固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用
————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：
编号
赣南师范学院学士学位论
文
固体激光器原理及应用
教学学院物理与电子信息学院
届别2010届
专业电子科学与技术
学号 060803０13
姓名丁志鹏
指导老师邹万芳
完成日期 201０.5.10
目录
摘要 ............................................................................... 错误!未定义书签。关键词 ........................................................................... 错误!未定义书签。Abstract ....................................................................... 错误!未定义书签。Kｅy words ................................................................... 错误!未定义书签。1引用2?
2激光与激光器 ........................................................ 错误!未定义书签。
2.1?激光 ........................................................................ 错误!未定义书签。
2.2激光器 ............................................................... 错误!未定义书签。３?固体激光器 .............................................................. 错误!未定义书签。３．1?工作原理和基本结构 ........................................ 错误!未定义书签。３．2?典型的固体激光器?错误!未定义书签。
３.３典型固体激光器的比较?错误!未定义书签。
3.4固体激光器的优缺点?错误!未定义书签。
4固体激光器的应用?错误!未定义书签。
4.1?军事国防?错误!未定义书签。
4．2?工业制造?错误!未定义书签。
4.3医疗美容?错误!未定义书签。
5结束语 .................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ....................................................................... 错误!未定义书签。
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器,最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。
关键词：固体激光器基本原理基本结构应用
Absｔrａct:Ｓoliｄ-stａｔe laser is cｕrrently one of tｈe ｍｏst extensｉve laser，it haｓ soｍｅ vｅry obviouｓadvantａges.Tｈe working pｒｉｎcipｌe of sｏlid-ｓtａｔe las ｅrs and appｌｉcatｉons were ｄeｓcｒiｂed in thｅpａper and iｔｃａｎ enｈance thｅuｎderstandinｇ.Ｉｎ this paper, ｓtartｉｎｇ wiｔh the ｂasic pｒｉnｃiｐｌes and ｓtructure of tｈe iｎtroduced solｉd－stａte laseｒ，and t ｈen some ｔyｐical solｉd-ｓtａte laserｓand a ｐｒesentati ｏn ｏn ｉtｓｍiｌiｔaｒy ｄefenｓｅ,ｉnｄustrial teｃhno ｌogy,medｉcal aｎd cosｍetic appliｃaｔiｏnｓｉn tｈrｅｅareａs ａnd futurｅｄeｖelopment direction wｅre iｎtroｄuceｄ.
Key ｗoｒds:Ｓoｌｉd-sｔａｔe Ｌａser Ｂaｓic PrinciplｅＢasiｃ StruｃturｅApｐlicａtiｏn
1引用
世界上第一台激光器—红宝石激光器（固体激光器）于196０年7月诞生了，距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。
固体激光器从其诞生开始至今,一直是备受关注。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用,因此在各方面都得到了广泛的用途,其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点,其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。
未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展:
a)高功率及高能量
b)超短脉冲激光
c)高便携性
d)低成本高质量
现在,激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域,它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比,你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段,更令人激动的美好前景将要来到。
2激光与激光器
2.1激光
2.1.1激光（LＡＳＥR）
激光的英文名——ＬASＥR，是英语词组LigｈｔAｍplificaｔi
ｏn ｂy StｉmulateｄＥmissiｏn oｆＲaｄiatｉｏn(受激辐射的光放大）的缩写[1]。
2.1.2产生激光的条件
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。
2.1.3激光的特点
与普通意义上的光源相比较,激光主要有四个显著的特点:方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。
2.2激光器
激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程,从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线(以至χ射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。
2.2.1激光器的诞生史
激光器的诞生史大致可以分为以下三个阶段[３]：理论基础阶段、粒子数反转阶段和激光器产生（竞赛）阶段。
2.2.2激激光器的分类
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。
如下表1所示,分别从激光的工作物质、激励方式、运转方式和输出波长范围等四个方面进行分类。
表1
3 固体激光器 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
染料激光器 光泵式激光
核泵浦激光
化学激光器
化学激光器 其他激光器
连续激光器 单次脉冲激
锁模激光器 可调谐激光
红外激光器 可见激光器
紫外激光器
X 射线激光器
3.1工作原理和基本结构
在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能,让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。
如图1所示,固体激光器的基本结构（有部分结构没有画出）。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。
图1 固体激光器的基本结构
1)工作物质
工作物质——激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统(例如红宝石激光器)与四能级系统（例如Ｅｒ：YＡＧ激光器）。工作物质的形状目前常用的主要有四种:圆柱形(目前使用最多)、平板形、圆盘形及管状[5]。
2)泵浦系统
泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转,目
前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。
常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的,太阳能泵浦常用在小功率器件（尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源),二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向,它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。
LD泵浦的方式可以分为两类,横向：同轴入射的端面泵浦（如下图2 a)；纵向:垂直入射的侧面泵浦（如图2 b）。
图2 ＬD泵浦方式结构示意
ＬD泵浦的固体激光器有很多优点,寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等,当然最突出的优点是泵浦效率高,因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。
3)聚光系统
聚光腔的作用有两个[６]：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布,从而影响到输出光束的
均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内,因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。如下图3所示为椭圆柱聚光腔,是目前小型固体激光器最常采用的。
图3 椭圆柱聚光腔
4)光学谐振腔
光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜(或球面镜）构成。
5)冷却与滤光系统
冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。
固体激光器工作时会产生比较严重的热效应,所以通常都要采取冷却措施。主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却,以保证激光器的正常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。
要获得高单色性的激光束,滤光系统起了很大的作用。滤光系统
能够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。
3.2 典型的固体激光器
固体激光器从诞生之日至今，器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了许多种类,但是使用较多的主要是红宝石、掺钕钇铝石榴石、LD 泵浦的固体激光器和可调谐固体激光器四种。
3.2.1 红宝石激光器（+3Cr :32O Al )
红宝石是由蓝宝石（32O Al )中掺入少量的氧化铬(23Cr O ）而形成。红宝石激光器的工作物质是+3Cr ：32O Al ，其中,32O Al 作为基质晶体，+3Cr 是发光的激活粒子，光谱特性与+3Cr 的能级结构有关，它是三能级系统。如下图4所示为红宝石晶体+3Cr 能级图[7]。在室温情况下，红宝石激光器一般输出6９4.3nm 的红光。
图4 红宝石中铬离子的能级结构
红宝石激光器的有一些非常突出的优点:机械强度好,高功率密度,大尺寸晶体,亚稳态寿命长，高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。
3.2.2掺钕钇铝石榴石激光器（+3
Nd:YAG)
+3
Nd:YAG激光器是迄今为止使用最为广泛的固体激光器。在固体基质中掺入了激活粒子+3
Nd，基质钇铝石榴石（英文缩写为YＡＧ）具有优良的光学、力学和热学性能，是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质。如下图５所示,为+3
Nd:YAG能级图。在室温下,+3
Nd:YAG一般输出的激光波长为１.０64μｍ。
Nd：YAG能级结构
图5+3
+3
Nd:YAG激光器几乎没有什么缺点,突出优点是阈值低和优
良的热学性能。目前对+3
Nd：YAG的应用远超过其他固体工作物质,可以说，+3
Nd:YAG出现至今,被大量使用,长盛不衰。
3.2.3掺铒钇铝石榴石激光器（Er:ＹAG）
Er:YAG激光器的出现是激光在医疗领域的一大突破。
它的基本结构与+3
Nd:YAG激光器基本结构相似，通常采用脉冲氙灯泵浦，聚光腔为镀银的单椭圆柱腔或双椭圆柱腔,但是其光学元件必须与水蒸气隔离（不隔离激光束将破坏）,因此需要将激光器密闭在干燥的容器之中[8]。如下图6所示,为Er：YAG激光跃迁能级图，其输出的波长为2.９4μｍ。
图６Er:YAG激光跃迁能级图
现今，Er:YAG激光器的最大平均功率已达到３W，最大脉冲输出已达到5Ｊ,是迄今为止输出功率最大、效率最好的长波长固体激光器；加之交换输出波长为 2.９４μm,这正是人体组织的吸收波长,这个也是Er:YAG的一个非常突出的优点。因此在医疗方面（尤其是激光外科和血管外科)有很大的应用潜力[9］。
目前,激光器并没有像上述两种激光器一样被广泛的应用，但是我们相信，在不久的将来它会在固体激光器当中占有一个非常重要的地位。
3.2.4可调谐固体激光器
可调谐固体激光器的出现可以说是固体激光器的重大发展。
它是指在一定范围内，可以连续改变输出波长的固体激光器。我们可以将它分为两类[１0]: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。
色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。色心激光器的阈值较低，容易实现单模运转,并且光束质量好，特别是调谐范围覆盖0.8～３.９μm。这是其他可调谐激光器难以达到的。但色心激光器大都只适合在低温下工作,且使用过程中，仍然不太稳定。与此相比，掺过过渡金属的激光晶体制作的可调谐激光器,性能更加优越。主要的激光晶体有金绿宝石、Cr:GSGＧ、掺钛蓝宝石等。其中钛蓝宝石是目前性能最好的固体可调谐材料［11]。
3.3典型固体激光器的比较
如下表2所示，将从工作物质、输出波长、能级系统和常用泵浦方式等四个方面对上述固体激光器进行简单的比较。
表2 典型固体激光器的比较
3.4 固体激光器的优缺点
固体激光器主要优点：
1) 输出能量大，峰值功率高。在固体激光器中,由于中心粒子的 能级结构，能够输出大能量，并且峰值功率高。这个是固体激光器非常突出的优点。
2) 结构紧凑耐用,价格适宜。和其他类型的激光器相比，固 体激光器的结构非常简单并且非常耐用,同时价格相对适宜。
3) 材料种类数量多。固体激光器的工作物质的种类非常多，到目 前为止至少有一百多种,而且大有增长的趋势。大量高性能的材料的出现，是固体激光器的性能进一步的提高。 内
容
激光器
工作物质 输出波长 能级系统 常用泵浦 方式 红宝石
激光器 +3Cr ：32O Al 0.６９
43μm
０．6929μ
ｍ 三能级 光泵浦
掺钕钇铝
石榴石激光器
+3Nd :YAG 1.０６μm １．３５μm 四能级 光泵浦 掺铒固体
激光器
Er :YAG ２.９4μm 四能级 光泵浦 可调谐固体
激光器 钛蓝宝石 ０.8~3.9μm 四能级 光泵浦
固体激光器的主要缺点：
1)温度效益比较严重，发热量大。正是由于输出能量大，峰值功率高,导致热效应非常明显,因此固体激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激光器的正常连续使用。
2)转换效率相对较低。固体激光器的总体效率非常低,例如红宝石激光器的为０.５％~1%左右，ＹAＧ激光器的总体效率为１％~２%，在最好的情况下可接近3%。可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。
4固体激光器的应用
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。
4.1军事国防
在激光器军事应用的过程中,固体激光器可算是后起之秀。直到２0世纪９0年代,由于激光技术的发展,固体激光器才在各种军事应用领域崭露头角,并成为绝对的主角。
1)常规的固体激光武器
激光测距仪是部队中使用最普遍的激光系统,他们被装备在主站坦克、火炮和步兵战车上等。装备之后，可以大大的提高攻击命中率。相比传统的光学瞄准装备,命中率提高数倍。目前，服役的激光测距仪
Nd：YAG)激光测距仪。但由大多数是1.０6μm的掺钕钇铝石榴石(+3
于长期使用该固体激光器容易让人眼膜损坏，目前正在转向对人眼安全的1.54μm掺铒(Er)的磷酸玻璃激光器。当然，还有一些被大量使用
的常规激光武器,例如激光目标指示器（LD泵浦的固体激光器)，激光雷达等[12]。
2)激光导弹防御系统
激光导弹防御或称激光反导的基本特征是:用由光速的高能激光
去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。我们可以说这方面是LD泵浦的固体激光器的天下,因为它有一些突出的优点。目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用ＬD泵浦的固体激光器[13]。
3)未来的激光武器
未来的固体激光武器主要的方向是超高功率和高便携性。高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分,将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高,充分发挥每一个兵的作用,当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这两个目标发展，当然实现这两个目标还需很漫长的等待。如下图７所示，为美军未来车载激光武器效果图[１4]：
图7美军未来车载激光武器效果图
如下图８[１5]所示为诺思罗普·格鲁曼公司研制出的高功率固体激光器，起功率达到100千瓦，可以说这个功率的出现是固体激光器向高功率方向发展迈出的非常有意义和非常重要的一步。
图８诺思罗普·格鲁曼公司研制出的高功率固体激光器
4.2工业制造
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理,大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程,包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、光钻孔和微加工等;光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。这里我们主要来看看固体激光器的加工应用。
1)激光切割技术
激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间，降低加工成本,提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。
目前常采用1.06 m波长的YAG激光束。
2)激光焊接技术
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功地应用于微小型零件焊接中。与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是:激光焊接速度快、深度大、变形小，能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单[16]。
化学发光系统工作原理
化学发光系统工作原理 半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。它具有体积小、寿命长的特点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。 由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 激光器的发光原理 >>>>产生激光要满足以下条件： 一、粒子数反转； 二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里——帕罗谐振腔。 三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。 1、满足一定的阀值条件
为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注人，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。 2、谐振腔，能起到光反馈作用 要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。 对F－P腔（法布里—拍罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P－N 结平面相垂直的自然解理面构成F－P 腔。 3、增益条件 建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
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。 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。60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943
激光器激励原理
激光器激励原理 —固体激光器 1311310黄汉青 1311343张旭日辅导老师：
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 1引用 世界上第一台激光器—红宝石激光器（固体激光器）于1960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。 固体激光器从其诞生开始至今，一直是备受关注。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。 未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展： a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量 现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 2激光与激光器
2.1激光 2.1.1激光（LASER） 激光的英文名——LASER，是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写[1]。2.1.2产生激光的条件 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。 3固体激光器 3.1工作原理和基本结构 在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。 如图1所示,固体激光器的基本结构（有部分结构没有画出）。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用
————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：
编号 赣南师范学院学士学位论 文 固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别2010届 专业电子科学与技术 学号 060803０13 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 201０.5.10
目录 摘要 ............................................................................... 错误!未定义书签。关键词 ........................................................................... 错误!未定义书签。Abstract ....................................................................... 错误!未定义书签。Kｅy words ................................................................... 错误!未定义书签。1引用2? 2激光与激光器 ........................................................ 错误!未定义书签。 2.1?激光 ........................................................................ 错误!未定义书签。 2.2激光器 ............................................................... 错误!未定义书签。３?固体激光器 .............................................................. 错误!未定义书签。３．1?工作原理和基本结构 ........................................ 错误!未定义书签。３．2?典型的固体激光器?错误!未定义书签。 ３.３典型固体激光器的比较?错误!未定义书签。 3.4固体激光器的优缺点?错误!未定义书签。 4固体激光器的应用?错误!未定义书签。 4.1?军事国防?错误!未定义书签。 4．2?工业制造?错误!未定义书签。 4.3医疗美容?错误!未定义书签。 5结束语 .................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ....................................................................... 错误!未定义书签。
第一台激光器——红宝石固体激光器
第一台激光器——红宝石固体激光器摘要：本文主要回顾了第一台激光器的研制历程，介绍了红宝石激光器的工作原理和它的发明者梅曼先生。 一、发展历程 1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”( Light amplification by the stimulated emission of radiation )。爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到. 1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。 1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。 1934年，克赖克汤和威廉}i} i}i}于振荡器发现了电磁波和分a:.的相互作用。这是最旱期的电磁波谱学实验。 30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础. 1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础. 1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备.他们开始着手进行微波波谱学山研究。当时，韦伯(Webber )、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫(11po1。二。。)以及汤斯("l}ow'nes)等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。这是激光理论发展的重要起点. 1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。 关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。这是哥伦比亚大学的兰姆( Larnb)和另一同事的共同成果。他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。 作为激光的物理基础—受激辐射早在1917年就为人所知.可是，从1917年到1950年30多年来，在实验上却一直没有人去证明这个过程的存在.人们以为，要想在小于一亿分之一秒的时间里进行原子受激发射的宏观观察是难于做到的。但在后来激光器制成后.实验工作并不象人们最初所设想的那样艰难。从1940年观察到离子数反转到激光器，这中间仅仅一步之差，可是这“一步”却一直走了20年. 人类对电磁波的利用和无线电技术的发展，使社会和生产急需把这种利用由无线电波段向微波波段扩展，这就导致了微波放大理论及其器件的产生. 1951年，美国的汤斯提出了利用受激辐射获得放大的原理首先获得微波放大的设想.同年，普塞耳(I'urcell)和庞德(Pound)用核磁共振所进行的一次实验，造成了粒子数反转，进一步确认了受激辐射过程，给微波放大器的产生带来了希望。其后，汤斯进行了两年半的艰苦工作，干1953年末和果尔登(Gordon )、
半导体激光器工作原理及主要参数
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
激光原理与技术A答案
06~07激光原理与技术A答案 2006-2007学年第1学期《激光原理与技术》A卷试题答案1．基本概念题(选做6小题，每小题5分)[30] 1.1 试就你所了解的知识，对激光器进行科学分类。 按工作介质分：气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器等 按工作方式分：脉冲激光器（pulsed laser）、连续激光器（c.w laser） 固定波长输出、波长可调谐的激光器 ……（按任一方式对其进行分类均可得分，答案是多样的） 1.2 激光器一般包括哪三个基本单元？各单元的主要作用是什么？ 激光器三个基本组成单元（各自的作用描述方式可以不一样）泵浦源：提供输入能量，使粒子数反转分布?n?0。 增益介质：对入射光产生放大作用。 光子谐振腔：选模、储能，形成光振荡（变激光放大器为激光振荡器）。 1.3 对于线宽为??的洛仑兹函数和高斯函数，│ν-ν0│为多大时，这两个函数值相等？在什么频率范围内，洛仑兹函数值大于高斯函数值？ │ν-ν0│= 0.75???时，洛仑兹函数与高斯函数值相等；│ν-ν0│> 0.75??时，洛仑兹函数大于高斯函数值。
1.4 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？就两系统各举一典型实例. 三能级系统与四能级系统的主要区别是：前者基态与激光下能级共享，因而阈值反转粒子数密度为n/2，而后者的激光下能级抽空速率很快，阈值反转粒子数密度近似为激光上能级的阈值反转粒子数n2t。典型的三能级系统激光器为红宝石激光器，典型四能级系统激光器为Nd:YAG激光器。 1.5 何谓烧孔效应？何谓兰姆凹陷？ 烧孔效应主要指非均匀加宽介质中，由于频率?1的强光入射引起的反转集居数的饱和现象。即在频率为?1，光强为I?1的强光作用下，使表观中心频率处在?1±(1+ I?1 /Is)1/2???H/2范围内的粒子产生受激辐射，因此在?n???~??曲线上形成一个以?1为中心，宽度约为(1+ I?1 /Is)1/2???H的“烧孔”，这种现象称为烧孔效应。 （均匀加宽介质的空间烧孔效应：当频率为?q的强激光振荡时，它在腔内沿轴线方向的分布形成 驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小。腔内的增益系数不同，波腹处光强大，用去的反转粒子数多，造成增益系数下降也大。波节处增益系数下降少。我们称这种反转粒子 1 数密度或增益系数在腔内轴线上具有某种分布的现象为空间烧孔效应。） 兰姆凹陷是指非均匀加宽介质激光器的输出功率P随频率变化曲线在中心频率?0处的凹陷。即 非均匀加宽工作物质，中心频率处，增益虽然大，但参与光放
CO2激光器原理及应用
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)
摘要：本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器；基本原理；基本结构；应用； Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用 摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 1激光与激光器 1.1激光 1.1.1激光（LASER） 激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 1.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件： 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。 1.1.3激光的特点 与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。
二氧化碳激光器的工作原理及发光过程
二氧化碳激光器简介 二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6 微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达20 千瓦以上。脉冲方式产生波长10.6 微米的激光也是最强大的一种激光。 二氧化碳激光器的工作原理 二氧化碳分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。 根据分子振动理论，二氧化碳有三种不同的振动方式： ①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。 ②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。 ③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。 二氧化碳激光器的发光过程 二氧化碳激光器中，主要的工作物质由二氧化碳，氮气，氦气三种气体组成。 其中二氧化碳是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在二氧化碳激光器中起能量传递作用，为二氧化碳激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。二氧化碳分子激光跃迁能级图二氧化碳激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子
由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和二氧化碳分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，二氧化碳分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。
激光的原理及激光器分类
激光器的原理及分类 一、基础原理 量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很
长，就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子，在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转 通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。 三、光放大过程
固体激光器原理及应用
编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application
固体激光器的应用
固体激光器的应用 所谓固体激光器就是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。距今已有整整五十年了，在这五十年固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃并且对人类社会产生了巨大的影响。固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。 固体激光器从其诞生开始至今一直是备受关注。其输出能量大峰值功率高结构紧凑牢固耐用因此在各方面都得到了广泛的用途其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用给我们的现实生活带了许多便利。现在激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域它标志着新技术革命的发展。诚然如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比我们不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 一、固体激光器的类别： 固体激光器的工作物质，主要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。常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：Al2O3)、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd：YAG）、掺钛的铝酸忆（Nd：Y ALO）、掺钛的氟化忆锂（Nd：YLF）等多种。它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694．3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。 二、固体激光器的构造及原理： 在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。 固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激励，会发射出各种不同波长的激光。 早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器，来完成激光工作物质内原子的受激辐射过程的，这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电能直接转化为激光的能量，一直是人们梦寐以求的事情。近年来，科学家成功地研制出了半导体激光器，一旦接通电源，便会发出激光。选用不同的半导体材料和不同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
06~07激光原理与技术A答案
2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》A 卷 试题答案 1．基本概念题(选做6小题，每小题5分)[30] 1.1 试就你所了解的知识，对激光器进行科学分类。 按工作介质分：气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器等 按工作方式分：脉冲激光器（pulsed laser ）、连续激光器（c.w laser ） 固定波长输出、波长可调谐的激光器 ……（按任一方式对其进行分类均可得分，答案是多样的） 1.2 激光器一般包括哪三个基本单元？各单元的主要作用是什么？ 激光器三个基本组成单元 （各自的作用描述方式可以不一样） 泵浦源：提供输入能量，使粒子数反转分布0n ?>。 增益介质：对入射光产生放大作用。 光子谐振腔：选模、储能，形成光振荡（变激光放大器为激光振荡器）。 1.3 对于线宽为?ν的洛仑兹函数和高斯函数，│ν-ν0│为多大时，这两个函数值相等？在什么频率范围内，洛仑兹函数值大于高斯函数值？ │ν-ν0│= 0.75?ν 时，洛仑兹函数与高斯函数值相等；│ν-ν0│> 0.75?ν时，洛仑兹函数大于高斯函数值。 1.4 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？就两系统各举一典型实例. 三能级系统与四能级系统的主要区别是：前者基态与激光下能级共享，因而阈值反转粒子数密度为n/2，而后者的激光下能级抽空速率很快，阈值反转粒子数密度近似为激光上能级的阈值反转粒子数n 2t 。典型的三能级系统激光器为红宝石激光器，典型四能级系统激光器为Nd:YAG 激光器。 1.5 何谓烧孔效应？何谓兰姆凹陷？ 烧孔效应主要指非均匀加宽介质中，由于频率ν1的强光入射引起的反转集居数的饱和现象。即在频率为ν1，光强为I ν1的强光作用下，使表观中心频率处在 ν1±(1+ I ν1 /I s )1/2 ?νH /2范围内的粒子产生受激辐射，因此在?n (ν)~ν 曲线上形成一个以ν1为中心，宽度约为 (1+ I ν1 /I s )1/2 ?νH 的“烧孔”，这种现象称为烧孔效应。 （均匀加宽介质的空间烧孔效应：当频率为νq 的强激光振荡时，它在腔内沿轴线方向的分布形成 驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小。腔内的增益系数不同，波腹处光强大，用去的反转粒子数多，造成增益系数下降也大。波节处增益系数下降少。我们称这种反转粒子
皮秒激光器的原理及应用
皮秒激光器的原理及应用 * 激光技术对国民经济及社会发展的重要作用：激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备等领域都起到重要作用。激光产业在我国发展了五十多年，已经与多个学科形成了不同类型技术应用，比如光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。 激光器及其配件在激光产业的整个产业链中占有非常重要的地位，属于技术和专业性都很强的产业。 激光通信、激光存储和激光显示主要应用在信息领域。激光加工（包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用广泛。 超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工厂的地板上发现这些应用的工业副产物。在工业应用中，除去质量因素以外，可重复生产性和每个零件的成本也是很重要的标准。 激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。每个零部件的成本基本上和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。高附加值，高重复率的生产力，可靠的技术等所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。 皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在The Photonics West2005上被报道。20ps脉冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。不同的同心圆环形成一个园盘，去除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。在过去几年中，绝大多数超快激光器制造商集中精力在飞秒激光器的开发上。这些激光器需要一种复杂的CPA技术来保持峰值功率密度在某一个损伤阈值下的放大阶跃内。用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限制在几KHZ。比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是有利的。柴油机的注入喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要进一步的清洁处理。 LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器STACCATO。因为它的脉冲时间在皮秒范围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。激光工作物质Nd：YVO4允许用激光二极管直接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频率。STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚焦。 * 与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。在紫外光谱区域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。从STACCATO发出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激光波长532nm，355nm和266nm。当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲打到材料上时冷切除被触发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。因此对一个好的结果而言，不但超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。据证明像开孔这样的工艺对微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当的使用辅助气体和真空喷嘴也很重要。热引起的裂纹，液化点可以通过使用适当的加工策略避免。图2左右分别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离子体的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设计得理想。
现代激光器的分类 原理及应用..
NANCHANG HANGKONG UNIVERSITY 题目：现代激光器的种类及原理、应用 学院：测试与光电工程学院系光电系 专业班级：光电信息科学与工程 学号： 11085109 姓名：杨恒
前言 自从1960年，美国休斯飞机公司的科学家T.H.Mainman博士研制成功世界上第一台红宝石激光器以来，人类对激光器件的研究与应用取得了迅猛的发展。激光器的诞生，为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页，也为传统光学领域注入了生机，并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域分支。 激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三个基本部分构成。其中，工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在；泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源，工作物质类型不同，采用的泵浦方式亦不同；光学谐振腔为激光提供正反馈，同时具有选模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光器的质量。 激光器种类繁多，习惯上主要以以下两种方式划分：一种是按照激光工作物质，一种是按激光工作方式分，而本文主要是介绍按照激光工作物质划分来介绍典型的激光器。
现代激光器 1、气体激光器（Laser) 气体激光器利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。 根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子，又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。 原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和铜、锌、锰、铅等金属原子蒸汽。原子激光器的典型代表是He-Ne激光器。He-Ne 激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。它于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物。根据工作条件的不同，可以输出5种不同波长的激光，而最常用的则是波长为632.8纳米的红光。输出功率在0.5～100 毫瓦之间，具有非常好的光束质量。氦-氖激光器是当前应用最为广泛的激光器之一，可用于外科医疗、激光美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中学的实验室也在用它做演示实验 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子，激光跃迁发生在气体分子不同的振—转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2激光器。 离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体离子，激光跃迁发生在气体离子不同的激发态之间。采用的离子气体主要有惰性气体离子、分子气体离子和金属气体离子三类。其典型代表为Ar+激光器。