(激光器件ppt课件)第二章-固体激光器的设计

聚光腔的作用聚光腔的作用 第二章第二章 固体激光器的固体激光器的设计（一）（一）聚光腔聚光腔从从泵浦光源浦光源发出的出的辐射能射能传输到激光工作物到激光工作物质上的效率，在上的效率，在很大程度上决定了激光系很大程度上决定了激光系统的的总效率。效率。聚光腔除了聚光腔除了给泵浦光源浦光源和工作物和工作物质之之间提供良好耦合之外，提供良好耦合之外，还决定激光物决定激光物质上上泵浦光浦光密度的分布，从而影响到密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、出光束的均匀性、发散度和光学畸散度和光学畸变。由于激光工作物由于激光工作物质和和泵浦灯都安装在聚光腔内，合理浦灯都安装在聚光腔内，合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。但聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。但并非所并非所有的固体激光器都需要聚光腔。有的固体激光器都需要聚光腔。聚光腔的作用聚光腔的作用第二章第二章固体激光器的固体激光器的设计设计从从泵泵浦光浦光11.1.椭圆聚光腔聚光腔高反射率高反射率椭圆柱体，激光棒和柱体，激光棒和泵浦灯分浦灯分别配置在配置在椭圆柱的柱的两条焦两条焦线上。由上。由椭圆的一个焦点的一个焦点发出的光将反射到另一个出的光将反射到另一个焦点。因此，焦点。因此，椭圆腔中的能量腔中的能量传递，是从一条焦，是从一条焦线上的直上的直管光源管光源传输到另一条焦到另一条焦线上的棒状吸收体。上的棒状吸收体。一、聚光腔的基本一、聚光腔的基本类型型1.椭圆椭圆聚光腔高反射率聚光腔高反射率椭圆椭圆柱体，激光棒和柱体，激光棒和泵泵浦灯分浦灯分别别配置在配置在椭圆椭圆22.2.漫反射聚光腔漫反射聚光腔最最简单的聚光腔是一种陶瓷的聚光腔是一种陶瓷圆柱体。其中激光棒和柱体。其中激光棒和泵浦灯浦灯紧靠在一起。陶瓷材料具有不会腐靠在一起。陶瓷材料具有不会腐蚀或生或生锈的的优点。点。2.漫反射聚光腔最漫反射聚光腔最简单简单的聚光腔是一种陶瓷的聚光腔是一种陶瓷圆圆柱体。其中激光棒和柱体。其中激光棒和3(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计4(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计5几何传输效率分析几何传输效率分析几点假设几点假设灯在圆截面上对称均匀发光；灯在圆截面上对称均匀发光；不考虑轴向倾斜光线；不考虑轴向倾斜光线；只考虑一次反射光线，焦点上泵浦；只考虑一次反射光线，焦点上泵浦；不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损耗；不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损耗；灯作为黑体对待。灯作为黑体对待。几何几何传输传输效率分析几点假效率分析几点假设设6聚光腔各部分的几何参数聚光腔各部分的几何参数聚光腔各部分的几何参数聚光腔各部分的几何参数7灯通灯通过椭圆上的任一点在棒端成像上的任一点在棒端成像灯通灯通过椭圆过椭圆上的任一点在棒端成像上的任一点在棒端成像8P0P0点灯像半径等于棒半径点灯像半径等于棒半径 P0P0点灯像半径等于棒半径点灯像半径等于棒半径9P2 p 为棒接收经为棒接收经P点反射光能的比例点反射光能的比例P2p为为棒接收棒接收经经P点反射光能的比例点反射光能的比例10P1P111待求待求E为总光能为总光能聚光腔的几何聚光腔的几何传输系数，可通系数，可通过计算灯算灯辐射能在灯射能在灯转给晶晶体体张角角d内的那部分能量得到，内的那部分能量得到，对所有所有张角角积分便分便导出出待求待求E为总为总光能聚光腔的几何光能聚光腔的几何传输传输系数，可通系数，可通过计过计算灯算灯辐辐射能在灯射能在灯转转12BAlLlR待求待求BAlLlR待求待求13P0点的确定点的确定P0FFP0点的确定点的确定P0FF14ee15灯的遮挡灯的遮挡P0式中式中LampRod考虑灯背后的光线被灯本身遮挡的部分，实际的几何转换效率考虑灯背后的光线被灯本身遮挡的部分，实际的几何转换效率灯的遮灯的遮挡挡P0式中式中LampRod考考虑虑灯背后的光灯背后的光线线被灯本身遮被灯本身遮挡挡的的16上面一组曲线不考虑灯遮挡的情况，左侧标尺为相应的效率上面一组曲线不考虑灯遮挡的情况，左侧标尺为相应的效率h hge；下面一组曲线和右侧标尺表示由于灯遮挡而造成损耗。下面一组曲线和右侧标尺表示由于灯遮挡而造成损耗。由上面曲线的值减去下面曲线的值乘以由上面曲线的值减去下面曲线的值乘以rR/rL，可得，可得h hge的大小。的大小。单椭圆聚光腔的效率单椭圆聚光腔的效率上面一上面一组组曲曲线线不考不考虑虑灯遮灯遮挡挡的情况，左的情况，左侧标侧标尺尺为为相相应应的效率的效率hge；17单椭圆聚光腔转换效率的变化规律单椭圆聚光腔转换效率的变化规律v转换效率随转换效率随rR/rL增加而增加，并随偏心率增加而增加，并随偏心率e的的减小而增加，即泵浦源的放大率随椭圆的偏心减小而增加，即泵浦源的放大率随椭圆的偏心率增大，因此用几乎是圆形的聚光腔和尽可能率增大，因此用几乎是圆形的聚光腔和尽可能细的泵浦灯，可以获得最好的转换效率。细的泵浦灯，可以获得最好的转换效率。单椭圆单椭圆聚光腔聚光腔转换转换效率的效率的变变化化规规律律转换转换效率随效率随rR/rL增加而增加增加而增加18漫反射腔的效率漫反射腔的效率漫反射壁的漫反射壁的表面积表面积吸吸收收率率灯的表灯的表面积面积吸吸收收率率腔壁上的腔壁上的开孔面积开孔面积激光棒的吸收率激光棒的吸收率（俘获系数）（俘获系数）激光棒的表激光棒的表面积面积漫反射腔的效率漫反射壁的表面漫反射腔的效率漫反射壁的表面积积吸收率灯的表面吸收率灯的表面积积吸收率腔壁上的吸收率腔壁上的19漫反射腔的俘漫反射腔的俘获效率效率A1圆柱激光棒对各向同性光的俘获效率。圆柱激光棒对各向同性光的俘获效率。参变量参变量n,rR,a a分别是棒的折射率、半径和吸收系数。分别是棒的折射率、半径和吸收系数。漫反射腔的俘漫反射腔的俘获获效率效率A1圆圆柱激光棒柱激光棒对对各向同性光的俘各向同性光的俘获获效率。效率。20泵浦光在激光棒内分布浦光在激光棒内分布v增益和温度分布不均增益和温度分布不均v起振不均起振不均v光斑光斑强度不均度不均v光学畸光学畸变v激光效率和激光效率和发散角散角变坏坏v影响影响泵浦光分布的因素浦光分布的因素聚光器的聚光特性聚光器的聚光特性聚焦或漫反射聚焦或漫反射激光棒表面情况激光棒表面情况抛光或磨毛抛光或磨毛激光棒吸收系数与棒半径之激光棒吸收系数与棒半径之积直照情况直照情况泵泵浦光在激光棒内分布增益和温度分布不均浦光在激光棒内分布增益和温度分布不均21均匀光均匀光场中棒内光能的分布中棒内光能的分布均匀光均匀光场场中棒内光能的分布中棒内光能的分布22椭圆柱聚光腔的柱聚光腔的泵浦光分布浦光分布abcdef灯灯P1P2P3P4椭圆椭圆柱聚光腔的柱聚光腔的泵泵浦光分布浦光分布abcdef灯灯P1P2P3P423聚光腔的聚光腔的设计步步骤1)确定灯棒尺寸确定灯棒尺寸rR、rL2)确定确定DR、DL3)确定确定椭圆腔焦点距离腔焦点距离4)确定确定椭圆腔腔长轴5)确定确定椭圆腔短腔短轴聚光腔的聚光腔的设计设计步步骤骤1)确定灯棒尺寸确定灯棒尺寸rR、rL3)确定确定椭椭24聚光腔常用材料的反射率聚光腔常用材料的反射率聚光腔常用材料的反射率聚光腔常用材料的反射率25光学光学谐振腔是固体激光器的重要振腔是固体激光器的重要组成部分，不同成部分，不同类型的腔型型的腔型结构，构，对激光激光输出的特性，出的特性，诸如功率、模式、光束如功率、模式、光束发散角等散角等都有直接的影响。都有直接的影响。（二）（二）谐振腔参数的振腔参数的选择与与设计无源无源谐振腔的基模参数振腔的基模参数 光学光学谐谐振腔是固体激光器的重要振腔是固体激光器的重要组组成部分，不同成部分，不同类类型的腔型型的腔型结结构，构，对对26镜面上基模光束半径面上基模光束半径 束腰半径束腰半径 束腰与束腰与镜面面间的距离的距离t1和和t2镜镜面上基模光束半径面上基模光束半径束腰半径束腰半径束腰与束腰与镜镜面面间间的距离的距离t1和和t227各种各种谐振腔振腔结构构大曲率半径腔大曲率半径腔共焦腔共焦腔共心腔共心腔凸凹腔凸凹腔半共心腔半共心腔平行平面腔平行平面腔各种各种谐谐振腔振腔结结构大曲率半径腔共焦腔共心腔凸凹腔半共心腔平行平面构大曲率半径腔共焦腔共心腔凸凹腔半共心腔平行平面28(1)等曲率半径腔等曲率半径腔当当RL(2)共心腔共心腔 L=R1+R2(3)等曲率共焦腔腔等曲率共焦腔腔R1=R2=R(1)等曲率半径腔当等曲率半径腔当RL(2)共心腔共心腔L=R1+R2(29(4)平凹腔平凹腔 R1=束腰束腰W0在平面在平面镜上（即上（即t1=0，t2=L），是平凹腔的一个重），是平凹腔的一个重要特点。要特点。(4)平凹腔平凹腔R1=束腰束腰W0在平面在平面镜镜上（即上（即t1=0，t30二、二、谐振腔的振腔的稳定性定性特点：光特点：光线在腔内能往返无限在腔内能往返无限多次而不逸出腔外多次而不逸出腔外特点：光特点：光线在腔内在腔内经有限次往有限次往返后会从返后会从侧面逸出腔外面逸出腔外二、二、谐谐振腔的振腔的稳稳定性特点：光定性特点：光线线在腔内能往返无限多次而不逸出腔外在腔内能往返无限多次而不逸出腔外31谐振腔振腔稳定条件定条件稳定条件稳定条件谐谐振腔振腔稳稳定条件定条件稳稳定条件定条件32稳区图稳区图稳稳区区图图33镜面镜面1上的等相位面曲率半径上的等相位面曲率半径镜面镜面2上的等相位面曲率半径上的等相位面曲率半径镜面镜面1上的基模光斑半径上的基模光斑半径镜面镜面2上的基模光斑半径上的基模光斑半径34镜面上的光束参数面上的光束参数镜镜面面1上的等相位面曲率半径上的等相位面曲率半径镜镜面面2上的等相位面曲率半径上的等相位面曲率半径镜镜面面1上上34多元件腔的多元件腔的G参数等价腔参数等价腔腔内光线往返一周的光束变换矩阵腔内光线往返一周的光束变换矩阵M1M2R1R2a1b1c1d1a2b2c2d2ambmcmdm.a0b0c c0d0M2R2M1R1多元件腔的多元件腔的G参数等价腔腔内光参数等价腔腔内光线线往返一周的光束往返一周的光束变换变换矩矩阵阵M1M235谐振腔稳定条件谐振腔稳定条件G参数参数谐谐振腔振腔稳稳定条件定条件G参数参数3637镜面上的瑞利范围镜面上的瑞利范围腔内的光束分布腔内的光束分布束腰到镜面的距离束腰到镜面的距离远场发散角远场发散角37镜镜面上的瑞利范面上的瑞利范围围腔内的光束分布束腰到腔内的光束分布束腰到镜镜面的距离面的距离远场发远场发散角散角37固体激光器的固体激光器的动态工作特性工作特性(1)Nd:YAG棒的几何棒的几何传输矩矩阵H1泵浦功率浦功率H2屈光度屈光度传输矩矩阵主面位置主面位置Nd:YAG厚透厚透镜h固体激光器的固体激光器的动态动态工作特性工作特性(1)Nd:YAG棒的几何棒的几何传输传输矩矩阵阵38不同不同YAG棒的屈光度与棒的屈光度与泵浦功率的关系浦功率的关系 不同不同YAG棒的屈光度与棒的屈光度与泵泵浦功率的关系浦功率的关系39(2)球面谐振腔的球面谐振腔的动态工作特性动态工作特性腔内光线单程传输矩阵腔内光线单程传输矩阵(2)球面球面谐谐振腔的振腔的动态动态工作特性腔内光工作特性腔内光线单线单程程传输传输矩矩阵阵40G参数参数（x1)G参数（参数（x1)41G参数图上工作点的运动曲线参数图上工作点的运动曲线G1G2乘积乘积工作点从工作点从D=0位置位置a开始，随着功率增加开始，随着功率增加按公式按公式(x1)作直线运动。作直线运动。直线斜率直线斜率kkg02/g01，为图中曲线，为图中曲线I，反之曲线，反之曲线II。两个稳定区两个稳定区D1-D2/D3D3/D2-D4G参数参数图图上工作点的运上工作点的运动动曲曲线线G1G2乘乘积积工作点从工作点从D=0位置位置a开开42b点点(G1G2=1):c点点(G1=0):d点点(G2=0):e点点(G1G2=1):稳区范围稳区范围临界点屈光度临界点屈光度或者或者b点点(G1G2=1):c点点(G1=0):d点点(G2=0)43A.对称球面谐振腔的对称球面谐振腔的动态工作特性动态工作特性 R1=R2=R，d1=d2=d 动态曲线动态曲线G1G2乘积乘积B点点:C(D)点点:E点点:稳区范围稳区范围A.对对称球面称球面谐谐振腔的振腔的动态动态工作特性工作特性动态动态曲曲线线G1G2乘乘积积B点点:44B.平行平面腔的平行平面腔的动态工作特性动态工作特性 R1=R2=动态曲线动态曲线G1G2乘积乘积或或(d2d1)(d2d1)B.平行平面腔的平行平面腔的动态动态工作特性工作特性动态动态曲曲线线G1G2乘乘45C.对称平行平面腔的对称平行平面腔的动态工作特性动态工作特性d1=d2=d 动态曲线动态曲线G1G2乘积乘积A点点:B(C)点点:D点点:稳区范围稳区范围G1=G2=1-dD C.对对称平行平面腔的称平行平面腔的动态动态工作特性工作特性动态动态曲曲线线G1G2乘乘积积A点点:46 失调角度对激光输出功率影响的实验研究失调角度对激光输出功率影响的实验研究(a)谐振腔失调角度谐振腔失调角度 (b)棒相对谐振腔轴线的失调角度棒相对谐振腔轴线的失调角度(a)谐谐振腔失振腔失调调角度角度47输出功率随失调角度的变化曲线输出功率随失调角度的变化曲线 输输出功率随失出功率随失调调角度的角度的变变化曲化曲线线48棒倾斜角度对输出功率的影响棒倾斜角度对输出功率的影响 棒棒倾倾斜角度斜角度对输对输出功率的影响出功率的影响49输出光束参数的研究输出光束参数的研究m阶横模，其腰斑半径、远场发散角为阶横模，其腰斑半径、远场发散角为 光束质量参数光束质量参数 50输输出光束参数的研究出光束参数的研究m阶阶横模，其腰斑半径、横模，其腰斑半径、远场发远场发散角散角为为光束光束质质50谐振腔光束参数示意图谐振腔光束参数示意图 51谐谐振腔光束参数示意振腔光束参数示意图图5151镜面镜面2上基模光斑半径上基模光斑半径P参数参数基模腰斑位置基模腰斑位置基模腰斑半径基模腰斑半径棒主面上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径52镜镜面面2上基模光斑半径上基模光斑半径P参数基模腰斑位置基模腰斑半径棒主面上基参数基模腰斑位置基模腰斑半径棒主面上基52镜面2上多模光斑半径多模光束发散角多模腰斑半径光束质量参数53镜镜面面2上多模光斑半径多模光束上多模光斑半径多模光束发发散角多模腰斑半径光束散角多模腰斑半径光束质质量参数量参数553球面谐振腔的光束参数计算球面谐振腔的光束参数计算(R1=R2=3m，r=5mm)(a)d2=1m，d1=1.2m(b)d2=1.2m，d1=1m54球面球面谐谐振腔的光束参数振腔的光束参数计计算算(R1=R2=3m，r=5mm)(54对称球面腔的光束参数计算(R1=R2=3m,d1=d2=1m，r=5mm)55对对称球面腔的光束参数称球面腔的光束参数计计算算(R1=R2=3m,d1=d2=55镜面镜面2上基模光斑半径上基模光斑半径1）平行平面腔棒主面上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径多模腰斑半径多模腰斑半径多模光束发散角多模光束发散角光束质量参数光束质量参数56镜镜面面2上基模光斑半径上基模光斑半径1）平行平面腔）平行平面腔棒主面上基模光斑半径多模棒主面上基模光斑半径多模56平行平面腔的光束参数计算(r=5mm)(a)d2=1m，d1=1.2m(b)d2=1.2m，d1=1m57平行平面腔的光束参数平行平面腔的光束参数计计算算(r=5mm)(a)d2=1m，572）对称的平行平面腔）对称的平行平面腔 镜面镜面2上基模光斑半径上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径多模腰斑半径多模腰斑半径多模光束发散角多模光束发散角光束质量参数光束质量参数2）对对称的平行平面腔称的平行平面腔镜镜面面2上基模光斑半径棒主面上基模光斑半上基模光斑半径棒主面上基模光斑半58对称平行平面腔参数计算对称平行平面腔参数计算(d1=d2=1m，r=5mm)对对称平行平面腔参数称平行平面腔参数计计算算(d1=d2=1m，r=5mm)59对称平行平面腔不同腔长时的对称平行平面腔不同腔长时的光束质量比较光束质量比较 相同腔长时对称谐振腔的相同腔长时对称谐振腔的光束质量比较光束质量比较 a.双凹腔双凹腔R=4m b.双凹腔双凹腔R=10m c.平行平面腔平行平面腔d.双凸腔双凸腔R=-10m e.双凸腔双凸腔R=-4ma.d1=d2=2m;b.d1=d2=1m;c.d1=d2=0.5mm对对称平行平面腔不同腔称平行平面腔不同腔长时长时的相同腔的相同腔长时对长时对称称谐谐振腔的振腔的a.双凹腔双凹腔R60双棒串接谐振腔的动态工作特性腔内光线单程传输矩阵61双棒串接双棒串接谐谐振腔的振腔的动态动态工作特性工作特性腔内光腔内光线单线单程程传输传输矩矩阵阵6161G参数62G参数参数6262动态曲线G1G2乘积63动态动态曲曲线线G1G2乘乘积积6363动态曲线(1)对称结构的谐振腔d1=d2=dR1=R2=R稳区范围折返点屈光度64动态动态曲曲线线(1)对对称称结结构的构的谐谐振腔振腔d1=d2=dR1=R2=64动态曲线(2)平行平面腔d2=k1d1 dm=k2d1 65动态动态曲曲线线(2)平行平面腔平行平面腔d2=k1d1dm=k2d165动态曲线(3)对称结构的平行平面腔d1=d2=d稳区范围折返点屈光度66动态动态曲曲线线(3)对对称称结结构的平行平面腔构的平行平面腔d1=d2=d稳稳区范区范围围66(3)对称结构的平行平面腔且k2=2,即G1G2乘积稳区范围67(3)对对称称结结构的平行平面腔且构的平行平面腔且k2=2,即即G1G2乘乘积稳积稳区范区范67(4)双棒热效应不一致动态曲线D2=D168(4)双棒双棒热热效效应应不一致不一致动态动态曲曲线线D2=D16868三棒串接谐振腔的动态工作特性腔内光线单程传输矩阵69三棒串接三棒串接谐谐振腔的振腔的动态动态工作特性工作特性腔内光腔内光线单线单程程传输传输矩矩阵阵6969三棒非对称平行平面谐振腔的动态工作曲线70三棒非三棒非对对称平行平面称平行平面谐谐振腔的振腔的动态动态工作曲工作曲线线7070动态曲线(1)对称结构的平行平面腔 d1=d4=dd2=d3=kd稳区范围71动态动态曲曲线线(1)对对称称结结构的平行平面腔构的平行平面腔d1=d4=dd2=d71三个稳区的关系C,D两折返点的屈光度72三个三个稳稳区的关系区的关系C,D两折返点的屈光度两折返点的屈光度7272当k=2动态曲线稳区范围73当当k=2动态动态曲曲线稳线稳区范区范围围7373(2)三棒热效应不一致动态曲线D2=D1,D3=D174(2)三棒三棒热热效效应应不一致不一致动态动态曲曲线线D2=D1,D3=74n棒串接谐振腔的动态工作特性反射镜M1到A平面处的光束传播矩阵75n棒串接棒串接谐谐振腔的振腔的动态动态工作特性工作特性反射反射镜镜M1到到A平面平面处处的光束的光束传传75由Sylvester理论，从M1到M2的单程传输矩阵则为76由由Sylvester理理论论，从，从M1到到M2的的单单程程传输传输矩矩阵则为阵则为776nG=1G=0G=-1101220，2130，40，1，250,2,2,1,1各临界点的dD值77,2,2,1,1各各临临界点的界点的dD值值77775棒串接4棒串接785棒串接棒串接4棒串接棒串接7878*79多棒串接的高功率固体激光器实验研究双棒串接的输出功率曲线79*79多棒串接的高功率固体激光器多棒串接的高功率固体激光器实验实验研究研究双棒串接的双棒串接的输输出功率出功率79三棒串接的输出功率曲线80三棒串接的三棒串接的输输出功率曲出功率曲线线8080不同间距对输出功率的影响(三棒串接）81不同不同间间距距对输对输出功率的影响出功率的影响(三棒串接）三棒串接）8181调整电流对输出功率的影响82调调整整电电流流对输对输出功率的影响出功率的影响828283对称结构的平行平面腔，d1=d2=200mm,dm=600mm,求各临界点及折返点的屈光度，并求出稳区范围。83对对称称结结构的平行平面腔，构的平行平面腔，d1=d2=200mm,dm=683（三）（三）泵浦源浦源泵浦源的作用浦源的作用泵浦激光器使用光源的主要目的是将浦激光器使用光源的主要目的是将电能有效地能有效地转换成成辐射能，并在射能，并在给定的光定的光谱带上上产生高的生高的辐射通射通量。最有效的激光量。最有效的激光泵浦灯将使激光材料在激浦灯将使激光材料在激发荧光光的波的波长上上产生最大的生最大的发射，而在有效吸收射，而在有效吸收带之外的之外的所有光所有光谱范范围内内产生最小的生最小的发射射。常用的常用的泵浦源：氙灯、浦源：氙灯、氪灯、半灯、半导体激光器体激光器（三）（三）泵泵浦源浦源泵泵浦源的作用浦源的作用泵泵浦激光器使用光源的主要目的是将浦激光器使用光源的主要目的是将电电能能84脉冲氙灯脉冲氙灯一种一种在极短在极短时间内内发生高生高强度度闪光的氙灯光的氙灯。能把足。能把足够的的电能能转换为能能够激活离子吸收激活离子吸收的光能的光能辐射。氙气化学性射。氙气化学性质不活不活泼，不燃，不燃烧，也不助燃。天然稀，也不助燃。天然稀有气体中分子量最大、密度最高。有气体中分子量最大、密度最高。22090外85着火电压（V）工作电压（V）负载因子(JS-1/2)单次储能为100J时的频率（Hz）最大瞬时电流（A）推荐单次储能（J）单次储能为100J时的寿命（次）自然冷却强迫空冷水冷40050064.82.5 5 501500100130106脉冲氙灯脉冲氙灯22090外85890220脉冲氙灯一种在极短脉冲氙灯一种在极短时间时间内内发发生高生高强强度度闪闪光的氙灯。能把足光的氙灯。能把足够够的的电电能能85氙灯发射光谱氙灯氙灯发射的光射的光谱如如图所示，它的峰所示，它的峰值波波长分分别在在800nm和和900nm附附近，近，对应Nd:YAG吸收吸收宽带，氙灯在，氙灯在这一波段具有一波段具有较强的的发射光射光谱氙灯氙灯发发射光射光谱谱氙灯氙灯发发射的光射的光谱谱如如图图所示，它的峰所示，它的峰值值波波长长分分别别在在80086Nd:YAG的的吸收光吸收光谱Nd:YAG的吸收光的吸收光谱谱87氪灯灯是固体激光器的是固体激光器的泵浦光源。因浦光源。因其其发光光光光谱与与Nd3+:YAG晶体的吸收晶体的吸收带相匹配，相相匹配，相对光能利用比例光能利用比例较高，是高，是目前国内最主要的目前国内最主要的YAG连续固体激光固体激光器光器光泵光源光源。连续氪灯灯一般一般圆头的表示正，用的表示正，用红色的色的电源源线；尖；尖头的表示的表示负，一般用黑色的，一般用黑色的电源源线 氪氪灯是固体激光器的灯是固体激光器的泵泵浦光源。因其浦光源。因其发发光光光光谱谱与与Nd3+:YAG晶晶88氪灯光灯光谱特性特性峰峰值波波长位于位于760nm,820nm和和900nm附近，与附近，与Nd3+:YAG的的吸收吸收谱带相匹配，相匹配，对连续和小能量和小能量输出出(10 J)的脉冲的脉冲YAG激光器采用激光器采用氪灯激灯激发效率比效率比较高。高。对大型激光器，宜采用大型激光器，宜采用辐射能量射能量较大，效率大，效率较高的脉冲氙灯激高的脉冲氙灯激发。氪氪灯光灯光谱谱特性峰特性峰值值波波长长位于位于760nm,820nm和和900nm891、脉冲氙灯的、脉冲氙灯的结构构壁厚壁厚12mm，内径，内径319mm，长5cm1m。闪光灯光灯室温下的典型充气室温下的典型充气压为41049.3104Pa。一般。一般选氙氙气作气作为闪光灯的充入气体，光灯的充入气体，1、脉冲氙灯的、脉冲氙灯的结结构壁厚构壁厚12mm，内径，内径319mm，长长5cm90脉冲灯的脉冲灯的发光特性光特性在低在低电流密度下氙的流密度下氙的发射光射光谱，充氙，充氙1.75105Pa,氙灯在氙灯在红外部分外部分发射很射很强的的线状光状光谱 气体放气体放电灯的灯的辐射射输出由几个出由几个不同的部分不同的部分组成，每一部分相成，每一部分相应于不同的物理于不同的物理发光机理，并光机理，并强烈地依烈地依赖于灯的功率密度，于灯的功率密度，因而低功率和高功率的因而低功率和高功率的输出光出光谱明明显不同。不同。总的的辐射由射由线状光状光谱和和连续光光谱两部分两部分组成成 脉冲灯的脉冲灯的发发光特性在低光特性在低电电流密度下氙的流密度下氙的发发射光射光谱谱，充氙，充氙1.75191不同不同电流下的流下的发光光谱线在高在高电流密度下氙的流密度下氙的发射光射光谱在高在高电流密度下，流密度下，线状状结构被构被强的的连续光光谱掩盖，另外高掩盖，另外高电流密度使流密度使输出光出光谱向短波方向向短波方向移移动。不同不同电电流下的流下的发发光光谱线谱线在高在高电电流密度下氙的流密度下氙的发发射光射光谱谱在高在高电电流密度下流密度下92脉冲灯的寿命脉冲灯的寿命灯的寿命与工作能量的关系灯的寿命与工作能量的关系 闪光灯的寿命光灯的寿命终结有两种形式，有两种形式，即突然失效和非破坏性失效。即突然失效和非破坏性失效。造成突然失效的原因是灯被点造成突然失效的原因是灯被点燃燃时气体中的冲气体中的冲击波使灯管爆波使灯管爆炸，或者由于灯管及封接炸，或者由于灯管及封接处过热并由并由热负荷而造成漏气。荷而造成漏气。突突然失效与脉冲能量和脉冲然失效与脉冲能量和脉冲宽度度有关，非破坏性失效由灯耗散有关，非破坏性失效由灯耗散的平均功率决定。的平均功率决定。当当闪光灯在光灯在远低于低于额定最大脉冲能量和平定最大脉冲能量和平均功率下工作均功率下工作时，通常不会突，通常不会突然失效，而是以逐然失效，而是以逐渐减小的光减小的光输出出继续工作工作脉冲灯的寿命灯的寿命与工作能量的关系脉冲灯的寿命灯的寿命与工作能量的关系闪闪光灯的寿命光灯的寿命终结终结有两种有两种932、连续氪灯的灯的结构构连续弧光灯的弧光灯的设计类似于直管似于直管闪光灯，不同之光灯，不同之处只是只是为了了电弧弧稳定，定，连续弧光灯的阴极是尖弧光灯的阴极是尖头的，阳极是的，阳极是圆头的。的。典型充气典型充气压为24105Pa 2、连续氪连续氪灯的灯的结结构构连续连续弧光灯的弧光灯的设计类设计类似于直管似于直管闪闪光灯，不同之光灯，不同之处处94连续灯的灯的发光光谱线典型的典型的连续泵浦浦氪弧灯的弧灯的发射光射光谱 连续连续灯的灯的发发光光谱线谱线典型的典型的连续泵连续泵浦浦氪氪弧灯的弧灯的发发射光射光谱谱95氪灯的灯的热特性特性连续泵浦浦氪灯灯输入功率的大小由石英管壁允入功率的大小由石英管壁允许的的应力力决定。而决定。而应力是由管壁内外表面力是由管壁内外表面间的温度梯度以及工的温度梯度以及工作的灯内气体作的灯内气体压力引起的。管壁的力引起的。管壁的热梯度是梯度是 Q为耗散的功率密度，耗散的功率密度，d为壁厚，壁厚，K为热导率。率。对于熔于熔石英，管壁内外表面石英，管壁内外表面间允允许的最大温差的最大温差T=1800 氪氪灯的灯的热热特性特性连续泵连续泵浦浦氪氪灯灯输输入功率的大小由石英管壁允入功率的大小由石英管壁允许许的的应应力决力决96氪灯的灯的电特性特性工作参数和阻抗取决于工作参数和阻抗取决于电流密度、弧流密度、弧长、管径的大小、管径的大小和充气和充气压强。氪弧灯工作弧灯工作电压为80150V，工作，工作电流流为2050A，特性阻抗，特性阻抗值为210 氪氪灯的灯的电电特性工作参数和阻抗取决于特性工作参数和阻抗取决于电电流密度、弧流密度、弧长长、管径的大小和、管径的大小和97半半导体激光器的体激光器的优点点1、光、光电转化效率高，化效率高，节省能源。半省能源。半导体激光器是直接的体激光器是直接的电 子子光子光子转换器，因而它的器，因而它的转换效率很高。目前最高光效率很高。目前最高光电转换效率接近效率接近70%2、半、半导体激光器所覆盖的波段范体激光器所覆盖的波段范围最广。可以通最广。可以通过选用不用不同的半同的半导体激光器有源材料或改体激光器有源材料或改变多元化合物半多元化合物半导体各体各组元元的的组分，而得到范分，而得到范围很广的激射波很广的激射波长以以满足不同的需要。足不同的需要。3、系、系统稳定性高，寿命定性高，寿命长，维护便捷便捷费用低用低4、波、波长较短，金属材料吸收效率高，加工短，金属材料吸收效率高，加工质量好量好5、模、模块化化设计，可以根据不同，可以根据不同应用用设计加工系加工系统6、具有直接、具有直接调制的能力。制的能力。7、体、体积小巧，小巧，结构构紧凑，凑，质量量轻。半半导导体激光器的体激光器的优优点点1、光、光电转电转化效率高，化效率高，节节省能源。半省能源。半导导体激光器体激光器98半半导体激光器的特性体激光器的特性1.发散角散角:水平水平(慢慢轴）方向）方向10o，垂直（快，垂直（快轴）方向）方向40o二极管激光器二极管激光器(单管）在水平与垂直方向的管）在水平与垂直方向的发散角散角 半半导导体激光器的特性体激光器的特性1.发发散角散角:水平水平(慢慢轴轴）方向）方向10o，垂，垂99半半导体激光器体激光器阵列列结构构发散角（散角（FWHM）水平（慢水平（慢轴）方向）方向10o，垂直（快，垂直（快轴）方向）方向40o半半导体激光器体激光器阵列列发光特性光特性半半导导体激光器体激光器阵阵列列结结构构发发散角（散角（FWHM）半）半导导体激光器体激光器阵阵列列发发光特光特100Fast axis(perpendicular to laser bar)60.90(1 m slit):0.3 mm mraddiffraction limitedSlow axis(along laser bar)5.12(10 mm bar):520 mm mradalmost diffuseFastaxis(perpendiculartola101线阵的的发光光线阵线阵的的发发光光102列列阵的的发光光列列阵阵的的发发光光103半半导体激光器体激光器输出特性出特性2.功率特性功率特性半半导导体激光器体激光器输输出特性出特性2.功率特性功率特性104(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计105(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计106(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计107半半导体激光器的体激光器的发光光谱线波波长相相对光光强 中心中心谱线 谱线宽度度1#807.5nm 4nm2#806.8nm 3nm3#805.4nm 3nm 1#2#3#3.谱线特性特性半半导导体激光器的体激光器的发发光光谱线谱线波波长长相相对对光光强强中心中心谱线谱线108半半导体激光器体激光器发射光射光谱与冷却水温的关系与冷却水温的关系半半导导体激光器体激光器发发射光射光谱谱与冷却水温的关系与冷却水温的关系109二极管激光器二极管激光器输出功率与冷却水温的关系出功率与冷却水温的关系二极管激光器二极管激光器输输出功率与冷却水温的关系出功率与冷却水温的关系110第三章第三章 二极管二极管泵浦固体激光器浦固体激光器转换效率高效率高光束光束质量好量好可靠性高可靠性高低低压供供电维护工作量小工作量小Nd:YAG吸收光吸收光谱、泵浦灯浦灯及二极管激光及二极管激光发射光射光谱寿命寿命长体体积小、重量小、重量轻二极管二极管泵浦固体激光器浦固体激光器(DPSSL)的的优点点第三章第三章二极管二极管泵泵浦固体激光器浦固体激光器转换转换效率高光束效率高光束质质量好可靠性高低量好可靠性高低压压111激光技术第二章 典型激光器件LD泵浦的浦的优点点（a）光谱匹配性好）光谱匹配性好在闪光灯很宽的光谱范围内，只有对应于工作物质吸收在闪光灯很宽的光谱范围内，只有对应于工作物质吸收带内的一部分光能被吸收，而其余部分则转变为器件的热带内的一部分光能被吸收，而其余部分则转变为器件的热能。同时，灯发射光谱中的紫外光还会造成工作物质性能能。同时，灯发射光谱中的紫外光还会造成工作物质性能劣化。因此，为减少热效应和紫外光对器件性能的不利影劣化。因此，为减少热效应和紫外光对器件性能的不利影响，采用闪光灯泵浦的固体激光器均要采取冷却和滤光等响，采用闪光灯泵浦的固体激光器均要采取冷却和滤光等措施。致使器件结构复杂，不便于维护。措施。致使器件结构复杂，不便于维护。根据固体激光介质的最强吸收峰，选择适当波长的根据固体激光介质的最强吸收峰，选择适当波长的LD作为泵浦光源，吸收效率高。可以较好地解决上述问题。作为泵浦光源，吸收效率高。可以较好地解决上述问题。激光技激光技术术第二章第二章典型激光器件典型激光器件LD泵泵浦的浦的优优点（点（a）光）光谱谱112激光技术第二章 典型激光器件(b)固体器件总体效率高固体器件总体效率高 采用闪光灯泵浦，与工作物质的吸收光谱之间匹配性差、采用闪光灯泵浦，与工作物质的吸收光谱之间匹配性差、能量转换环节多，器件的总体效率一般仅为百分之几。而采用能量转换环节多，器件的总体效率一般仅为百分之几。而采用LD泵浦，一般泵浦，一般LD的量子效率可达的量子效率可达3550，LD泵浦光转换泵浦光转换为固体激光的效率可达为固体激光的效率可达50以上，故总体效率可达以上，故总体效率可达25以上，以上，比闪光灯泵浦高一个量级。由于减少了工作物质的热效应，使比闪光灯泵浦高一个量级。由于减少了工作物质的热效应，使固体器件输出的激光束质量得到改善。固体器件输出的激光束质量得到改善。(c)体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长 LD体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电源体积的体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电源体积的十分之一。采用十分之一。采用LD泵浦的热效应很小，因此可减小冷却系统，泵浦的热效应很小，因此可减小冷却系统，使器件结构简单、装调维修方便，为固体器件的小型化创造了使器件结构简单、装调维修方便，为固体器件的小型化创造了有利的条件。有利的条件。LD使用寿命长，其典型寿命为使用寿命长，其典型寿命为105小时或小时或109次，次，使固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高。使固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高。激光技激光技术术第二章第二章典型激光器件典型激光器件(b)固体器件固体器件总总体效率体效率113激光技术第二章 典型激光器件激光技激光技术术第二章第二章典型激光器件典型激光器件114半半导体体泵浦固体激光器的浦固体激光器的泵浦方式浦方式工作工作物物质输出出镜808nm泵浦光浦光1064nm固体激光固体激光HT808nmHR1064nmA、端面、端面泵浦浦(End Pumping)特点：特点：1.效率高，光效率高，光-光效率可达光效率可达60%以上以上2.光束光束质量好，量好，M2接近接近13.输出功率出功率4000W808nm泵浦光浦光全反全反镜工作物工作物质输质输出出镜镜1064nm固体激光固体激光B、侧侧面面泵泵浦浦(SideP119DPSSL侧面面泵浦立体示意浦立体示意图 DPSSL侧侧面面泵泵浦立体示意浦立体示意图图120按按圆周均布周均布泵浦立体几何浦立体几何结构构 按按圆圆周均布周均布泵泵浦立体几何浦立体几何结结构构121对称式直接称式直接泵浦浦 对对称式直接称式直接泵泵浦浦122非非对称式直接称式直接泵浦浦 非非对对称式直接称式直接泵泵浦浦1232、圆盘激光器、圆盘激光器DiskLaser工作物质：工作物质：YbYb：YAGYAG输出波长：输出波长：1030nm1030nm光束质量：光束质量：8mm8mmmradmrad输出功率：输出功率：8000W8000W电电-光效率：光效率：2525%Yb:YAGYb:YAG准三能级结构准三能级结构 2、圆盘圆盘激光器激光器Yb:YAG准三能准三能级结级结构构124圆片激光器圆片激光器125圆片状激光器其工作物质的形状为圆片形，其厚度（数毫米）圆片状激光器其工作物质的形状为圆片形，其厚度（数毫米）与径向尺寸相比较小，其泵浦和冷却均通过面进行，因此工作与径向尺寸相比较小，其泵浦和冷却均通过面进行，因此工作物质中温度梯度较小，热透镜效应较低，因此圆片状激光器可物质中温度梯度较小，热透镜效应较低，因此圆片状激光器可以获得好的光束质量。以获得好的光束质量。圆片状激光器常采用圆片状激光器常采用Yb:YAGYb:YAG作为工作物作为工作物质，质，Yb:YAGYb:YAG与与Nd:YAGNd:YAG比较具有以下特点：比较具有以下特点：（1 1）具有更高的掺杂浓度，因此工作物质的吸收系数高。）具有更高的掺杂浓度，因此工作物质的吸收系数高。（2 2）具具有有更更高高的的转转换换效效率率，这这是是由由于于工工作作物物质质中中量量子子缺缺陷陷少少，且上能级粒子的寿命更长引起。且上能级粒子的寿命更长引起。（3 3）较较低低的的受受激激幅幅射射截截面面和和更更高高的的饱饱和和密密度度，允允许许粒粒子子具具有有更更高的储藏能量。高的储藏能量。（4 4）YbYb离子为三能级系统，需要更高的泵浦功率密度和有效的离子为三能级系统，需要更高的泵浦功率密度和有效的冷却，加之其热传导率不及冷却，加之其热传导率不及Nd:YAGNd:YAG，使得工作物质的几何尺寸，使得工作物质的几何尺寸较小，常为针状小棒或薄圆片较小，常为针状小棒或薄圆片 圆圆片激光器片激光器125圆圆片状激光器其工作物片状激光器其工作物质质的的125Yb:YAG辐射光谱 Yb:YAG辐辐射光射光谱谱126Nd:YAG与Yb:YAG 的量子亏损比较Nd:YAG与与Yb:YAG的量子的量子亏亏损损比比较较127圆片激光器128圆圆片激光器片激光器128128(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计129(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计130(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计131(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计132(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计133(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计134(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计135(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计136(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计137(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计138(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计139(激光器件激光器件ppt课课件件)第二章第二章-固体激光器的固体激光器的设计设计1408000W disk laser串接结构 8000Wdisklaser串接串接结结构构1413000W disk laser偏振耦合结构 3000Wdisklaser偏振耦合偏振耦合结结构构1423000W disk laser偏振耦合结构 3000Wdisklaser偏振耦合偏振耦合结结构构1433、固体热容激光器（、固体热容激光器（HCL）工作物质：Nd：GGG(掺钕钆镓石榴石）Nd:YAG陶瓷晶体工作方式：激光激发与冷却分开进行激发发时不冷却冷却时不激发在短时间内用脉冲串泵浦，工作物质内的温度不达到热平衡，而是不断上升。目前最大输出功率为67KW3、固体、固体热热容激光器（容激光器（HCL）工作物）工作物质质：Nd：GGG(掺钕钆掺钕钆144固体热容激光器原理固体热容激光器原理激光器激发时工作物质和外界处于绝热状态，泵浦功率产生的热存储在工作物质中。当激光器不激发时，对工作物质进行冷却，输出功率h为激光能量提取效率，m为工作物质质量，CP为工作物质的比热，T为激光激发期间允许的温升。工作物质受压应力，具有很高的破坏阈值。固体固体热热容激光器原理容激光器原理为为激光能量提取效率，激光能量提取效率，m为为工作物工作物质质质质量，量，CP145二极管泵浦固体热容激光器示意图二极管二极管泵泵浦固体浦固体热热容激光器示意容激光器示意图图146固体热容激光器采用的二极管激光器列阵固体固体热热容激光器采用的二极管激光器列容激光器采用的二极管激光器列阵阵147固体热容激光器采用45度出射的二极管条固体固体热热容激光器采用容激光器采用45度出射的二极管条度出射的二极管条148