全固態(tài)激光器

1、 主講人：陳美玲 組長(zhǎng)：蒙云清 小組成員： 陳美玲 蔣莉莉 李子涵 李明浩 于俊杰 2014級(jí)光電信息科學(xué)與工程 2016-12-19 全固態(tài)激光器主要內(nèi)容 1 固態(tài)激光器簡(jiǎn)介 2.1 全固態(tài)激光器介紹 2.2 全固態(tài)激光器的結(jié)構(gòu)原理 2.3 高平均功率全固態(tài)激光器的應(yīng)用 3 總結(jié) 4 致謝 01固態(tài)激光器1、工作物質(zhì)是激光器的核心，是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的源泉之所在。工作物質(zhì)的形狀目前常用的主要有四種：圓柱形（目前使用最多）、平板形、圓盤形及管狀。2、泵浦源為在工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。工作物質(zhì)類型不同，采用的泵浦方式不同。目前主要采用光泵浦。3、光學(xué)諧振腔為激光振

2、蕩的建立提供正反饋維持激光持續(xù)振蕩以形成受激發(fā)射，還對(duì)振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光的高單色性和高定向性，同時(shí)，諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光的發(fā)明是二十世紀(jì)最偉大的成就之一。固體激光器在激光家族中具有最長(zhǎng)的歷史。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺(tái)激光器。固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。以光為激勵(lì)源，常用的脈沖激勵(lì)源有充氙閃光燈；連續(xù)激勵(lì)源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器是20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的新型激光器。1 固態(tài)激光器簡(jiǎn)介美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室從

3、事紅寶石熒光研究的年青人梅曼使用今天看起來非常簡(jiǎn)單的方法，在1960年7月演示了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器。 梅曼 （Theodore H.Maiman）我國(guó)研制的第一臺(tái)激光器叫做“小球照明紅寶石激光器”，1961年8月誕生于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所。激光器的設(shè)計(jì)師是王之江教授。王之江教授因此被中國(guó)光學(xué)界尊稱為“中國(guó)激光之父”?！靶∏蛘彰骷t寶石激光器”在結(jié)構(gòu)上比梅曼那臺(tái)激光器又前進(jìn)了一大步，主要表現(xiàn)在泵浦氙燈采用直管式，而非螺旋形；紅寶石棒與氙燈并排放在球形聚光器的球心附近。這種結(jié)構(gòu)可以獲得更高的泵浦效率。直至今天，閃光燈泵浦的固體激光器還大都采用這種方式。小球照明紅寶石激光器小球照明紅寶石激光器

4、02全固態(tài)激光器 全固態(tài)激光器的總體效率至少要比燈泵浦高10倍,由于單位輸出的熱負(fù)荷降低，可獲取更高的功率，系統(tǒng)壽命和可靠性大約是閃光燈泵浦系統(tǒng)的100倍,因此，半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)為固體激光器注入了新的生機(jī)和活力，使全固態(tài)激光器同時(shí)具有固體激光器和半導(dǎo)體激光器的雙重特點(diǎn)，它的出現(xiàn)和逐漸成熟是固體激光器的一場(chǎng)革命，也是固體激光器的發(fā)展方向。NoImageNoImageAll solid state laser2.1 全固態(tài)激光器介紹 全固態(tài)激光器具有體積小、重量輕、效率高、 光束質(zhì)量好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)靈便(連續(xù)/重復(fù) 率/長(zhǎng)/短脈沖)等一系列優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)需求十分巨大，已成為激光發(fā)展中最具

5、 前景的方向之一。全固態(tài)激光器All solid state laser請(qǐng)?jiān)诖溯斎肽奈谋尽Ｕ?qǐng)?jiān)诖溯斎肽奈谋?。全固態(tài)激光器它可通過變頻獲得寬波段輸出(紅外、可見、紫外甚至深紫外激光)、便于模塊化和電激 勵(lì)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、工業(yè)加工、 軍事等領(lǐng)域， 成為新一代性能卓越的綠色、節(jié)能光源。深紫外全固態(tài)激光器通過驗(yàn)收 中國(guó)成唯一能實(shí)用化國(guó)家深紫外全固態(tài)激光器通過驗(yàn)收 高平均功率全固態(tài)激光器-圓棒激光器 圓棒激光器是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的固體激光器構(gòu)造。其中圓棒增益介質(zhì)主要有Nd:YAG和Yb:YAG，按抽運(yùn)方式不同可分為端面抽運(yùn)和側(cè)面抽運(yùn)兩種方式。圓棒激光器是目前發(fā)展最成熟

6、、應(yīng)用最廣泛的固 體激光器 構(gòu)造。2.2 全固態(tài)激光器的結(jié)構(gòu)原理 楔形透鏡導(dǎo)光錐結(jié)構(gòu)示意圖 端面抽運(yùn)又稱縱向抽運(yùn)，是指抽運(yùn)光從 晶體棒的端面入射，激光沿晶體棒長(zhǎng)度方向振蕩的抽 運(yùn)方式。采用這種抽運(yùn)方式能使抽運(yùn)光和振蕩光較好 地模式匹配，有利于獲得高效率近衍射極限激光輸出。因而采用 LD 端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的 DPL轉(zhuǎn)換效率一般 較高，輸出光束質(zhì)量也較好。目前端面抽運(yùn)已獲得光 光轉(zhuǎn)換效率大于76%的單橫模激光輸出。圖示 激光抽運(yùn)和冷卻示意圖 然而，端面 抽運(yùn)方式受到諧振腔基模體積的約束，即要實(shí)現(xiàn)抽運(yùn) 光和基?？臻g較好的匹配，需要抽運(yùn)光入射在激光介 質(zhì)的端面面積較小，這樣不僅限制了注入抽運(yùn)光功 率，同時(shí)

7、還在激光介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生較大的局部溫度梯度和 復(fù)雜的熱光效應(yīng)，影響了光束質(zhì)量。而且，由于溫度梯 度導(dǎo)致晶體棒內(nèi)的熱應(yīng)力必須小于晶體自身碎裂應(yīng) 力，以及端面鍍制的抽運(yùn)光和振蕩光的雙色膜的抗激 光損傷閾值一般較低等因素，限制了注入的抽運(yùn)光功 率，因此很難獲得千瓦級(jí)高平均功率輸出，目前獲得 的高平均功率端面抽運(yùn)DPL輸出功率多在百瓦級(jí)。 側(cè)面抽運(yùn)又稱為橫向抽運(yùn)，是指將LD陣列發(fā)出的抽運(yùn)光從晶體棒的側(cè)面注入到晶體棒中，激光沿晶體棒長(zhǎng)度方向振蕩的抽運(yùn)方式。側(cè)面抽運(yùn)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低，采用單個(gè)激光模塊就能很容易輸出百瓦級(jí)甚至千瓦。然而，在側(cè)面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中，晶體棒中的增益分布很難與諧振腔本征基模很好地匹

8、配，而且由于晶體棒中心的溫度比表面高得多，導(dǎo)致較嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)和熱退偏，降低了輸出激光的光束質(zhì)量。而且，抽運(yùn)光要經(jīng)過隔離冷卻液的管道(一般為石英管)和冷卻液(一般為水)才能到達(dá)晶體棒，其中石英管的內(nèi)外表面和晶體棒表面的對(duì)抽運(yùn)光的反射，冷卻液對(duì)抽運(yùn)光的吸收都會(huì)影響抽運(yùn)效率，因此側(cè)面抽運(yùn)的光光轉(zhuǎn)換效率普遍比端面抽運(yùn)要低，一般為 40%左右。不過由于側(cè)面抽運(yùn)很容易將高功率泵光注入到晶體棒中，因此較容易獲得高功率輸出，而且通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，也能獲得百瓦以上的近衍射極限的基模輸出。側(cè)面抽運(yùn) 要獲得高平均功率、高效率、高光束質(zhì)量的激光輸出，首要條件是要保證抽運(yùn)的均勻性 , 同時(shí)還要保持高抽運(yùn)效率。這涉及到抽

9、運(yùn)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、工作介質(zhì)的摻雜濃度以及濃度分布等 ; 其次是設(shè)法消除或補(bǔ)償熱致雙折射，但迄今熱畸變，特別是針對(duì)某一固定的抽運(yùn)功率 ; 由于光效正比于腔內(nèi)增益與損耗之比 , 因此采用高增益、低畸變的工作方式將有利于提高輸 出平均功 率。據(jù)此, Y . H ia r o n 等川 采用 細(xì)棒 、強(qiáng)而均勻抽運(yùn)的結(jié)構(gòu)獲得了良好的效果 。 細(xì)棒中的強(qiáng)抽運(yùn)產(chǎn)生高增益 , 均勻抽運(yùn)引起徑向拋物線溫度分布 , 結(jié)果在寬的抽運(yùn) 范圍內(nèi)都近似一個(gè)沒有熱畸變的透鏡 。邊緣側(cè)面抽運(yùn)半導(dǎo)體激光抽運(yùn)源的兩種結(jié)構(gòu) 鑒于全固態(tài)激光器的全面優(yōu)勢(shì)，高平均功率全固態(tài)激光器在工業(yè)加工和軍事領(lǐng)域的作用越來越顯著。發(fā)達(dá)國(guó)家的加工行業(yè)已經(jīng)逐步進(jìn)入了激光加工時(shí)代。比如德國(guó)的激光加工裝備居于世界領(lǐng)先地位，尤其是在汽車制造和汽車配件行業(yè)中，激光加工技術(shù)被廣泛采用。日本激光加工占到整個(gè)加工制造業(yè)的10%以上。NoImageNoImageapplication2.3 高平均全固態(tài)激光器的應(yīng)用 industrial applicationMilitary application目前在激光制導(dǎo)、激光戰(zhàn)術(shù)干擾和激光測(cè)距方面已經(jīng)廣泛采用全固態(tài)激光器，激光武器作為未來最主要的戰(zhàn)略性武器之一將遍及海陸空