5-1典型激光器介绍-固体激光器讲解
各种激光器的介绍
各种激光器的介绍激光（Laser）是光学与物理学领域中的重要研究方向之一，也是现代科学中应用最广泛的光源之一、激光器是产生、放大和产生激光的装置，它能够使光以高度有序的方式输出，并具有高度相干和高度定向的特性。
激光器可以根据不同的工作原理和激光频率，分为多种类型，下面将为大家介绍几种常见的激光器。
1. 固体激光器（Solid State laser）：固体激光器是利用固体材料作为介质的激光器。
固体激光器的工作物质通常为具有特殊能级结构的晶体或玻璃材料。
最早的固体激光器是由人工合成的红宝石晶体制成的。
它具有高度的可靠性、较高的功率输出和较宽的谱段覆盖等特点，广泛应用于医疗、测量、通信、材料加工等领域。
2. 气体激光器（Gas laser）：气体激光器是利用气体作为活性介质的激光器。
常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最早被发现和研究的激光器之一，具有连续激光输出、较高的功率密度和中远红外波段特点，广泛应用于材料加工、切割、医疗等领域。
3. 半导体激光器（Semiconductor laser）：半导体激光器是利用半导体材料作为活性介质的激光器。
它是目前应用最广泛的激光器之一，常见的有激光二极管（LD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
半导体激光器具有小巧轻便、功耗低、寿命长等特点，广泛应用于激光显示、光通信、生物医学等领域。
4. 光纤激光器（Fiber laser）：光纤激光器是利用光纤作为反射镜和放大介质的激光器。
它采用光纤的内部介质作为激光器的活性介质，激光通过光纤进行传输和放大。
光纤激光器具有高度稳定性、方便携带、适用于长距离传输等特点，广泛应用于材料加工、制造业、激光雷达等领域。
5. 半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器（如激光二极管）泵浦固体材料产生激光的激光器。
它继承了固体激光器的高功率、高效率和稳定性等特点，同时又具有半导体激光器小尺寸、低功耗等优势。
固体激光器-第一讲
激
光 器
2.
石榴石（YAG）
• • • • • •
哈工大光电子信息科学与技术系
§1.3 固体工作物质
固 体
3. 铝酸钇YAlO3(YAP)
• • • • • Y2O3和Al2O3，1:1混合物，负单轴晶体 可线偏振光输出 生长快速 物理和机械性质与YAG类似 可选择不同的结晶方向，得到不同的光谱特性，实现高增益，低阈值或者调 Q所需的低增益，大储能。 • 可掺杂Nd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。
与激光电源系统的结构、类型及灯的参数等有关，约50%；
② 聚光腔的聚光效率
激
光 器
聚光腔的类型、内表面反射情况、泵灯与激光棒尺寸匹配以及冷却滤光 系统的光能损失有关，约80%；
③ 激活粒子的吸收效率
取决于灯的发射、工作物质的吸收带、工作物质的体积及激活离子的浓 度。对灯约20%，对半导体可达到80%~90%；
固 体
1. 稀土离子
• 钕（Nd3＋）
• 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
激
光 器
• 铒（Er3＋）
• 实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基质中的 受激发射。 • 1.53~1.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。 • 常用的Er3＋:YAG经敏化，最易其振，输出波长为2.9um。
哈工大光电子信息科学与技术系
Nd:YAG接近1
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§1.2 固体激光器的基本特性
固 体
斯托克斯效率：
激
光 器
vl vp
l , 激光频率 p , 泵浦光频率
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。
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。
详解固体激光器
详解固体激光器详解固体激光器详解固体激光器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，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。
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。
激光器的分类介绍
激光器的分类介绍激光器是一种产生聚集一束光的装置，其主要特点是具有极高的单色性、方向性和相干性。
激光器广泛应用于医学、通信、制造、科学研究等领域。
根据原理和应用的不同，激光器可以分为多种类型。
下面将对常见的激光器分类进行介绍。
1.固体激光器固体激光器是利用其中一种固态材料产生激光的装置，通常包括晶体激光器和玻璃激光器。
其中，晶体激光器利用激活态离子在晶体内部的能级跃迁发射激光，常见的晶体有Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体等；而玻璃激光器则是利用包含稀土离子（如Nd、Er）的玻璃产生激光。
固体激光器具有高效率、长寿命、较高的功率输出等优点，广泛应用于医学激光手术、材料加工等领域。
2.气体激光器气体激光器是利用气体的分子、原子激发态跃迁产生激光的装置，常见的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器等。
氦氖激光器（He-Ne激光器）是最早发展起来的激光器之一，主要用于教学演示、测量和光学仪器中；而氩离子激光器则具有较高的功率输出和较宽的光谱范围，适用于多种应用领域，如材料加工、光刻、医学等。
3.半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料，通过注入电子与空穴的复合辐射出激光的装置。
半导体激光器具有体积小、功率效率高、寿命短、驱动电流低等优点，广泛用于信息通信、光存储、激光打印等领域。
另外，半导体激光器还可以通过堆积多个激光二极管，形成多模或多波长激光，提高输出功率和多功能应用。
4.准分子激光器准分子激光器是利用被激发态分子在材料内部的能级跃迁产生激光的装置。
其中，较常见的准分子激光器是二氧化碳激光器（CO2激光器），通常工作在中红外光谱区域，广泛应用于工业加工（切割、焊接）、医学手术、测量等领域。
此外，还有氟化氢激光器（HF激光器）、分子氮激光器等。
5.光纤激光器光纤激光器是利用光纤内的激光表面反射和倍增效应产生激光的装置。
光纤激光器的输出光束质量好，功率密度高，可以实现对光束的精细调控和方向性扩展。
光纤激光器具有高可靠性、耐用性强等特点，广泛应用于通信、材料加工、医学等领域。
《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。
5-1典型激光器介绍-固体激光器讲解
3.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表 面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 4. 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。 常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和 传导冷却等，其中以液冷最为普遍。
§
5 1 固 体 激 光 器
5.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤 去泵浦光中的紫外光谱。
激光谱线
泵浦源
由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励
*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上 *泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。 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 阈值低、有优良的热学性质、 适于连续和高重复率工作；是 目前能在室温下连续工作的唯 一实用的固体工作物质
§
5 1 固 体 激 光 器 .
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
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5.1.2 固体激光器的泵浦系统
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1. 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。
2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆 柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成 的。图5-1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)。
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
§
5 1 固 体 激 光 器 .
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5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
固体激光器及其应用
固体激光器及其应用
固体激光器是一种使用固体材料作为激光介质的激光器。
它通常由一个激活剂（通常是稀土元素）和一个基质组成。
当激活剂受到外部能量激发时，它会释放出光子并与基质中的原子相互作用，从而产生激光。
固体激光器具有以下一些特点：
1. 高功率输出：固体材料具有较高的能量存储密度，可以实现高功率激光输出。
2. 长寿命：固体材料的寿命通常较长，可以连续工作数千小时。
3. 较低的散射损耗：固体材料通常具有较小的散射损耗，可以实现高效的激光转换。
4. 宽波长范围：固体材料可以实现从紫外到近红外等多个波长范围的激光输出。
固体激光器有广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：1. 切割和焊接：固体激光器可以产生高功率激光束，用于金属切割和焊接工艺。
2. 材料加工：固体激光器可以用于玻璃、陶瓷、塑料等材料的微加工，如打孔、刻字等。
3. 医学领域：固体激光器可用于激光手术、激光治疗、激光诊断等医学应用。
4. 科研实验：固体激光器可用于物理学、化学等科研领域的实验研究，如光谱分析、原子冷却等。
5. 通信和雷达：固体激光器可以用于光纤通信、激光雷达等领域，实现高速数据传输和距离测量。
总而言之，固体激光器具有高功率、长寿命和宽波长范围等优点，其应用领域十分广泛，包括材料加工、医学、科研等多个领域。
各种典型激光器原理
各种典型激光器原理激光器是一种产生、放大和输出激光光束的器件，是现代科学和工程领域中重要的设备之一、激光器的工作原理有多种类型，下面将介绍几种典型的激光器原理。
1.固体激光器固体激光器是利用固体材料中的电子跃迁产生激光。
其中，最常见的原理是通过注入能量来激发固体材料中的激活离子，而这些激活离子会通过受激辐射而释放出激光。
固体激光器中常用的激活离子有Nd3+、Er3+和Cr3+等。
这种类型的激光器通常使用将激发能量输送给激活离子的光泵浦器，例如激光二极管。
从而激活离子跃迁到高能级，最终产生激光。
2.气体激光器气体激光器是利用气体放电产生激光的器件。
其中最典型的是氦氖激光器（He-Ne激光器），其工作原理是通过在氦气与氖气混合的管道中通过直流或射频电波产生气体放电，激活氖离子，使其跃迁产生激光。
氦氖激光器的激光波长通常在632.8纳米，属于可见光范围。
气体激光器还包括二氧化碳激光器和氩离子激光器等。
3.半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料中电子和空穴的复合过程产生激光。
通常使用p-n结构的半导体材料（如GaAs、InGaAs等），通过向p区注入电流，通过与n区的电子复合生成激光。
这种类型的激光器结构简单、小型化、功耗低，广泛应用于通信、激光打印机等领域。
4.光纤激光器光纤激光器是利用光纤的增益介质产生和放大光信号的激光器。
典型的光纤激光器是光纤光放大器（EDFA）和光纤光源（EFL）。
工作原理是通过将其中一种激活离子（如铒）掺杂到光纤核心中，通过泵浦光在光纤中引起激活离子的受激辐射，从而产生激光。
光纤激光器具有高增益、窄谱线特性和高可靠性等优点，广泛应用于通信、医疗和科研领域。
5.CO2激光器CO2激光器是一种以CO2气体为工作物质产生激光的器件。
其工作原理是利用CO2气体分子的振动和旋转能级跃迁来放大激光信号。
通过电子放电激发CO2气体分子至激发态，然后利用电子和激发态分子的碰撞来将能量转移给其他CO2分子，产生连续激光。
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。
固体激光器研究特点和应用
固体激光器研究特点和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。
与其他类型的激光器相比，固体激光器具有许多独特的特点和应用。
本文将重点介绍固体激光器的研究特点和应用。
一、研究特点1.高效能固体激光器具有高能量转换效率和高光束质量，这使得它们在很多应用中都具有重要的作用。
例如，在医学、工业和军事领域，固体激光器广泛用于切割、焊接、打孔、标记和测量等领域。
2.宽波长范围固体激光器可以产生多种波长的激光，包括可见光、红外线和紫外线等。
这使得它们可以用于许多不同的应用，例如医学成像、材料加工和光学通信等。
3.长寿命固体激光器的寿命通常比气体激光器和半导体激光器长得多。
这是由于固体激光器的稳定性更好，使用寿命更长。
因此，它们通常比其他类型的激光器更经济实用。
4.可调谐性固体激光器可以通过改变激光介质的性质来调节激光的波长和频率。
这使得它们可以用于多种应用，例如光学通信、光谱分析和材料加工等。
5.高功率输出固体激光器可以产生高功率的激光，这使得它们在需要大量能量的应用中非常有用。
例如，在工业领域，固体激光器通常用于切割和焊接等高功率应用。
二、应用1.医学固体激光器在医学领域有广泛的应用。
例如，它们可以用于眼科手术、皮肤治疗和牙齿美容等。
固体激光器的高功率输出和可调谐性使其成为一种理想的医疗工具。
2.工业固体激光器在工业领域中也有广泛的应用。
例如，它们可以用于金属加工、电子制造和汽车制造等。
固体激光器的高效能和高功率输出使其成为一种理想的工业工具。
3.军事固体激光器在军事领域中也有广泛的应用。
例如，它们可以用于导航、通信和武器系统等。
固体激光器的高功率输出和可调谐性使其成为一种理想的军事工具。
4.科学研究固体激光器在科学研究领域中也有广泛的应用。
例如，它们可以用于光学光谱学、量子光学和材料科学等。
固体激光器的高可调谐性和高功率输出使其成为一种理想的科研工具。
固体激光器具有高效能、宽波长范围、长寿命、可调谐性和高功率输出等独特的特点和应用。
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：
激光器分类固体激光器气体激光器液体激光器介绍
激光器分类固体激光器气体激光器液体激光器介绍0000激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型:1)固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。
如:nd:yag激光器。
nd(钕)是一种稀土族元素，yag代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。
(2)半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。
半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。
(3)气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。
气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。
在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。
气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。
(4)以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。
现在已发现的能产生激光的染料，大约在500种左右。
这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。
它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。
所以染料激光器也称为"液体激光器"。
染料激光器的突出特点是波长连续可调。
燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。
(5)红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。
(6)x射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势;生物学家用x射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能;用x射线激光拍摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。
(7)化学激光器有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。
(8)自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。
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。
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3.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表 面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 4. 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。 常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和 传导冷却等，其中以液冷最为普遍。
§
5 1 固 体 激 光 器
5.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤 去泵浦光中的紫外光谱。
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5.1.4 新型固体激光器
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
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与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点 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。
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图(5-6) 椭圆柱聚光腔
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5.1.3 固体激光器的输出特性
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
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的短脉冲(或 称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)m，各短脉冲之间的间隔 约为(510) s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。 2. 转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率 描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成 的。图5-1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)。
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
§
5 1 固 体 激 光 器 .
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5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
5 1 固 体 激 光 器
2. 可调谐固体激光器 可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属 离子的激光晶体制作的可调谐激光器。
§
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5.1.4 新型固体激光器
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
激光谱线
泵浦源
由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励
*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上 *泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。 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 阈值低、有优良的热学性质、 适于连续和高重复率工作；是 目前能在室温下连续工作的唯 一实用的固体工作物质
t
§
5 1 固 体 激 光 器 .
Pout Pth 21 1 L c ab1 cou Pin P in p
t
Eout Eth 21 1 L c ab1 cou Ein Ein p
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
2.红宝石激光器
§
5 1 固 体 激 光 器
图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构
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5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) 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。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)， YAG中Nd3＋与激光产生有 关的能级结构如图(5-5)所示。它属于四能级系统。
§
5 1 固 体 激 光 器 .
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
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5.1.2 固体激光器的泵浦系统
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
1. 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。
2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆 柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。
3. 高功率固体激光器
高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提 出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
§
5 1 固 体 激 光 器
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
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泵浦特点
优缺点
§
5 1 固 体 激 光 器 .
输出特性
大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米 转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比)
总体效率大概为0.5大；峰值功率高；
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5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
固体激光器
第 五 章 典 型 激 光 器 介 绍
红宝石激光器
工作物质
YAG激光器
Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3 ＋决定光谱性能
Al2O3＋Cr2O3
；Cr3＋决定光谱性能
物理过程
三能级系统
0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占优 势 脉冲氙灯
四能级系统
1.35μm +1.06μm；一般只 产生1.06μm 氪灯