质材料中掺入 激活离子而制成。
种类: 红宝石激光器(1960年) 掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器(1964年) 钕玻璃激光器(1961年) 光纤激光器(1960年) 蓝宝石(Ti-Sapphire)激光器 ……
• 例如:游 戏 用 激 光 枪 、 激 光 棒 及 条 码 扫 描 器 等。
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
• 3A类激光:其连续波输出功率达(1-5)mW,通 常应加防护措施,其工作区及激光源本身均应挂相 应的警告标记,另外,利用光学仪器直视这类激光 源会对眼睛带来危害,也应加强防护。
• 强烈的激光辐射:干扰人体的生物钟,产生头痛、乏力、记 忆力衰退、激动、心悸、心率失常、血压失常等症状。
• 对脑和神经系统的影响:松果体素减少、节律紊乱。 • 损伤细胞膜,影响儿童发育。 • 直接激光辐射:对视力造成永久性伤害甚至失明。 • 直接的激光辐射:灼伤人的皮肤(特别是紫外到蓝光波段)。
安全防护措施 眼睛的保护 • 人眼可能受到超安全标准值的激光照射时,必须根据激光
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
红宝石激光器中Cr3+的能级图
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器 U带:360~450nm (峰410nm) Y带:510~600nm (峰550nm)
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
发射谱: R1线:694.3n(强) R2线:692.9n(弱)
特点: 容易获得光学性质好的大尺寸增益介质 可以制成特大功率的激光器 激光波长为1.06m 用光泵浦 导热性能和机械性能差, 不适用于连续和高重复频率运 转(热膨胀系数大)。
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
Nd: YAG晶体中Nd3+部分能级图
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
激光倍频技术的关键是非线性的倍频晶体。如磷酸氢钾 (KDP)、铌酸锂(LiNbO3)、磷酸钛氧钾(KTP)。
SHG/THG/FHG倍频晶体 。 倍频方法分谐振腔外倍频(调Q和锁模)和腔内倍频(连续
和高重复频率)2种。
24Leabharlann Baidu
第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
磷酸二氢钾(KDP) 磷酸二氘钾(DKDP or KD*P)
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
YAG激光器的聚光腔
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
Ti:Sapphire laser
激光器的内部实际光路
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
其它工作物质 (1)掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO4):受激辐射截面大(YAG的 5倍)、对809nm有很强吸收(适合LD抽运),有1.064μm 、 1.342μm 、0.942μm三条主要谱线。 (2)掺铒钇铝石榴石(Er:YAG):有2.94μm和1.6μm两条主 要谱线。 (3)掺铬氟铝酸锶锂(Cr3+:LiSrAlF6,简称Cr:LiSAF) 晶体 可调谐固体激光器,波长可调谐范围760-1010nm
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
激光产品的分类 (GB 7247.1-2001) • 1类激光:其连续波功率很小,只达微瓦或亚微瓦级,
正常运行条件下不会产生危害,一般不必采取防范 措施。 • 例如:激光打印机等。
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
• 2类激光:功率为(0.1-1)mW,仍属小功率范围, 可以用肉眼观察。其输出剂量不超过1类激光源的 最大允许辐射剂量,虽不是绝对安全的,但眼睛对 这类激光源看久了会自动生厌(眨眼)而自我保护。
DCF:1988年提出,使大功率FL成为可能
保护层
内包层
外包层 芯层
内包层
芯层
泵浦光
信号光
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
6、固体激光器关键技术
1、泵浦(pumping) 两种:灯泵、半导体激光器泵浦 灯泵:惰性气体放电灯(闪光灯和连续弧光灯)
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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4、掺钛(Ti)蓝宝石激光器(Ti:Sapphire ) 可调谐(660-1180nm)
化学表示式:Ti 3+ :Al 2O3
基质与红宝石相同,Ti3+的掺杂浓度 ~0.1wt%
钛宝石有宽的荧光光谱和吸收光谱 ,吸收带的峰值在490 nm附近。增益 曲线峰值在790 nm附近,可在(660l180nm)范围调谐,所以常用于调谐 激光场合、以及飞秒锁模脉冲的产生
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红宝石激光器特点:容易生长大尺寸晶体、亚稳态寿命长、能获 得高能量输出、荧光谱线窄(晶格热振动引起的均匀加宽)、量子 效率高、泵浦吸收带位置优越、易于单模输出、输出为可见光
第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
应用:
眼科手术 激光测距 动态全息
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
2、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器
化镁MgF2等 陶瓷
激活离子
– 稀土离子: 三价稀土离子如钕Nd3+、镨Pr3+、钐Sm3+、铕Eu3+、镝 Dy3+、钬Ho3+,铒Er3+、镱Yb3+等
– 过渡族金属离子:铬Cr3+、钛Ti3+、镍Ni3+、钴Co2+等 – 钶系离子(放射性元素)
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
3、聚光腔(主要针对灯泵系统) 作用:提高泵浦光转化效率、提高泵浦的均匀性
4、谐振腔的设计 热透镜腔、折叠腔、棱镜腔、相位共轭腔、像散腔……
5、脉冲技术 调Q、锁模
6、倍频技术 非线性晶体
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
激光安全
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
3、钕玻璃激光器
钕玻璃是在某种成分的光学玻璃(硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸 盐、硼酸盐等)中掺入适量的Nd2O3制成的,掺入量为1wt% -5wt%,Nd3+浓度为3×1020cm-3左右。用得最多的是硅酸 盐和磷酸盐钕玻璃。
Nd3+在玻璃中和晶体中的能级结构基本上相同,仅能级的 高度和宽度略有差异
• 例如:激光棒及直线校准仪器 。
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
• 3B类激光:其输出功率为(5-500)mW,直接靠近 这类激光源会对身体有危害;通过漫反射器观看这 类激光源,距离在150mm以上。观看时间短于10s则 是安全的。此类激光源应设警告标记。
• 例如:用于物理治疗的激光治疗仪等 。
激光核聚变装置 钕玻璃激光的3倍频作为点火光源,单 脉冲能量为45千焦。
激光武器
神光II
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
倍频Nd:YAG激光器
倍频Nd:YAG激光的产生是利用倍频晶体在强光作用下的非 线性效应,使频率为f的光波通过倍频晶体后变为频率为2f ( 3f, 4f )的倍频光,从而使波长为1064nm 的近红外激光变 为波长532nm(355nm, 266nm)的绿色(紫外,深紫外)激光。
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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Er:YAG
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
5、光纤激光器(fiber laser)
工作物质:和固体激光器类似,主要用到Er3+、Nd3+、Yb3+等
特点:可靠性高、转化效率高(可达70%以上)、光束质量好、 体积小、可调谐、无需冷却等
普通掺杂光纤 按照结构分类:
双包层光纤(double cladding fiber, DCF)
第五章 典型激光器
按激光工作介质:
固体激光器 • 化学组成: • 激光运转方式: (光纤激光器) – 原子激光器 –连续
半导体激光器 – 分子激光器 –脉冲
气体激光器 染料激光器 化学激光器
– 离子激光器 – 自由电子激光器 – 准分子激光器
• 单脉冲 • 重复频率 • 准连续
自由电子激光器
5.1 固体激光器 (Solid-State Lasers)
1、红宝石激光器(Ruby laser)
化学表示式:Cr 3+ :Al 2O 3 基质:红宝石晶体(刚玉) 红宝石特点:硬度高、热导率 高、化学组分和结构稳定、抗 腐蚀和抗光损能力强 颜色:红色透明,Cr3+,颜 色越深
Cr3+含量:~1.58×1019cm-3(重 量百分比0.05wt%)
激光波长:694.3nm 红光
激活离子为三价的钕离子(Nd3+)。 Nd 3+含量:~1.38×1020cm-3
激光波长:1064nm 近红外光
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
Nd:YAG激光器特点:荧光谱线由晶格热振动引起的均匀加宽引 起、量子效率高、阈值低、实用化程度高、容易实现连续和脉冲 工作方式、易实现大中小各种功率输出
半导体激光器泵浦: 采用大功率半导体激光器作为泵浦源,称作DPSSL (Diodepumped Solid-state Laser) 泵浦方式: 端面泵浦、侧面泵浦、基于内反射的泵浦构型
端面泵浦
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
2、热效应的消除 固体激光器的热效应: • 泵浦光中只有~10%转化为激光,其他主要转化为热能 • 激光棒内温度分布不均导致热透镜效应 补偿热效应的方法: • 冷却(水冷、风冷、半导体制冷) • 滤光(滤光液、滤光玻璃) • 光学补偿 • 采用非棒状工作物质(板条结构、管状结构)
– 玻璃:硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、硼酸盐等 – 激光晶体
金属氧化物:刚玉Al2O3、钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)、钇镓石榴石 Y3Ga5O12(YGG)、钆镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSAG)、氧 化钇Y2O3等
磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐、钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐、铍酸盐晶体 氟化物,如氟化钇锂YLiF4(YLF)、氟化钙CaF2、氟化钡BaF2、氟
• 国际电工委员会(IEC):制定和管理国际激光安全 标准,IEC 60825-2007
• 美国:美国国家标准协会(ANSI)激光安全委员会 制定Z136-2000标准
• 中国: a)激光产品的辐射安全:GB7247.1-2001 b)激光防护设备的安全标准: GB18151-2000 c)激光安全标志标准: GB18217-2000 d)激光作业场的安全标准: GB10435-1989 e)军用激光安全标准共45项
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
• 4类激光:激光输出功率在0.5W以上,即使通过 漫反射也有可能引起危害,会灼伤皮肤,引燃可 燃物。用户操作这类激光源时应特别小心。这类 激光源应配备明显的警告标记。
• 例如:大功率激光表演机、激光工业加工机等 。
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
固体激光器的特点:
增益介质为固体 一般采用光泵浦(光激励) 激光能量大,峰值功率高 增益介质稳定,寿命长 能量转换效率较低 激光系统体积较大 一般需要冷却系统
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第五章 典型激光器/§5.1 固体激光器
固体激光器的基质和激活离子:
基质材料分类:晶体和玻璃
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