固体激光器论文(17页).doc
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1、-固体激光器论文-第 - 12 - 页摘 要固体激光器由于功率能量较大而机械工作简单等特点,现在在各行各业都有很好的应用,并且朝着更加发展的方向迈进。本文先系统阐述了固体激光器的起源、基本结构、工作原理;再特别列举了几种典型的固体激光器,通过相互比较而总结出了固体激光器的优缺点;然后对固体激光器在工业加工、军事领域和生物医学等三个方面的应用进行了介绍;最后分析出了固体激光器的发展方向。关键词:固体激光器;激光器;工作原理;基本结构;应用ABSTRACTSolid state laser because of it,s high power energy and the characterist
2、ics of simple mechanical work ,now have good application in all walks of life,and toward more development direction.This paper first systematically expounded the origin solid laser system,basic structure,working principle;More specifically enumerated several kind of typical solid laser,by comparing
3、with each other and summarizes the advantages and disadvantages of solid state laser;Then in solid state laser industrial processing,military field and the application of the three aspects such as biomedical are introduced;In the final analysis the development direction of solid state laser.Keywords
4、:Solid-state laser;Laser;Working Principle;Basic Structure;Application目 录第一章 引言1第二章 激光与激光器22.1激光22.1.1激光(LASER)22.1.2激光产生的条件22.1.3激光的特性22.2激光器的发明与发展22.3激光器的类型3第三章 固体激光器53.1固体激光器的工作原理和基本结构53.2典型的固体激光器73.2.1红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)73.2.2掺钕钇铝石榴石激光器(Nd3+:YAG)83.2.3掺铒钇铝石榴石激光器(Er:YAG)93.2.4可调谐固体激光器103.2.5二极管泵浦的
5、固体激光器113.3固体激光器的优点与缺点113.4典型固体激光器的对比12第四章 固体激光器的应用134.1工业加工中的应用134.2军事领域的应用144.3生物医学中的应用16第四章 展望18参考文献19致 谢20第一章 引言激光是人类上世纪发明的最杰出的技术之一。自上世纪60年代,梅曼发明了全球首台激光器以来,激光技术发展至今已经硕果累累,并且已经在各行各业普遍应用。从固体激光器诞生至今,都是备受人们的关注。因其具有峰值功率高,输出能量大,以及结构紧凑耐用等特点,所以在各方面都有广大的用途,具有不可估量的价值。依靠这些特点,固体激光器在科研、国防、工业、医疗等领域获得了大量的应用,使我们
6、的生活越来越便利。目前激光器发展方向是体积更小、重量更轻、效率更高、光束质量更好、可靠性更高、寿命更长、运转更灵便的全固态激光器。全固态激光器的应用扩展到了各个领域,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,所以是最具前景的激光发展方向,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,激光技术的广泛应用,成为企业向信息化转型的重要力量,
7、而且推动了整个高新技术链条的有序发展。激光高新技术在国民经济建设、国防和科技领域发挥着不可替代的关键作用,是一项具有战略性、全局性和引领性的战略高新技术。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,英文名称Laser。2.1.2激光产生的条件激光产生的条件有三个:1) 有能够实现能级跃迁的工作介质作为激活介质,使上能级和
8、下能级之间形成粒子数反转;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,使工作物质持续的受激辐射,达到给光子加速的目的;二是对于激光的发射方向进行干涉;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不同,所以激光具有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
9、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。相干性是指不再同一环境下不同波长之间的相互情况。该指标包含空间和时间两方面的内容;空间相干性是指用来对垂直与光的传播方向上各波长之间的相互联系,时间相干性则是平行于光的传播方向上各波长之间的相互联系。2.2激光器的发明与发展上世纪20年代,爱因斯坦的光子受激辐射原理为激光的产生提供了巨大的基础,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。受激辐射光受到了光放大,并且是相干光,即
10、具有相同的发射方向、位相、频率与偏振。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,不久之后有发现了微波的受激发射,这为以后的激光器发展奠定了基础。1956年,荷兰的物理学家Bloembergen提出了通过光泵浦三能级原子系统将粒子束进行反向排列。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有了很大的帮助。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,第一台CO2激
11、光器顺利研发成功,这是第一台对可以生产大功率的激光器。紧接着X射线激光器也顺利研发成功。现在各行各业对激光技术都有广泛的应用。而对于我国激光器的研究进展,由下表2.1可以清晰的看到:表2.1 我国激光器的发展情况名称研制成功时间研制人He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等脉冲Ar+激光器1964年10月万重怡等CO2分子激光器1965年9月王润文等CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等YAG激光器1966年7月屈乾华等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
12、,现在各行各业都有激光技术的成功运用。激光器的种类较多,我们可以按照以下的分类方式将其分类:1)工作物质:按照这种方式我们可以将其分为固体、气体、液体、半导体、光纤以及自由电力等五种激光器。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。 按输出波长的不同来分类,可分为红外激光器、可见激光器、紫外激光器和X射线激光器。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
13、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:图3.1 固体激光器的基本结构示意图1) 工作物质工作物质是激光器作用的关键部分,它由激活粒子和基质构成。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。根据这些金属粒子的能级构造不同,我们可将其分成三、四能级系统。我们现在普遍使用的工作物质的形态主
14、要是圆柱、平板、圆盘以及管状四种。2)泵浦系统泵浦系统的作用是提供能量,从而使在工作物质中上下能级的粒子数处于反转状态,目前最主要采用的方式是光泵浦。泵浦系统工作的时候需要的前提工作条件是:一是泵浦的发光效率一定要满足系统的运行;二是对于辐射光的属性要和工作物质的工作光谱相一致。我们还有经常使用的泵浦源有:太阳能、惰性气体等和LD激光器等。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类的泵浦源经常用到,现在我们这方面的技术正在向LD泵浦源方向发展,这类泵浦源优点较明显: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
15、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。图3.2 二极管泵浦方式结果示意图3) 聚光系统该部分主要有以下两个功能:首先是把工作物质和泵浦源进行连接;第二个功能则是对于工作物质的光密度排列方式起着决定作用,进而可以对光束的各种参数性能指标进行干扰。聚光腔内由工作物质以及泵浦源组成,所以泵浦的性能好坏影响程度主要受到聚光腔的影响。现在一些比较小的固体激光器常常采用如图3.3所示的椭圆形腔。图3.3 椭圆形聚光腔4) 光学谐振腔反射镜是固体激光器非常重要的组成成员,其中全光学的谐振腔包括反射和部分反射镜两部分。反射镜的主要作用是通过保持激
16、光的连续振荡形式来完成激光发生,而且对于光束的振动方向以及频率予以约束,从而达到激光的高性能指标参数。现在我们经常使用的固体激光器都是由两个平面镜组成的谐振腔。5)冷却与滤光系统在激光器中最不可或缺的辅导装置是冷却与滤光系统。由于固体激光器在工作中容易产生非常严重的热效应,故一般必须采取冷却措施。为了使得激光器和其他构件的安全,我们一般都是通过对工作物质、泵浦系统以及聚光腔的降温冷却来实现对其的保护作用。现在的冷却有液体、气体和传导三种方法,但是液体冷却法是现在最喜欢使用的一种。在高单色性能的光获取过程中,滤光系统起了重要的作用,它的作用原理是能够把泵浦光中的大部分或者有影响的光能够成功的去除
17、,从而能够获得高单色性能的光。3.2典型的固体激光器随着这类技术多年的发展积累,现在固体激光器的种类更是多种多样,但是我们最经常使用的还是红宝石、掺钕钇铝石榴石、二极管泵浦以及可调谐固体激光器等四类。3.2.1红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)红宝石是掺有少量Cr3+离子的蓝宝石(Al2O3),红宝石激光器的工作物质是红宝石晶体(Cr3+:Al2O3), 其中Cr3+是发光的激活粒子,而Al2O3是基质晶体6。Cr3+是三能级系统,关系着固体激光器的光谱特性。在室温条件下,红宝石激光器通常输出激光波长为694.3nm的红光。输出激光的光谱线宽一般为0.010.1nm。由于红宝石为单轴晶体,存
18、在双折射现象,所以红宝石激光器既可输出无偏振光,也可输出线偏振光。如下图3.4为红宝石中铬离子的能级结构。图3.4 铬离子的能级结构图这类激光器具有如下的优点:1)激光器机械硬度大、稳定性较好,能够接受功率密度较大的激光,而且生产的光的尺寸也较大;2)使用时间长,内存大,能够有大能量的激光发射;3)激光频谱较大,能够轻易的获得高能量的单膜;4)它的性能稳定、可以输出波长为400760nm 的光。在我们实际的工程领域,这类激光器具有较好的市场,因为大多数的传感器能够响应的波长在可见光处,并且很多的稀土类四能级的工作波长也都是处于400760nm附近。其次,对于全息照相等应用需要使用可见光作为光源
19、。当然任何事物都有两面性,红宝石激光器也难免会有缺点:首先它是三能级的构造,构建的阈值较大;其次晶体的性能指标对于温度具有很强的敏感性;然后,对于它的激发频率比较低,这就导致了它能够长时间的工作;最后发散角输出通常为310mrad,偏大。如下图3.5所示,这是我国首台红宝石激光器,这台激光器在光的激发形式上,处于世界级领先水平。图3.5 中国第一台红宝石激光器3.2.2掺钕钇铝石榴石激光器(Nd3+:YAG)这类是四能级系统的激光器,它的工作效率较高,使用时间长以及工作的阈值较低,输出的波长较低,所以能够长时间的进行工作。它与红宝石激光器的构造基本相同。由于它的工作物质和与其对应的光泵不同,所
20、以能够实现长时间的工作。这类激光器的晶体是以YAG为基础材质,混入适当的Nd3+共同组成了晶体结构。钇铝石榴石晶体有以下的优点:热的传导效率较快,这样就对激光器的连续工作提供了有利的条件;三价稀土离子的钇铝石榴石晶体具有1970的熔点,能够承受较大的辐射;它的荧光宽度仅为6.5cm,所以它的工作阈值较小;荧光量子的工作效率可近似的接近于1,是现在固体激光器中非常优秀的工作物质。连续的三价稀土离子:激光器利用氪灯或碘钨灯作为泵浦的光源。氪灯与氙灯的构造基本相同,区别是它的灯管内充有大气压为2到4的氪气。在750nm和810nm处线状谱具有很高的发射谱线,这就与三价稀土离子的吸收带相吻合。该类激光
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