固体激光器原理教案资料.ppt
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1、固体激光器原理n n自第一台红宝石激光器问世,固体激光器就一自第一台红宝石激光器问世,固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位,特别是在直占据了激光器发展的主导地位,特别是在2020世纪世纪8080年代出现的半导体激光器以及在此基础年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长量轻、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领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器已有已有50
2、0500余种,但从余种,但从19981998年开始,固体激光器年开始,固体激光器中的中的Nd:YAGNd:YAG激光器的市场占有率和销售额已激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。升为第一位。n n2)2)性能可靠、寿命长:激光二极管的寿命大大性能可靠、寿命长:激光二极管的寿命大大长于闪光灯,达长于闪光灯,达1500015000小时以上,而闪光灯的小时以上,而闪光灯的寿命只有寿命只有300-1000 300-1000 小时。激光二极管的泵浦小时。激光二极管的泵浦能量稳定性好,比闪光灯泵浦优一个数量级,能量稳定性好,比闪光灯泵浦优一个数量级,性能可靠,可制成全固化器件。运行寿命长,性能可靠,可制
3、成全固化器件。运行寿命长,成为至今为止唯一无需维护的激光器,尤其适成为至今为止唯一无需维护的激光器,尤其适用于大规模生产线。用于大规模生产线。n n3)3)输出光束质量好:由于二极管泵浦激光的高输出光束质量好:由于二极管泵浦激光的高转换效率,减少了激光工作物质的热透镜效应,转换效率,减少了激光工作物质的热透镜效应,大大改善了激光器的输出光束质量,激光光束大大改善了激光器的输出光束质量,激光光束质量已接近理论极限质量已接近理论极限M2=1M2=1。二、全固化固体激光器结构及特点二、全固化固体激光器结构及特点n n全固化固体激光器可分为两类:二极管泵浦固体激光器和光纤激光器。现将其结构和特点分别叙
4、述如下。1.二极管泵浦固体激光器n n激光二极管泵浦固体激光器的种类很多,可以激光二极管泵浦固体激光器的种类很多,可以是连续的、脉冲的、调是连续的、脉冲的、调Q Q 的,以及加倍频混频的,以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状的。而泵浦的耦合方式又分为直接端面泵条状的。而泵浦的耦合方式又分为直接端面泵浦、光纤耦合端面泵浦和侧面泵浦三种结构。浦、光纤耦合端面泵浦和侧面泵浦三种结构。泵浦所用的激光二极管或激光二极管阵列出射泵浦所用的激光二极管或激光二极管阵列出射的泵浦光,经由会聚光学系统将泵浦光耦合到的泵浦光,经由会聚光学系统将泵浦光耦合
5、到晶体棒上,在晶体棒的泵浦耦合面上为减少耦晶体棒上,在晶体棒的泵浦耦合面上为减少耦合损失而镀有对激光二极管波长的增透膜。同合损失而镀有对激光二极管波长的增透膜。同时,该端面也是固体激光器的谐振腔的全反端,时,该端面也是固体激光器的谐振腔的全反端,因而端面的膜也是输出激光的谐振腔,起振后因而端面的膜也是输出激光的谐振腔,起振后产生的激光束由输出镜耦合输出。产生的激光束由输出镜耦合输出。二极管直接和光纤耦合端面泵浦固体激光器n n与灯泵浦和侧面泵浦两种泵浦方式相对比,端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:在泵浦激光模面泵浦的效率最高。其原因为:在泵浦激光模式不太差的
6、情况下,泵浦光都能由会聚光学系式不太差的情况下,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好,因此,工作物质用泵浦光的利用率也相对高一些。高一些。直接端面泵浦激光器n n然而,端面泵浦虽然效率高,但固体激光的输然而,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出功率受端面限制,因为端面较小时只能采用单元的激光
7、二极管,这就限制了泵浦光的最大单元的激光二极管,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,泵浦后输出的的模式较为复杂,泵浦后输出的1.061.06m m 激光激光的光束质量也不易保证。的光束质量也不易保证。n n针对这一弱点,人们又进一步发展了光纤耦合针对这一弱点,人们又进一步发展了
8、光纤耦合的端面泵浦和侧面泵浦方式。端面泵浦激光器的端面泵浦和侧面泵浦方式。端面泵浦激光器由激光二极管、两个聚焦系统、耦合光纤、工由激光二极管、两个聚焦系统、耦合光纤、工作物质和输出反射镜组成。与直接端面泵浦不作物质和输出反射镜组成。与直接端面泵浦不同,这种结构首先把激光二极管发射的光束质同,这种结构首先把激光二极管发射的光束质量很差的激光耦合到光纤中,经过一段光纤传量很差的激光耦合到光纤中,经过一段光纤传输后,从光纤中出射的光束变成发散角较小的、输后,从光纤中出射的光束变成发散角较小的、圆对称的、中间部分光强最大的泵浦光束。用圆对称的、中间部分光强最大的泵浦光束。用这一输出的泵浦光去泵浦工作物
9、质,由于它和这一输出的泵浦光去泵浦工作物质,由于它和振荡激光在空间上匹配得很好,因此泵浦效率振荡激光在空间上匹配得很好,因此泵浦效率很高。由于激光二极管或二极管阵列与光纤间很高。由于激光二极管或二极管阵列与光纤间的耦合较与工作物质的耦合容易,从而降低了的耦合较与工作物质的耦合容易,从而降低了对器件调整的要求。而且最重要的是这种耦合对器件调整的要求。而且最重要的是这种耦合方式能使固体激光器输出模式好、效率高。方式能使固体激光器输出模式好、效率高。光纤耦合端面泵浦激光器n n侧面泵浦板条固体激光器要得到更大功率的激光输出,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
10、列型激光二极管,由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,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,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样,激光经过工作物质的长度
11、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,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
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