固体激光器原理及应用报告

教学学院届 别专 业学 号姓 名指导老师完成日期物理与电子信息学院编号赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用2010 届电子科学与技术060803013丁志鹏邹万芳摘要1关键词1Abstract1Key words11引用22 激光与激光器22.1 激光22.2 激光器33 固体激光器43.1 工作原理和基本结构43.2 典型的固体激光器83.3 典型固体激光器的比较113.4 固体激光器的优缺点124 固体激光器的应用134.1 军事国防134.2 工业制造154.3 医疗美容175 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 Application1引用世界上第一台激光器一红宝石激光器（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 byStimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写。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。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X射 线和Y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。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。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13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。此 iSrf 巍脉冲姬灯触发电路一 系藐图杪僻体激光器的基本结构1）工作物质工作物质一一激光器的核心，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。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，己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）。激光器半导体二极管阵列反射器（a）端泉浦方式（b）恻菜浦方式图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：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。光泵图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。红宝石激光器（Cr3+ :人匕O3）红宝石是由蓝宝石（AlO）中掺入少量的氧化铭（Cr O）而形2 33 2成。红宝石激光器的工作物质是Cr3+ : AlO，其中，AlO作为基质晶2 32 3体，Cr3+是发光的激活粒子，光谱特性与Cr3+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Cr3+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。30 r_成=x-富度，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。掺钕钇铝石榴石激光器(Nd 3+ : E4G)Nd3+ : E4G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Nd3+，基质钮铝石榴石(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Nd3+ : E4G能级图。在室 温下，Nd3+ : YAG 一般输出的激光波长为1.064pm。Nd 3+ : YAG能级结构Nd3+ : 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Nd3+ : YAG的应用远超过其他固体工作物质，可以说，Nd3+ : YAG出现至今，被大量使用，长盛不衰。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Nd3+ : 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 在干燥的容器之中凶。如下图6所示，为Er : YAG激光跃迁能级图，其输出的波长为2.9却m。1041210408103671035610285102527_LI_I 6879图6 Er级图,现今，Er : FAG激光器的最大平均功率已达到0W,最大脉冲输出【内46779 660265966544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2.94pm，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）有很大的应用潜力凹。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。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IM： 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0.83.9pm。 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mi。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。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Cr 3+ : Al2 O30.6943 pm0.6929pm三能级光泵浦掺钕钇铝石榴石激光器Nd 3+ : YAG1.06pm1.35 pm四能级光泵浦掺铒固体 激光器Er : YAG2.94pm四能级光泵浦可调谐固体 激光器钛蓝宝石0.83.9pm四能级光泵浦表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。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 仪大多数是1.06pm的掺钕钇铝石榴石（* 3+ :玖g）激光测距仪。但 由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1.54pm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Ml：图7美军未来车载激光武器效果图如下图8U5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。体激光器图8诺思罗普格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1.06pm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， 焊接设备装置简单口句。目前尽管CO 2激光器为主导热源，但是Nd 3+ : KAG激光器也有一席 之地。3）激光清洗技术激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、 颗粒、锈斑或涂层等附着物发生瞬间蒸发或剥离，从而达到清洁净化 的工艺过程。与普通的化学清洗法和机械清洗法相比，激光清洗有如 下特征17：a）是一种完全的“绿色”清洗；b）清洗的对象广泛；c）几乎能够清洗所有的固体基材且不损伤基材；d）容易实现自动化基材。目前的典型的设备主要是LD泵浦固体激光器和Nd3+ :玖G激光 器。4.3医疗美容固体激光器医疗与美容方面的应用也是非常广泛的，但是在这方 面可以说Nd3+ : YAG激光器“一家独大”。Nd3+ : YAG激光器是医学中用得较多的固体激光器，它的转换率 高，输出功率大，单根晶体工作时输出功率可达百瓦，比C。2气体激光 止血及凝固效果好，故在医学上常用来做手术刀，广泛应用于普外科、 耳鼻喉科、泌尿科和骨科及整形科经皮椎间盘手术等，切割血管丰富 的组织，大大减少出血。Nd3+ : YAG激光脉冲能量大，不易被水和血 红蛋白吸收，故穿透组织较深询。Nd3+: YAG激光器采用倍频技术可输出532nm的绿色激光，即倍 频Nd3+: YAG激光，光斑直径26mm，能量密度为512j/cm2。虽然 血管中的氧合血红蛋白对波长为532nm的光的吸收次于585nm的光， 但可选择532nm波长激光适当脉宽对血管性病变组织进行治疗。由于 其穿透较浅，因而一般仅限于对较浅的血管性病变进行治疗。另外， 倍频Nd3+: YAG激光也可广泛应用于胃出血、血管瘤的的治疗及显微 外科手术，对于由红的染料颗粒所引起的文身、文唇等人为的皮肤色 素变异亦具有一定的治疗效果询。黑色素细胞对532nm的激光的吸收较强，加之皮肤组织对该波长 的散射较强，照射在皮肤上的532nm激光能量被局限在皮肤表皮层， 采用调Q技术后，可对表浅型黑色素细胞增生，如咖啡斑、老年斑、 雀斑等达到较好的治疗效果I20。5结束语固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作 物质的激光器。从世界上第一台激光器发明至今，固体激光技术取得 了很大的发展，主要表现三个方面：第一是工作物质不断改进。最初 是红宝石激光器，后来出现了钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器，现在 又有了掺钕镓钆石榴石激光器。还有报道称，目前出现了以陶瓷为基 质的新型激光材料。第二是泵浦光源的改进。最初是闪光灯，后来发 展为弧光灯，现在出现了高功率激光二极管泵浦。第三是工作物质结 构的改变。从最初的棒式结构发展成板条式，又到后来的光纤式结 构。固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长 和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出 功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。总之，固体激光技术的发展过程是一个不断革新的过程，固体激 光器发展到今天，无论在结构、输出功率、转换效率还是光束质量方 面都有了很大进步。参考文献1 蔡枢,吴铭磊.大学物理（当代物理前沿部分专题）.北京:高等 教育出版社，1996:282 陈家壁，彭润玲.激光原理与应用（第二版）.北京:电子工业出 版社,2008.8:273 单振国，干福熹.当代激光之魅力.北京：科学出版 社,2000:5-104 陈家壁，彭润玲.激光原理与应用（第二版）.北京:电子工业出 版社,2008.8:1025 克希奈尔著,孙文,江泽文，程国祥译.固体激光工程.北京:科 学出版社.2002.5:76-776 李相因，姚敏玉，李卓，崔骥.激光原理技术及应用.哈尔滨：哈 尔滨工业大学出版社,2004.10:457 陈家壁，彭润玲.激光原理与应用（第二版）.北京:电子工业出 版社,2008.8:1038 闫毓禾，钟敏霖.高功率激光加工及其应用.天津:天津科学技 术出版社，1994:134-1359 孙长库，叶声华.激光测量技术.天津：天津大学出版 社，2002:4510 陈家壁，彭润玲.激光原理与应用（第二版）.北京:电子工业出 版社,2008.8:10611 李适民，黄伟玲.激光器件原理与设计（第二版），北京：国防 工业出版社,2005.1:165-16712 李修乾，洪延姬.高能固体激光器现状及发展趋势.装备指挥技术学院学报,2004.1:513 陈进.高功率LD泵浦的内腔倍频Nd:YAG激光器研究.天津大 学博士论文,2003.3:7-814 郑权，赵岭，钱龙生.大功率泵浦固体激光器的应用和发展.光 学精密工程,2001.1:7415 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