全固态激光器技术
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博士生专业必修课程
全固态激光器技术
DPSSL
2012，04，09
课时安排
第一讲：全固态激光技术的基本概念 （LD泵浦固体介质）
第二讲：全固态激光器的发展水平及 研发实例介绍
目的了解DPSSL基础知识！
课程形式、目标
专题介绍，围绕重点 掌握概念，了解特性，知晓组成
根据需求，设计原则，技术关键
参考书目
在某种意义上， 效率是颠覆性的
指标！
百分之几十
了解SSL、DPSSL、DPFL非常有必要！
全固态激光器技术基本概念
激光器概述 激光器经典理论基础 激光器传统技术基础 新型光纤激光技术 非线性谐波转换技术
激光（Laser）的物理过程？
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。
美国休斯研究室： T• H• 梅曼，红宝石
组成激光器的要素
激光器组成三要素：
1. 工作介质（增益介质） 2. 抽运源（泵浦源：电、光、化学） 3. 谐振腔（具有正反馈功能）
辅助单元：冷却系统
激光器的分类？
按工作介质分类： ✓ 固体激光器 ✓ 液体激光器 ✓ 气体激光器 ✓ 半导体激光器 ✓ 光纤激光器
Solid-State Laser Engineering -------- By Walter Koechner
Optoelectronics An introduction ---------By John Wilson
Laser Focus World SPIE、CLEO 会议专题文集 Applied Physics Letters Optics Letters（Optics Express） Optics Communication
固态激光器技术发展历程回顾
The 3rd innovation： 自然界令人叹
服的神奇巧合
The invention of the diode-pumped laser，primarily the diode-pumped Nd:YAG laser。
Appl. Phys. Lett. 1969 J. Appl. Phys. 1973
20世纪80年代中后期，基于量子阱材料的大 功率半导体二极管问世，固体激光器的泵浦 源从灯泡变成半导体，DPSSL问世，器件发 生了更新换代，面貌为之一新。
DPSSL不仅效率高、寿命长，而且光束质量 大为改善，脉冲重复频率可提高，没有紫外 辐射，扩大了可用的激光材料品种，大幅度 提升了固体激光器的地位和作用。
LD 与 LED区别
LD, instead of LED, made diode-pumped lasers practical. Laser diodes have two orders of magnitude lower divergence as well as an order of magnitude smaller bandwidth than light emitting diodes, greatly enhancing laser efficiency.
固态激光器技术发展历程回顾
为什么介绍DPSSL技术？
1. 激光技术发展的热点； 2. 技术/器件应用非常广泛； 3. 涵盖激光器技术全部； 4. 空间中心研究方向之一； 5. 高效率、高可靠、环境友好； 6. 空间激光、激光武器......
LFW的统计资料
LFW的统计资料
电插拔效率 --- 核心原因
千分之几 百分之几
可调谐SSL实用化
最早的可调谐固体激光器，1966 Ni:MgF2 & Co:MgF2 laser
Low gain & cryogenic cooling
-----Phys. Rev. 1966
固体介质可调谐理论
当光子的受激发射与晶固格定中能振级动的量跃迁子 （声子）的发射存在耦转合移时给，连固续体能量激 光电器子就振可动以的实 激现光可器调中谐，的 能发激声 量射光子 分。跃获布在迁得的这的连光续子种总 能量是固定的，但可以连续地分配到 各个声子中。因此，激光输出波长的 调谐范围很大。
1961年 长春光学精密机械研究所
直氙灯、镀银、开口
发明激光器的技术基础
Charles H. T颠o覆了w“n必e须在s,一个尺度 和波长可比拟的封闭的谐
Nikolai
G.
Basov, 振腔内利用自由电子与电 磁场相互作用实现电磁波
Aleksander 放M大和. 振P荡r”o的k概h念o！rov
工作物质 & 泵浦（激励）源
固态激光器技术发展历程回顾
The 1stBiblioteka Baiduinnovation： The invention of the laser itself，a solid state Cr:Al2O3 laser。
----------- T. H. Maiman
300字的短文
中国第一台红宝石激光器
60年Laser出现
固态激光器技术发展历程回顾
The 2nd innovation：
The invention of tunable solid state
lasers such as Cr:BeAl2O4 and
Ti:Al2O3
IEEE JQE. 1980 J. Opt. Soc. Amer. B 1986
实现 氨分子的MASER ----------- 1954年
Charles H. Townes, Arthur L. Schawlow 提出开放式谐振腔 概念
----------- 1958年
Nicolaas Bloebergen 提出光泵 浦实现原子数反转分布构想
氨分子Maser ----- 贯通原理 开放式大尺度谐振腔 -- 结构 粒子数反转有手段 ---- 途径 合适的材料 ---- 物质前提
激光器的类别划分
按工作方式分类
连续（CW）输出激光器 脉冲（Pulsed）输出激光器 调Q（Q-switched）输出激光器 锁模（M-L）输出激光器
种子注入锁定激光器
……
全固态激光器？
约定成俗的说法：
采用半导体激光器作为泵浦源，抽 运固态增益介质而获得激光输出的 激光器组合。 ----- DPSSL
全固态激光器技术
DPSSL
2012，04，09
课时安排
第一讲：全固态激光技术的基本概念 （LD泵浦固体介质）
第二讲：全固态激光器的发展水平及 研发实例介绍
目的了解DPSSL基础知识！
课程形式、目标
专题介绍，围绕重点 掌握概念，了解特性，知晓组成
根据需求，设计原则，技术关键
参考书目
在某种意义上， 效率是颠覆性的
指标！
百分之几十
了解SSL、DPSSL、DPFL非常有必要！
全固态激光器技术基本概念
激光器概述 激光器经典理论基础 激光器传统技术基础 新型光纤激光技术 非线性谐波转换技术
激光（Laser）的物理过程？
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。
美国休斯研究室： T• H• 梅曼，红宝石
组成激光器的要素
激光器组成三要素：
1. 工作介质（增益介质） 2. 抽运源（泵浦源：电、光、化学） 3. 谐振腔（具有正反馈功能）
辅助单元：冷却系统
激光器的分类？
按工作介质分类： ✓ 固体激光器 ✓ 液体激光器 ✓ 气体激光器 ✓ 半导体激光器 ✓ 光纤激光器
Solid-State Laser Engineering -------- By Walter Koechner
Optoelectronics An introduction ---------By John Wilson
Laser Focus World SPIE、CLEO 会议专题文集 Applied Physics Letters Optics Letters（Optics Express） Optics Communication
固态激光器技术发展历程回顾
The 3rd innovation： 自然界令人叹
服的神奇巧合
The invention of the diode-pumped laser，primarily the diode-pumped Nd:YAG laser。
Appl. Phys. Lett. 1969 J. Appl. Phys. 1973
20世纪80年代中后期，基于量子阱材料的大 功率半导体二极管问世，固体激光器的泵浦 源从灯泡变成半导体，DPSSL问世，器件发 生了更新换代，面貌为之一新。
DPSSL不仅效率高、寿命长，而且光束质量 大为改善，脉冲重复频率可提高，没有紫外 辐射，扩大了可用的激光材料品种，大幅度 提升了固体激光器的地位和作用。
LD 与 LED区别
LD, instead of LED, made diode-pumped lasers practical. Laser diodes have two orders of magnitude lower divergence as well as an order of magnitude smaller bandwidth than light emitting diodes, greatly enhancing laser efficiency.
固态激光器技术发展历程回顾
为什么介绍DPSSL技术？
1. 激光技术发展的热点； 2. 技术/器件应用非常广泛； 3. 涵盖激光器技术全部； 4. 空间中心研究方向之一； 5. 高效率、高可靠、环境友好； 6. 空间激光、激光武器......
LFW的统计资料
LFW的统计资料
电插拔效率 --- 核心原因
千分之几 百分之几
可调谐SSL实用化
最早的可调谐固体激光器，1966 Ni:MgF2 & Co:MgF2 laser
Low gain & cryogenic cooling
-----Phys. Rev. 1966
固体介质可调谐理论
当光子的受激发射与晶固格定中能振级动的量跃迁子 （声子）的发射存在耦转合移时给，连固续体能量激 光电器子就振可动以的实 激现光可器调中谐，的 能发激声 量射光子 分。跃获布在迁得的这的连光续子种总 能量是固定的，但可以连续地分配到 各个声子中。因此，激光输出波长的 调谐范围很大。
1961年 长春光学精密机械研究所
直氙灯、镀银、开口
发明激光器的技术基础
Charles H. T颠o覆了w“n必e须在s,一个尺度 和波长可比拟的封闭的谐
Nikolai
G.
Basov, 振腔内利用自由电子与电 磁场相互作用实现电磁波
Aleksander 放M大和. 振P荡r”o的k概h念o！rov
工作物质 & 泵浦（激励）源
固态激光器技术发展历程回顾
The 1stBiblioteka Baiduinnovation： The invention of the laser itself，a solid state Cr:Al2O3 laser。
----------- T. H. Maiman
300字的短文
中国第一台红宝石激光器
60年Laser出现
固态激光器技术发展历程回顾
The 2nd innovation：
The invention of tunable solid state
lasers such as Cr:BeAl2O4 and
Ti:Al2O3
IEEE JQE. 1980 J. Opt. Soc. Amer. B 1986
实现 氨分子的MASER ----------- 1954年
Charles H. Townes, Arthur L. Schawlow 提出开放式谐振腔 概念
----------- 1958年
Nicolaas Bloebergen 提出光泵 浦实现原子数反转分布构想
氨分子Maser ----- 贯通原理 开放式大尺度谐振腔 -- 结构 粒子数反转有手段 ---- 途径 合适的材料 ---- 物质前提
激光器的类别划分
按工作方式分类
连续（CW）输出激光器 脉冲（Pulsed）输出激光器 调Q（Q-switched）输出激光器 锁模（M-L）输出激光器
种子注入锁定激光器
……
全固态激光器？
约定成俗的说法：
采用半导体激光器作为泵浦源，抽 运固态增益介质而获得激光输出的 激光器组合。 ----- DPSSL