固体激光器发展历程
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；http://具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
固体激光器的发展与应用
激光手术示意图
未来的固体激光器的发展方向： a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量
2、军事领域的应用
波长较小，这就很好的在空气中传输，进而可以达到长距离 作战的使用要求。 激光器在未来的作战使用中占据着非常重要额地位，那能够 对反侦察、保护以及清楚障碍等有很好的作用。
3、生物医学中的应用
1962年，人们第一次将人的视网膜和眼球利用激光进行连接， 这样就可以做到不用对眼球进行切开就能达到治疗的效果 （1）医学研究工具 现在固体激光器已经变成了科研人员研究遗传学和胚胎学 实验非常重要的器材。 （2）激光诊断 利用激光器来检测血药流动方面的内容的时候，在不需要 血药进行扰乱的情况下就可以成功的测量。 （3）激光治疗 在激光治疗的过程中，现在我们最为常用的方法就是利用 激光器的凝结机。在进行手术的时候，我们通过激光手术刀 的作用就可以对身体内的手术部位进行治疗，这样就可以很 好的减轻血量的流失，而且后期恢复较快，没有干扰等。
固体激光器的发展与应用
几种典型的固体激光器
1、红宝石激光器（Cr3+:Al2O3） 2、掺钕钇铝石榴石激光器（Nd3+:YAG） 3、掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG） 4、可调谐固体激光器 5、二极管泵浦的固体激光器
典型固体激光器的比较
固体激光器的优点：
1）它的能量输出较大，而且峰值处的功率也较大。
1、工业加工中的应用
光热（热效应）和光化学（光化学反应）两类激光加工 （1）激光切割 利用光在聚集以后产生非常强的能量，然后实现切割的功 能。 （2）激光焊接 通过激光器产生的高热量激光对物体的表面进行加热，然 后经过传导作用，最终使加工的物件达到我们想要的结果。 （3）激光钻孔 电子线路向集成化的方向迈进，然而这种技术需要在线路 板上安装越来越多的微型过孔以及盲孔，传统的手工加工方 机械强度较大，而且制造成本较低。
激光焊接发展史
激光焊接发展史
激光焊接的发展历史可以追溯到20世纪初，当时人们已经开始研究激光的原理。
1960年，世界上首台激光器被研发出来，4年后，首台YAG固体激光器和CO₂气体激光器相继问世，这两种激光器至今仍是应用最广泛的工业激光器。
近年来，随着光纤激光器和碟片激光器等新型激光技术的不断涌现，激光焊接在各个工业领域的应用也越来越广泛。
1984年，全球首个用于大规模工业生产的激光焊接设备出现，自此，激光焊接技术逐渐在各个工业行业中得到广泛应用。
除了激光焊接，激光钎焊、激光冷热送丝焊接和激光复合焊接等技术的出现，也扩展了激光技术的应用领域。
随着激光技术的不断进步和激光器价格的下降，手持激光焊在2018年应运而生，它的出现使得激光焊接自动化的发展进程进一步加快。
激光器的发展历史及现状ppt课件
远红外激光器
X射线激光器
近紫外激光器
4.主要用途
由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密
测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域 引起了革命性的突破。激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距 等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。
子，并同时放出巨大辐射能量。由于激光能量可控制，所以该过程称
为受控核聚变。
5.世界激光器市场发展现状
世界激光器市场可划分为三大区域：美国（包括北美）占 55%，欧州占 22%，日本及太平洋地区占 23%。在世界激光市场上日本在光电子技 术方面占首位，美国占第二位；在激光医疗及激光检测方面则美国占 首位；
良好效果。
2、激光测距。激光作为测距光源，由于方向性好、功率大，可
测很远的距离，且精度很高。
பைடு நூலகம்
3、激光通信。在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆
，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量。
4、受控核聚空中的应用。将激光射到氘与氚混合体中，激光所
带给它们巨大能量，产生高压与高温，促使两种原子核聚合为氦和中
然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”，对于 激光器到底能否研制成功，在当时还是很渺茫的。
2.3成熟阶段
1954年，美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成 功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器的先例,但所 研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波，功率很小。
2.激光器的发明
2.1历史由来
激光器的诞生史大致可以分为几 个阶段，其中1916年爱因斯坦 提出的受激辐射概念是其重要 的理论基础。这一理论指出， 处于高能态的物质粒子受到一 个能量等于两个能级之间能量 差的光子的作用，将转变到低 能态，并产生第二个光子，同 第一个光子同时发射出来，这 就是受激辐射。
第一台激光器——红宝石固体激光器
第一台激光器——红宝石固体激光器摘要：本文主要回顾了第一台激光器的研制历程，介绍了红宝石激光器的工作原理和它的发明者梅曼先生。
一、发展历程1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。
前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。
激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”( Light amplification by the stimulated emission of radiation )。
爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到.1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。
1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。
1934年，克赖克汤和威廉}i} i}i}于振荡器发现了电磁波和分a:.的相互作用。
这是最旱期的电磁波谱学实验。
30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。
同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础.1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础.1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备.他们开始着手进行微波波谱学山研究。
当时，韦伯(Webber )、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫(11po1。
二。
)以及汤斯("l}ow'nes)等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。
这是激光理论发展的重要起点.1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。
关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。
这是哥伦比亚大学的兰姆( Larnb)和另一同事的共同成果。
他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。
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：
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
第二篇 固体激光器-第一讲
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§1.3 固体工作物质
固 体 激 光 器
1. 稀土离子 • 铥（Tm3＋） 铥（Tm
• 与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输 Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输 出。 • 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 • 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 • 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输 出
• 液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。 液氮冷却的作用下，CaF
哈工大光电子信息科学与技术系
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§1.3 固体工作物质
固 体 激 光 器
2. 锕系离子
– 掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。 0.05%铀（U）的CaF 成功用于激光器，输出2.6um。
固 体 激 光 器
1. 稀土离子
• 钕（Nd3＋） 钕（Nd
• 实现了100多种基质中获得受激发射 实现了100多种基质中获得受激发射 • 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射 0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射
• 铒（Er3＋） 铒（Er
优质红宝石可达0.7，普通 优质红宝石可达0.7，普通 红宝石0.5，钕玻璃0.4， 红宝石0.5，钕玻璃0.4， Nd:YAG接近1 Nd:YAG接近1
A21 η2 = A21 + S21
NASA空间飞行中心的空间量子固体激光器发展综述
１ 前 言
在 １６ ９ ０年发 明激光器 大约 １ ０年后 ，第一 台空
间激 光器才 得 以问世 。阿波罗 １ ５上用 Ｒ Ａ 的红 宝 Ｃ
Ｄ ＳＬ就成为了设 计空基 激光设 备的一个基本 标准。 ＰＳ
其实 ，美 国 、中国、 日本 和欧洲 近几年 已经发射 或 者 即将发射一些激光 任务。本文对 空 间飞行 中心从
表 １ 出的激 光发射 器是基于 半导体激光 器阵 给 列侧 泵浦 之 字形 Ｎ ：Ａ ｄＹ Ｇ极设 计 的 。第一 个 Ｇ Ｆ ＳＣ 设 计 制 造 的 激 光 发 射 器 用 于 地 理 科 学 测 高 仪
Ｍ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔｒ ｔ ａ ｕｒｍ ｎ ａ ｅ
１５ｍ ａ ｉｌ ． ｒｄａ ４０ｋ ０ ｍ
２ ｒｄ ０ｋ ａ
＞ ０ｄ ｙ ６ ａ ｓ ＞ ｅ ｒ ２ｙ ａｓ
１ ０ Ｈｚ
１ ｍｙ ｏｅ ０ ｌ０ｋ ｅ１ ．ｃ／ ｖｒｌ ｘＯ ｍａ ａ ５ ｒ（ Ｏ ｒ ６ ０ｋ ０ ｍ
ｎ ｔ ｃＤｅ ｈ ａ
Ｐ ｍａ ｙ Ｓ ｉｎ ｅ ｉ ｒ ｃｅ ｃ
７
ｒ Ｕ ６
Ｒａｅ ｏ ｅ ｇ ｔｃ ａ ｅ ｔ ｆｈ ｉ ｈ ｈ ｎｇ
ｔ ｒｉ ｅ ｓ ｅ ｔ ｏ ｃ ｈ ｅ ｓ
．
Ｇｌｂ ｌｔｐ ｇ ａ ｈ ｃ ｏ ａ ｏ ｏ ｒ ｐ ｉ
ｍａ ｐ
Ｇ。 ａ ｔ ０ｒｐ ｙ ｌ ｌ０ ｇａ ｈ ｂ ｐ
（ １ Ｓ 。Ｇ Ａ ＧＡ ） Ｌ Ｓ激光 发射 器为 一个 主振荡 功率 放大
器 （ Ｐ ）结构 ，主 振荡器 ｆ ）能够产生 的脉 冲 ＭＯ Ａ ＭＯ 能量＞ １．脉 宽＜ ｓ 增益 系数为 ｌ ， ２ｎ Ｊ ６ｎ ， ０ 这样 可将激 光能量 增加 到 ２ Ｊ 最后 经放 大过程 可达 １０ｒ 。 ２ｍ ． １ ｌ Ｉ Ｊ
激光器的简介以及发展历程
➢ 信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器
➢ 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状
➢ 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型
➢ 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼 科手术，激光血照仪，视光学测量
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛 固体 激光器的用途。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。
固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。 固体激光器 的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作 波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输 出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长 工作寿命等。
合成高能固体激光器JHPSSL是美军继氧碘 化学激光武器之后的研发重点，固体激光 器能采用功率合成的方法达到远超过化学 激光器的的功率，通过增减模块数量可以 满足从拦截战术炮弹到拦截战略导弹的多 层次需求。
Nd:YAG
Nd:YVO4
气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。 它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励 源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、 光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电 条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有 选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒 子数反转，产生受激发射跃迁。
光，将激光能量放大后就形成对材料加工 的激光束。
工作物质是中性分子气体，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波长范 围很广，从真空紫外、可见光到远红外。其中以二氧化碳激光器最为重要， 其特点是效率高，大约在10％～25％范围内，可以获得很高激光功率,连续 输出功率高达万瓦,脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.4微米和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。二氧化碳激光器分为普 通低气压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和 高气压连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。这些激光器可用于加 工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等 离子体研究等方面。其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可 调谐的激光器，特别适用于激光通信和高分辨光谱学。
激光的发展与应用前景展望
激光的发展与应用前景展望激光技术始于20世纪60年代，迄今为止已经发展了近60年。
作为一种高度聚焦的能量源，激光技术在各个领域的应用越来越广泛。
本文将探讨激光的发展历程以及未来的应用前景。
第一部分：激光的发展历程激光技术最早出现在科幻作品中，然而，1960年美国物理学家梅澜斯发明了世界上第一台激光器，标志着激光技术的诞生。
最初的激光器是由具有受激发射能力的固体晶体制成的，但是随着科技的进步，激光器的类型也不断扩展，包括气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
这些不同类型的激光器具有不同的特点和应用领域，例如气体激光器广泛应用于切割、焊接和材料加工等领域，而半导体激光器则用于通信和激光照明等领域。
第二部分：激光技术在医疗领域的应用激光技术在医疗领域的应用已经发展了几十年，目前已经成为一种重要的治疗工具。
例如，激光手术已经在眼科、整形外科和皮肤科等领域取得了显著成果。
激光手术具有创伤小、恢复快的特点，对患者来说是一种低风险的治疗方式。
此外，激光技术还可用于准确定位和破坏癌细胞，从而为肿瘤治疗提供了新的途径。
第三部分：激光技术在通信领域的应用随着互联网的快速发展，人们对高速、高容量的通信需求也在不断增加。
激光通信技术因其高速、安全的特点被认为是未来通信的重要方向。
激光通信利用激光脉冲传输信息，具有比传统电信号传输更高的带宽和传输速度。
此外，激光通信还具有抗干扰能力强、难以窃听的特点，可以在军事通信和机密文件传输等领域发挥重要作用。
第四部分：激光技术在工业领域的应用激光技术在工业领域的应用也越来越广泛。
激光切割、激光焊接和激光打标等成为现代工业生产中重要的工具。
激光切割技术可以在减少材料浪费的同时提高生产效率，激光焊接技术可以实现高精度的焊接，激光打标技术可以在各种材料上实现标记和编码。
这些激光应用不仅提高了生产效率，还提高了产品质量和精度。
第五部分：未来激光技术的挑战与展望尽管激光技术在各个领域都取得了重要的进展，但仍存在一些挑战和限制。
《固体激光器》课件
文化遗产激光保护
固体激光器可用于文化遗 产保护，如清洗和修复古 代文物。
固体激光器技术发展
1
发展历程
固体激光器技术经历了从Nd:YAG、Nd:YVO4等到新材料的不断研究和发展。
2
发展趋势
现代固体激光器技术将朝着高功率、高效能转换和短脉冲宽度的方向发展。
固体激光器的前景
发展前景
固体激光器在医疗、工业和科研等领域拥有 广阔的发展前景。
波长范围
固体激光器的波长范围广泛，可以涵盖可 见光、红外线等多个频段。
光束质量
固体激光器的光束质量通常表现为TEM00 等高斯模式。
固体激光器的应用领域
手术激光器
固体激光器广泛应用于激 光治疗和激光手术领域， 如眼科手术和皮肤美容。
工业激光器
固体激光器在切割、焊接、 打标等工业应用中具有重 要作用。
固体激光器与其他激光器的比较
固体激光器
气体激光器
优点
优点
• 高能量转换效率 • 稳定的输出功率和波长
• 大功率输出 • 可调的激光波长
半导体激光器
优点
• 小型、便携 • 高效能转换
固体激光器的构造
固体激光器主要由激光介质、泵浦源、光学谐振腔、输出耦合器等部分组成。激光介质通常是由 掺杂了激光离子的固体晶体或玻璃材料制成。
激光器发射的原理和过程
固体激光器的激光发射过程通常包括能量吸收、电子激发、激发态粒子寿命、激发态粒子跃迁等 多个步骤。最终产生的激光通过光学谐振腔和输出耦合器进行输出。
几千 瓦不等。
脉冲宽度
固体激光器可以产生纳秒、皮秒以及飞秒 级别的脉冲宽度。
什么是固体激光器？
固体激光器是一种基于固体材料的激光器，其工作介质是固态物质。它通过 在固体材料中产生激发态粒子来产生激光。
国外激光加工发展历程
国外激光加工发展历程标题：国外激光加工技术的发展历程引言自20世纪60年代半导体激光器的诞生以来，激光加工技术在国际工业领域经历了从实验室研究到广泛应用的快速发展历程。
这一先进技术以其高精度、高效能和广泛适用性，极大地推动了制造业的进步，尤其是在汽车、航空航天、精密机械、电子、医疗等多个行业。
早期发展阶段（1960s - 1980s）1962年，世界首台半导体激光器的成功研制标志着激光科技时代的开启。
随后数十年间，激光切割、焊接、打标、钻孔等多种加工技术逐步成熟。
到了70年代末期，激光打标技术开始进入工业生产应用，为产品标识提供了前所未有的精确度和速度。
全面发展与突破阶段（1990s - 2010s）进入90年代，随着全固态激光器技术的进步，尤其是二级管泵浦全固态激光器（DPSSL）的出现，激光加工效率和稳定性显著提升，进一步拓宽了其应用领域。
此时，国外先进国家如美国、德国、日本等国的企业和研究机构，在激光微细加工、三维立体加工等方面取得了一系列重大突破，并将激光加工技术推广至大规模生产线中。
现代应用与创新阶段（2010s至今）进入21世纪后，光纤激光器因其结构紧凑、维护简便及电光转换效率高等优点，在全球范围内得到迅速普及，成为金属材料加工的主流工具。
同时，超快脉冲激光加工技术发展迅猛，能够实现对材料的冷切削处理，极大降低了热影响区，使得精细和复杂部件的加工变得更为可行。
此外，国外科研人员不断探索新的激光加工工艺，例如激光增材制造（3D打印）、激光表面改性、激光清洗等，这些都展示了激光加工技术无限的应用潜力和发展前景。
随着智能化和自动化水平的提高，激光加工系统正逐步融入智能制造系统，为实现工业4.0和智能制造提供核心技术支持。
结论综上所述，国外激光加工技术历经半个多世纪的发展，已经从单一的技术手段演变为涵盖众多细分领域的综合性加工解决方案。
无论是基础理论研究还是产业化应用，国外激光加工始终保持在全球科技前沿，持续引领着相关行业的技术创新与发展。
固体激光器的基本结构和工作物质 李迎鑫 1102
固体激光器的基本结构与工作物质摘要1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
到1960年底，人们分别在固体（掺铀氟化钙）和气体（氦氖）中实现了四能级激光器系统。
固体激光器的发明梅曼发明的红宝石激光器为激光技术的发展完全打开了新的大门。
本文就固体激光器的基本结构与工作物质进行阐释。
关键词固体激光器基本结构工作物质基本结构固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
工作物质，激光器的核心部分，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
激励能源，固体激光器一般采用光激励源。
通常为光泵。
它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。
通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。
例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。
通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。
常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。
在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。
一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
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。
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。
受激辐射光通过反馈在其中形成放大与振荡, 并由部分反射镜输出。
固体激光器基本原理以及应用
量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长
等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的
领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器 已有500 余种，但从1998 年开始，固体激光器 中的Nd:YAG 激光器的市场占有率和销售额已 升为第一位。
与传统灯泵浦固体激光器比较，全固化固体激 光器具有以下优点：
1) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与 固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加之泵浦 光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从 而光光转换效率很高，已达50％以上,光纤达 80%，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当， 比灯泵固体激光器高出一个量级，因而全固化 固体激光器可省去笨重的水冷系统，体积小， 重量轻，结构紧凑，易于系统集成，性能价格 比高。
连续或脉冲
532, 1070, 1800-2000 高达2KW/高达1mJ
高达20%
基模 光斑细
功率/能量稳定 性 冷却方式 可靠性 维护周期 使用寿命 系统体积 光纤传输 设备成本 运行成本 技术
< 1.5% 风冷 最佳 无需维护 大于10 万小时 小巧紧凑 单模光纤 较高 较低 最新
二极管泵浦固体激光器
2
3)任意形状光纤激光器
为了克服双包层光纤激光器输出功率受 到限制，进一步提高输出功率，日本学 者率先开发出了一种任意形状光纤激光 器，有望获得千瓦量级的光纤激光器。 其方案是将光纤排放成盘状结构，大大 增加了泵浦光的利用面积，其有效利用 面积比纤芯端面和包层端面大得多。根 据光纤的排放方式不同，这类光纤激光 器又可分为盘状、片状、圆柱状、环状 和棒状等不同结构的光纤激光器。
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。
固体激光器和其调Q工作原理
V
4
=
4n03
，为晶体两端所加调Q电压。
• 电光晶体应满足下列条件：消光比高；透过率高、透光范围大； 半波（四分之一波）电压低；抗破坏阈值高；晶体防潮等。
• 常用电光晶体：
KDP磷酸二氢钾
BBO硼酸钡
LN铌酸锂
LGS硅酸镓镧
RTP磷酸钛氧铷
声光调Q
固体激光器及其调Q工作原理
激光器的简介
• 发展历程 • 特点 • 应用
激光器的原理
• 构成 • 分类 • 产生机制
调Q工作
• 电光调Q • 声光调Q • 饱和吸收调
Q
发展历程
1916年，爱 因斯坦受激 辐射理论
1952年，实 现粒子束反
转
1953年，第 一台微波粒
子放大器
1960年，红 宝石激光器
问世
1960—，氦 氖激光器、 半导体激光 器等相继出
现
特点
方向性 好
单色性 好
激光的 特点
相干性 好
亮度高
应用
激光器旳构成
• 泵浦——提供能量 • 工作物质——受激辐射，产生激光 • 谐振腔——光放大、选模
激光器旳分类
• 红宝石、 Nd:YAG
固体激 光器
气体激 光器
• 氦氖激 光器、
CO2
电光调Q
Q调 制
声光调Q 饱和吸收调Q
转镜调Q
色心调Q
电光调Q
nx '
n0
1 2
n03
Ez
ny '
n0
1 2
n03
Ez
n
n03
Ez
n03
固体激光器的应用
固体激光器的应用所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。
I960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
距今已有整整五十年了，在这五十年固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃并且对人类社会产生了巨大的影响。
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。
固体激光器从其诞生开始至今一直是备受关注。
其输出能量大峰值功率高结构紧凑牢固耐用因此在各方面都得到了广泛的用途其价值不言而喻。
正是由于这些突出的特点其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用给我们的现实生活带了许多便利。
现在激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域它标志着新技术革命的发展。
诚然如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比我们不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。
一、固体激光器的类别：固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：AI2O3）、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd: YAG、掺钛的铝酸忆（Nd: 丫ALO、掺钛的氟化忆锂（Nd: YLF）等多种。
它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694. 3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。
二、固体激光器的构造及原理：在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。
激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。
常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。
固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。
掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。
激光器的发展历史及钇铝石榴石激光晶体
的激光方面的论文达200篇以上。
6
1963年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。 1964年研制成 氩离子（Ar+）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助 半经典理论预言了锁模效应的存在。 1966年研制成固体锁模激光器获得超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1984年研制出光孤子激光器（SL）
1960年7月，世界第一台红宝石固态激 光器问世，标志了激光技术的诞生 美国休斯公司实验室梅曼演示 波长为694an）研制成了 He-Ne混合气体激光器。 ⑵ 有人提出了Q调制技术， 制成第一台调Q激光器。 ⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。 1962年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。
2
激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因 斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收 和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。
1952年 美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论放大电磁波
一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔； 利用自由电子与电磁场相互作用实现电磁波的放大和振荡。
8YSZ
La2Zr2O7 YAG
2700
2300 1950
5.90
6.05 4.55
11.5×10-6
9.1×10-6 9.1×10-6
2.1(1000 oC)
1.56(1000 oC) 3.0(1000 oC)
Al2O3(TGO)
NiCoCrAlY In738高温合金
2050
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固体激光器发展历程
固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子（如Cr3+）；(2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；(3)锕系金属离子（如U3+）。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉
（NaAlSi2O6）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12）、钨酸钙（CaWO4）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。
晶体激光器以红宝石（Al2O3：Cr3+）和掺钕钇铝石榴石（简写为YAG：Nd3+）为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质
固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。
常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943埃)、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG,波长1.064微米）、氟化钇锂(LiYF4,简称YLF;Nd:YLF,波长1.047或1.05微米;Ho:Er:Tm:YLF,波长2.06微米)等。
1973年以来又有一类自激活激光晶体。
它的激活离子是晶体的一个化学组分,因而激活离子浓度高,不致产生荧光猝灭。
这种晶体的激光增益高，抽远阈值低。
主要品种有
五磷酸钕(NdP5O14)、四磷酸锂钕(NdLiP4O12)和硼酸铝钕（NdAl3(BO4)3）等。
它们多用熔盐法生长,晶体尺寸小，可用于小型固体激光器。
已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体,如终端声子跃迁的金绿宝石（Cr:BeAl2O4,波长0.701～0.815微米，室温工作）、掺镍氟化镁（Ni:MgF2,波长
1.6～1.8微米，低温工作）、5d→4f 跃迁的掺铈氟化钇锂（Ce:YLF,波长0.306～0.315
微米,用准分子激光器激励，室温工作）和碱卤化物的色心激光晶体（不掺杂或掺杂的氯化钾、氟化锂等，波长0.8～3.9微米，大多在低温下工作）。
激励源
固体激光器以光为激励源。
常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。
在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。
一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。
特性
固体激光器可作大能量和高功率相干光源。
红宝石脉冲激光器的输出能量可达千焦耳级。
经调Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功率达10瓦。
钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。
固体激光器运用Q开关技术（见光调制）,可以得到纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。
由于工作物质的光学不均匀性等原因，一般固体激光器的输出为多模。
若选用光学均匀性好的工作物质和采取精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限的基横模(TEM00)激光,还可获得单纵模激光。
应用和趋势
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。
固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。
固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。