3第三章 固体激光器
固体激光器原理 (3)
固体激光器原理1. 引言固体激光器作为一种重要的激光器类型，在科学研究、医疗器械、激光切割等诸多领域有着广泛的应用。
本文将介绍固体激光器的原理、结构和工作方式。
2. 原理固体激光器的工作原理是基于激发固体材料中的激活物质，使其处于受激辐射的状态，从而产生激光。
在固体激光器中，常用的激活物质有Nd:YAG (二氧化钕掺杂的钇铝石榴石)、Nd:YVO4 (二氧化钕掺杂的钇钒石榴石)、Er:YAG (铒掺杂的钇铝石榴石)等。
固体激光器的工作过程可以分为以下几个步骤：2.1 激发过程在激光器的激发环节中，一种能量源（例如一束强光或电流）用来激活固体材料中的激活物质。
这种能量源可以是激光二极管、弧光灯等。
激发过程中，激光器将能量转化为激发离子的能量，使其处于受激辐射状态。
2.2 激光放大过程在激发过程中，激活物质处于受激辐射状态，当有一个激发光子通过时，会与被激发的离子产生辐射跃迁，从而产生两个新的光子。
这个辐射跃迁过程会引起其他离子的受激辐射，从而形成光子链式反应。
这种过程被称为光子放大过程。
2.3 激光输出过程在激光放大过程中，光子数目不断增加，当达到一定数目时，就会形成激光输出。
为了实现激光输出，激光器需要在光学谐振腔中引入一个镜片，这样可以将光子反射回激活物质中，从而增加激光的放大程度。
当光子数目达到一定程度，超过了腔体损耗，则会产生激光输出。
3. 结构固体激光器的基本结构由激活物质、光学谐振腔和能量源组成。
3.1 激活物质激活物质是固体激光器中的关键组成部分，它决定了激光的波长和性能。
常见的激活物质有Nd:YAG、Nd:YVO4、Er:YAG等。
这些激活物质都被掺杂在晶体或陶瓷中，以增加其能级和性能。
3.2 光学谐振腔光学谐振腔是固体激光器中的另一个重要组成部分，它通常由两个反射镜和一个激活物质组成。
其中一个反射镜被称为输出镜，另一个被称为输入镜。
输出镜可以通过调整其反射率来控制激光的输出功率和方向。
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
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
灯泵 聚光腔
二、泵浦光源满足两个基本条件
1、有很高的发光效率 2、辐射的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱 相匹配.
4
三、惰性气体放电灯的分类与结构
放电灯
电级 灯管 充入气体
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（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。
最佳脉宽选择原则 脉宽短，可以减少自发辐射的影响，一般脉宽小于激光介质的
荧光寿命。
脉宽过长，电流密度下降，发光效率低，自发辐射严重。 能量越大，脉宽越长，保证接近最佳电流密度。
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2、惰性气体灯的技术参数及寿命
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
直管式、螺旋式
（2）结构
管壁：灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻
璃制成。（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
最大300～400Wcm－2 保守值使用值50～100Wcm－2
影响着火电压和自闪电压的因素
充气电压
极间距
充气压
V火 V0 kl p
电极形状和材料 形状——电极尖，电压低。 材料——电极材料电荷发射性好，电压低。
气体纯度 少量杂质气体可使电压显著增加。 电极和管壁溅射，降低气体纯度。
固体激光器原理
固体激光器原理固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质产生激光的装置。
它具有结构简单、体积小、效率高、可靠性强等优点，在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用。
固体激光器原理是指固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
在固体激光器中，激光的产生是通过材料的受激辐射过程实现的。
下面将详细介绍固体激光器的原理。
固体激光器的工作原理主要包括三个过程，吸收、受激辐射和放大。
首先是吸收过程，固体激光器中的工作物质吸收外界能量，使得原子或分子处于激发态。
其次是受激辐射过程，当处于激发态的原子或分子受到外界激发能量的作用时，会发生受激辐射，产生与激发能量相同的光子，并且这些光子与外界激发能量的相位相同。
最后是放大过程，通过光学共振腔的作用，使得受激辐射的光子不断地在工作物质中来回反射，产生放大效应，最终形成激光。
固体激光器的原理中，工作物质的选择对激光器性能有着重要的影响。
常用的固体激光器工作物质包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Ti:sapphire等。
这些工作物质具有较高的吸收截面、较长的寿命和较宽的工作波长范围，适合用于固体激光器的制作。
此外，激光器的光学共振腔结构也是固体激光器原理中的重要组成部分，它能够提供光学反馈，使得激光得以放大并输出。
在固体激光器的原理中，激光的输出特性是一个重要的参数。
激光器的输出特性包括波长、功率、脉冲宽度、光束质量等。
这些特性直接影响着激光器的应用效果和性能表现。
因此，在固体激光器的设计和制造过程中，需要对激光器的输出特性进行精确控制和调节。
总的来说，固体激光器原理是固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
通过吸收、受激辐射和放大三个过程，固体激光器能够产生高能量、高亮度、高单色性的激光。
固体激光器的原理为固体激光器的设计和制造提供了重要的理论基础，同时也为固体激光器的应用提供了技术支持。
随着科学技术的不断发展，固体激光器原理将会得到更深入的研究和应用，为激光技术的发展做出更大的贡献。
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：
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作介质的激光器，其工作原理主要包括激发态产生、增益介质放大、谐振腔构成和输出光束等几个方面。
首先，固体激光器的工作原理涉及到激发态的产生。
在固体激光器中，通常采用外部能源（如光、电、化学能等）来激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态。
这个过程需要一定的能量输入，激发态的产生是固体激光器工作的第一步。
其次，固体激光器的工作原理还包括增益介质的放大。
在固体激光器中，激发态的原子或分子通过受激辐射的作用，向入射的光子传递能量，从而使光子的数目呈指数增长。
这一过程发生在增益介质中，增益介质通常是由稀土离子或色心等组成的晶体或玻璃材料。
另外，固体激光器的工作原理还涉及到谐振腔的构成。
谐振腔是固体激光器中的一个重要部件，它由两个反射镜构成，其中一个是部分透明的，用于输出光束。
谐振腔的作用是使激光在其中来回多次反射，从而增强激光的放大效应，最终形成输出光束。
最后，固体激光器的工作原理还包括输出光束的形成。
当激光在谐振腔中来回多次反射后，其中一部分光子会通过部分透明的反射镜逸出，形成输出光束。
这个输出光束通常具有一定的方向性和单色性，可以用于各种应用。
总的来说，固体激光器的工作原理是利用外部能源激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态，然后通过增益介质的放大和谐振腔的构成，最终形成输出光束。
固体激光器在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用，对于推动科学技术的发展具有重要意义。
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。
固体激光器原理
固体激光器原理引言固体激光器是一种基于固体材料的激光器，它利用固体材料中的激发态粒子在受激辐射的作用下发射出一束相干的激光。
固体激光器具有高效率、高能量、高稳定性等优点，广泛应用于材料加工、医学领域、科学研究等方面。
本文将介绍固体激光器的原理以及其工作过程。
原理固体激光器的工作原理基于受激辐射的过程。
当固体材料被外部能量激发时，其原子或分子的能级结构发生改变，使得一些电子被激发到高能级，形成激发态。
这些激发态的电子在适当的条件下会发生跃迁回到基态，并释放出激光光子。
这个过程称为受激辐射。
固体激光器的关键部分是激光介质。
激光介质通常由具有激发态和基态之间能级跃迁的活性离子组成。
这些活性离子可以是稀土离子（如Nd3+、Er3+）或过渡金属离子（如Cr3+、Ti3+）。
在激光介质中，这些离子被激发到激发态，然后通过受激辐射过程发射出激光光子。
为了实现受激辐射和激光放大，固体激光器通常采用光泵浦的方式来向激光介质提供能量。
光泵浦可以通过闪光灯、半导体激光器或其他激光器来实现。
光泵浦的作用是将能量传递给激光介质，从而激发其中的离子跃迁到激发态。
一旦离子处于激发态，它们就会在受激辐射的作用下发射出激光光子。
固体激光器中的激光光子在两个镜子之间被反射，形成一个光学腔。
这个光学腔通过选择性反射，使得激光光子在腔内多次来回反射，逐渐放大。
这个过程被称为光学放大。
最终，激光光子从一个镜子中逃逸，形成一束相干、高强度的激光束。
工作过程固体激光器的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.光泵浦：通过光泵浦的方式向激光介质提供能量，将其中的离子激发到激发态。
2.受激辐射：激发态的离子通过受激辐射过程发射出激光光子。
3.光学放大：激光光子在光学腔中多次来回反射，逐渐放大。
4.激光输出：激光光子从一个镜子中逃逸，形成激光束输出。
固体激光器的工作过程需要维持适当的能量供应和光学腔的稳定性。
光泵浦的能量需要满足激发离子到激发态的能量需求，而光学腔的稳定性可以通过优化腔内的补偿装置和调节器件来实现。
固体激光器
固体激光器简介固体激光器是一种基于固体材料的激光发射器件。
与其他类型的激光器相比，固体激光器具有较高的效率、较高的输出功率和较低的噪声。
它们在多个领域中得到广泛应用，包括医学、材料加工、通信和科学研究等。
在固体激光器中，激光通过在固体材料中激发原子或离子引起的电子跃迁来产生。
这些材料通常是晶体或玻璃，并且它们的结构和组成决定了激光器的性能和特性。
原理固体激光器的工作原理基于三个基本过程：吸收、放大和辐射。
首先，固体材料吸收外部激发源（例如光或电能）的能量。
这种能量转移导致材料的原子或离子中的电子被激发到更高的能级。
当电子处于这种高能级时，它们有望通过受激辐射产生辐射能量。
然后，在经历一系列非辐射过程后，高能级的电子通过自发辐射受激发射出激光光子。
这种发射过程又被称为光放大。
这些激光光子在光学谐振腔中来回反射，同时经历光放大过程，最终形成高功率、高能量的激光束。
固体材料固体激光器中常用的材料包括晶体和玻璃。
不同的材料具有不同的性质和应用。
1.晶体材料：晶体激光器最早使用的材料是人工合成的天然晶体，如红宝石 (ruby) 和人工蓝宝石 (sapphire)。
这些材料具有较高的光学透明性和较高的激光输出功率。
晶体激光器通常在固体材料中掺入外来的色心（如Cr3+）来调节激光输出的波长。
其他常见的晶体材料还包括掺铱的钛蓝宝石和掺钬的氧化铽。
2.玻璃材料：相比晶体材料，玻璃激光器具有更大的放大带宽和更高的辐射受激发射截面。
这意味着玻璃激光器可以实现更宽波长范围内的激光输出。
常见的玻璃材料包括钕玻璃、铽玻璃和铒玻璃。
无论是晶体材料还是玻璃材料，固体激光器的性能和特性都取决于材料的结构和化学成分。
应用领域固体激光器在多个领域中应用广泛。
1.医学：固体激光器被广泛用于医学领域，用于激光手术、皮肤美容、眼科手术和牙科治疗等。
例如，钕玻璃激光器被用于激光眼部手术，以纠正近视、远视和散光等眼部问题。
2.材料加工：固体激光器可以用于材料切割、焊接和打孔等加工过程。
固体激光器的原理及应用
产生激光有三个必要的条件[2]：
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。
如表1是我国激光器的发展。
1.2.3激光器的分类
1960年，梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。
2）相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3）方向性好：激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置,但即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。
1.1.3激光的特性
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
1）单色性好：普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长,使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外,激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用,已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
固体激光器基本原理以及应用
汇报人：
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
固体激光器原理教案资料
直接端面泵浦激光器
然而，端面泵浦虽然效率高，但固体激光的输 出功率受端面限制，因为端面较小时只能采用
单元的激光二极管，这就限制了泵浦光的最大
功率。如果采用功率较大的激光二极管阵列作
泵浦源，则由于阵列型二极管输出的泵浦光模
式不好，因而不易将泵浦光有效地耦合到工作
物质中，实际上降低了效率。而且由于泵浦光 的模式较为复杂，泵浦后输出的1.06μm 激光 的光束质量也不易保证。
二极管直接和光纤耦合端面泵浦固体激光器
与灯泵浦和侧面泵浦两种泵浦方式相对比，端 面泵浦的效率最高。其原因为：在泵浦激光模 式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系 统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方 面，泵浦光的模式也比较好，而产生的振荡光 的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果 好，因此，工作物质用泵浦光的利用率也相对 高一些。
（6）由于光纤激光器的諧振腔内无光学鏡片，具有免 调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无 法比拟的。
（7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意 空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简 单。
（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿 度、温度具有很高的容忍度。
（9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 （10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上， 大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。
光纤耦合端面泵浦激光器
侧面泵浦板条固体激光器要得到更大功率的激光输出， 就必然要采用泵浦功率较大的阵列型激光二极管，由 于阵列二极管的发光面较大，不可能利用端面泵浦， 因此，大多采用侧泵浦方式。这种结构的特点是，在 工作板条的一侧用激光二极管阵列，另一侧是全反器， 使泵浦光尽量集中到工作物质中。板条状激光器结构 的特点是，激光通过工作物质介质全内反射传输，这 样，激光经过工作物质的长度就大于工作物质的外形 长度，即提供了更长的有效长度。在有效长度内，工 作物质皆可直接吸收到由激光二极管发射的泵浦光， 从而较易获得大功率输出，研究开发的重点就在于发 展大功率的端面泵浦固体激光器，从激光二极管发出 的光束经光学耦合从侧面泵浦激光晶体，从而获得单 级输出的激光；并可以根据所要得到的输出功率要求 而改变激光工作物质的长度而改变激光二极管泵浦的 效率和功率。
《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。
固体激光器的原理与应用
固体激光器的原理与应用固体激光器是一种利用固态材料作为激光介质的激光器。
它通过在固体介质中注入能量，激发材料内部的激活态粒子的跃迁，产生特定波长和相干性很强的光束。
固态激光器具有高效率、高功率、高可靠性和较长的寿命等优点，被广泛应用于科学研究、医学、材料加工、光通信等领域。
固体激光器的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1. 产生激活态：固体激光器中使用的材料通常是由能级结构比较复杂的晶体或玻璃材料，例如Nd:YAG（钕：铝石榴石）晶体。
这些材料中的掺杂离子（如钕离子）被外部能量（例如光或电）激发，电子会从基态跃迁到较高能级的激活态。
2. 跃迁过程：激发态的离子会在非常短的时间内经历自发辐射跃迁，从能量较高的激发态回到能量较低的激活态，发出光子。
这个跃迁过程的能量差就对应着激光器的波长。
3. 反射：在材料两端镀有高反射镜和半反射镜，高反射镜可以使激光光束反射回材料，而半反射镜可以放出一部分激光光束。
4. 光增强：当激光光束通过激活态的材料时，会诱发更多的离子跃迁，产生更多的光子。
这个过程叫做光增强，光子数目可以指数级增加。
5. 输出激光：一部分光通过半反射镜射出，形成一束可见激光光束。
这个激光光束具有相干性好、方向性强、能量集中等特点。
固体激光器具有广泛的应用领域，以下是其中一些重要的应用：1. 科学研究：固体激光器在科学研究中扮演了重要的角色，例如用于光学测量、激光光谱学、光学材料研究等。
激光的高相干性和高功率使得这些应用成为可能。
2. 医学：固体激光器在医学领域有多种应用，例如激光医疗和激光手术。
激光可以用于治疗疾病、进行手术切割、癌症治疗等。
激光的高能量和精确性使得医生可以更好地进行操作。
3. 材料加工：固体激光器也被广泛应用于材料加工领域，例如激光切割、激光焊接、激光打标等。
激光的高能量密度可以使得材料瞬间加热，达到加工的目的，比传统加工方法更加精确和高效。
4. 光通信：固体激光器在光通信中扮演了重要的角色。
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用固体激光器是利用固体激光介质从激光管出射激光，其工作原理是通过在固体激光介质内注入能量激发原子或分子，使其处于激发态，当原子或分子从激发态跃迁至基态时，会放出激光辐射。
固体激光器具有输出功率高、波长选择范围广、重复频率高等优点，被广泛应用于材料加工、医学美容、通信、军事等领域。
固体激光器的工作原理如下：首先，通过外部能源（例如光或电）将能量输入到固体激光介质中，使其处于激发态。
当原子或分子处于激发态时，会发生跃迁，从而放出激光辐射。
这些激光光子在激光放大器中被不断放大，最终形成高功率的激光束。
通过激光输出装置，我们可以获得所需波长、功率和脉冲宽度的激光。
1.材料加工：固体激光器在材料加工领域有着重要的应用，可以用于切割、打孔、焊接、表面处理等工艺。
由于固体激光器输出功率高，能够在短时间内对材料进行高效加工，因此在工业生产中得到广泛应用。
2.医学美容：固体激光器在医学领域被用于皮肤治疗、脱毛、祛斑等美容项目。
激光束的高能量可以穿透皮肤表层，作用于深层组织，实现精确治疗效果。
3.通信：固体激光器在通信领域被用于光纤通信系统中，可以实现对光信号的发射、放大和调制，提高通信传输速率和距离。
4.军事：固体激光器在军事领域有着重要的应用，可以用于激光制导武器、激光测距、激光通信等领域，提高军事作战和侦察能力。
除了以上几个领域外，固体激光器还可以应用于科研、环境监测、光学仪器等领域，具有广泛的潜在应用价值。
在固体激光器的应用过程中，需要注意以下几点：1.固体激光器的稳定性：要保证固体激光器的光束输出稳定，功率均匀，波长一致，以满足各种应用的需求。
2.加强对固体激光器的保养和维护：固体激光器在长时间使用过程中会产生磨损或老化，需要定期维护，替换损坏部件，以延长使用寿命。
3.安全防护：固体激光器产生的高能量激光束对眼睛和皮肤有较强的危害性，使用时要做好防护工作，避免人员受伤。
总的来说，固体激光器在现代科技发展中扮演着重要的角色，其高功率、高功率密度和波长选择范围广等优点，使其在各个领域都有着广泛的应用前景。
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：固体激光材料与器件
固体激光器：固体激光材料与器件固体激光器是一种利用固体激光材料产生激光束的装置，它在科学研究、医疗、通信等领域具有广泛的应用。
本文将重点探讨固体激光材料和器件的特性与应用。
一、固体激光材料固体激光材料是指能够通过外界的能量激发而产生激光辐射的固体物质。
常见的固体激光材料包括掺铬宝石（Cr3+:Al2O3）、掺铥宝石（Tm3+:YAG）、掺铒玻璃（Er3+:Glass）等。
这些材料具有宽阈值特性、较高的效率和良好的光学性能。
掺铬宝石是最早用于激光器的固体材料之一。
它具有较宽的发射带宽，可通过调节掺杂浓度、温度等参数来改变激光波长。
掺铥宝石可以产生中红外激光，并且适用于医疗和卫星通信等领域。
掺铒玻璃是一种用于光纤激光器的重要材料，它具有较宽的增益谱段和高的光学质量。
二、固体激光器器件1. 激光泵浦源激光泵浦源用于提供合适的能量给固体激光材料，以激发其处于激发态的粒子。
常见的激光泵浦源包括氘灯、闪光灯和半导体激光器等。
氘灯是最早使用的激光泵浦源之一。
它具有较宽的光谱范围，可以激发多种固体激光材料。
闪光灯是一种高亮度、高频率的光源，适用于高能量密度的激光泵浦。
半导体激光器则具有小体积、高效率和长寿命等特点，目前被广泛应用于固体激光器中。
2. 激光谐振腔激光谐振腔用于增强激光材料的辐射能量，并使其沿着一定方向传播。
它通常由凹透镜、反射镜和输出镜等光学元件组成。
凹透镜具有放大激光束的作用，它在谐振腔中起到放大器的作用。
反射镜和输出镜则分别用于产生光路的反射和输出。
通过合理设计激光谐振腔的结构和参数，可以获得高效、稳定的激光输出。
三、固体激光器的应用1. 科学研究固体激光器在科学研究领域具有广泛的应用。
例如，固体激光器可以用于精确测量、光谱分析和激光诱导击穿等实验。
激光诱导击穿技术可以实现高精度的光纤传感和工业检测等应用。
2. 医疗固体激光器在医疗领域有重要的应用价值。
它可以用于眼科激光手术、牙科激光治疗和皮肤美容等。
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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。
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590A) (............... 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。
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
红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr 的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3后失去外层 三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电子 组态为3d3。红宝石的光谱特性就是Cr3+的3d壳层 上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子完全 暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。Cr3+在 很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变化,呈 现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通 过实验和理论分析,已确定红宝石中Cr3+的工作能 级属三能级系统。如图5-3所示。4A2是基态又是 激光下能级,其简并度g1=4,2E是亚稳态,它是由能 量差为29cm的2A和E二能级组成,其简并度都为2。 4F 和4F 是两个吸收能带。 1 2
红宝石中铬离子的能级结构
三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。 Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度 为1.38×1020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在 单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。 掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图所示
红宝石中铬离子的能级结构
轴
铝或铬
氧
Cr3+:Al2O3 六方晶系，负单轴晶体, 提拉法生长 , 粉红色 可以获得大尺寸晶体
红宝石的吸收光谱如下图所示。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近, 称为紫带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55μm附近,称为绿带或Y带。这 是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约0.1um左右。由于红宝石晶体的各向异性,它的 吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情 况下,其吸收曲线略有差别,见下图。
4
E3:三条激光谱线公共的激光
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;
二、红宝石晶体
红宝石晶体 红宝石的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质 是刚玉晶体(化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶 体。 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入 Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr3+密度ntot=1.58x1019cm-3。
第一节 概述
一、固体激光器的基本结构与工作物质
1、固体激光器结构： 由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光 系统构成的。下图是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示意图
2、固体工作物质
固体工作物质
掺杂离子
基质材料 玻璃
物理、化学性能
光谱特性 硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃
四、钕玻璃
继1960年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃 激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。 最佳掺入Nd2O3量为1%~5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为 3×1020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的 形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1~2m,直径 30~100mm,可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几 微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。 钕玻璃最大的缺点是导热 率太低,热胀系数太大,因此不 适于作连续器件和高频运转的 器件,且在应用时要特别注意 防止自身破坏。
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。
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。