固体激光器的特点及应用

第一章引言

激光是人类在上个世纪所创造的最杰出的技术成就之一。自上世纪60年代，梅曼发明了全球首台激光器以来，激光技术的发展至今已经硕果累累，并且已经在人类社会的各行各业中普遍应用。

从固体激光器的出现到今天，一直都特别的备受大家的关注。因为它具有峰值功率高，输出能量大，以及结构紧凑耐用等特点，所以在各个方面都有广大的用途，具有不可估量的价值。有了这些优异的特点，固体激光器在科学研究、国防军工、工业生产、医疗健康等领域获得了大量的运用，使我们的日常生活越来越美好。

目前激光器的研究重点方向是使器件的体积愈来愈小、器件的重量愈来愈轻、效率愈来愈高、光束质量愈来愈好、可靠性愈来愈高、寿命愈来愈长、运转愈来愈敏捷的全固态激光器。全固态激光器的应用扩展到了我们生活的各个领域，它是应用领域中基础的、特别重要的核心器件，已经成为了我们日常活动中不可或缺的帮手。它的结构、输出功率、转换效率以及光束质量都取得了非常大的进步，具有强大的生命力。

全固态激光器汇聚了半导体激光器和固体激光器的特点，具有体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、运转灵便等优点，所以是前途光明的激光研究方向,它通过变频获得宽波段输出、便于模块化和电激励等应用优势，已经在科研、医疗、工业加工、军事等领域获得了广泛的应用，是新一代性能卓越的绿色、节能光源[1]。

现如今，激光技术在各个领域的广泛应用，已经是企业向信息化转型的不可缺少的推动力量，而且推动了一个完整的高新技术链条的有序成长。根据国外的相关资料统计，国外的激光产业发展状况呈现出繁荣昌盛的景象，市场需求不断上涨，每年以百分之二十以上的速度上升。如今，我国的激光市场发展稳定、增长速度飞快。根据统计报告，我国的激光产品在1999年的市场销售额仅为14.13亿，2005年达到了47.75亿。所以固体激光器的发展呈现出非常好的趋势，具有非常广阔的市场，有很大的发展空间。

第二章激光与激光器

2.1激光

2.1.1激光（LASER）

它是指在受激辐射的作用下把光变强的现象，英语称号为Laser。

2.1.2激光产生的条件

激光产生的条件有三个：

1)具备能够实现能级跃迁的工作介质，叫做激活介质，它能让上、下两个能级

之间处于粒子数反转的状态；

2)有提供光反馈的光学谐振腔，其作用一是延长工作物质的长度，使工作物质进行持续的受激辐射，达到给光子加速这个目标；二是能够对于激光的发射方向进行干涉现象；三是对于输出的波长进行控制。

3）有能够使工作物质从低级向高级转化所需要的能量，从而能够使得激光达到发生的条件。

2.1.3激光的特性

激光产生的机理与普通光源的发光有区别，所以激光具备不同于普通光的特性：高度的方向性、单色性、相干性和高亮度[2]。

单色性是指光的强度依照其频率进行排列的方式。这个指标可以通过频谱分布的宽度进行衡量，频谱越宽，说明其性能越差。

方向性是指光能够按照要求在某个位置进行分布。这样我们就可以使光在很远的距离也能够有很高的强度，这是光传播距离的指标，方向性越好，说明其照射的距离越远。

单色亮度是衡量光源的发光能力的指标，它的物理意义是单位截面、频宽和立体角内，光源的发射功率。

2.2激光器的发明与发展

上世纪20年代，Albert Einstein的光子受激辐射原理为激光的出现提供了巨大的帮助，这个原理是指处于高能态的光子受到低能态的光子作用，转变成低能态，并且产生第二个，同之前的光子一起发射[3]。

1951年，汤斯提出了微波激射器的概念。1954年，美国科学家汤斯和俄国科学家普罗霍罗夫得到了氨分子的粒子束发转现象，不久之后他们又发现了微波的受激发射。

1956年，荷兰物理学家Bloembergen创造了通过光泵浦三能级原子系统能够将粒子束进行反向排列的概念。

1958年，美国物理学家Schawlow和Townes通过谐振腔的作用得到了激光器以及俄国科学家普罗霍罗夫也研制成功了振荡器和放大器，这两个发明对于激光的发现提供了非常伟大的帮助。

1960年，在前人激光理论基础上，美国物理学家Maiman研发了全球首台激光器。

1965年，人类历史上首台CO2激光器在美国被顺利研发成功，这是有史以来世界上首台可以生产大功率的激光器。紧接着两年后X射线激光器也被顺利的研发出来。现在我们生活的各个领域对激光技术基本上都有普遍的运用。

而对于我国激光器具体的研制成功的发展情况，由下表2.1可以清晰的看到：

2.3激光器的类型

自上世纪60年代激光器发明至今，有关这方面的科学技术已经得到了很大的进步，现在各行各业都有激光技术的成功运用。激光器的类型较多，我们可以遵循以下的分类手段将其类别：

1）工作物质：按照这种方式我们可以将其主要分为固体、气体、染料、半导体、光纤以及自由电力等六种激光器。

2）激励方式：按照这种方式可以将其分为光泵式、化学以及核泵浦三种激光器[4]；

3）运转方式：按照这种方式可以将其分为连续、单脉冲、锁模以及可调谐等四类激光器。

4）按输出波长的长度为标准来对其进行区别，包括红外激光器、可见激光器、紫外激光器和X射线激光器四类。

如下表2.2所示：

表2 .2 激光器的分类

分类方式

工作物质

激励方式

运转方式

输出波长

气体激光器

固体激光器 半导体激光器

染料激光器 光泵式激光器

核泵浦激光器 化学激光器

化学激光器 其他激光器

连续激光器

单次脉冲激光器 锁模激光器

可调谐激光器 红外激光器

可见激光器 紫外激光器 X 射线激光器

第三章固体激光器

3.1固体激光器的工作原理和基本结构

这种激光器的作用原理是工作物质通过能量吸收后达到激发态，为了能够使得粒子束反转以及保持这种状态提供体检，进而使得光放大然后输出。这类激光器的结构如下图3.1所示：

1）工作物质aa

工作物质是激光器能够产生作用不可缺少的关键构成成员，它包括激活粒子和基质两种构成成分。激光中的很多重要的性能参数都是由激活粒子能级构造作用而成，基质主要是对物质的性能产生影响。

2）泵浦系统

泵浦系统工作的时候需要的前提工作条件有两个必要条件：一是泵浦的发光效率一定要满足系统的运行；二是对于受激辐射光的属性一定要和工作物质的光谱属性相一致。

我们还有经常使用的泵浦源有：太阳能、惰性气体等和激光二极管等。现在惰性气体是最经常使用的泵浦源，而在小型的功率器件中太阳能这类的泵浦源经常用到，现在我们在这方面的技术正在朝着LD泵浦的方向迈进，它的优良特点比较明显：具有很强的光转换率、功率大、稳定性好、安全可靠、使用时间长以及体积小等，现在它已经是固体激光发展中最有发展前景的泵浦源。

LD激光器可以分为端面、侧面、边面以及混合泵等分类形式[5]，图3.2为端面和侧面的泵浦结构图。