固體激光器光路設(shè)計——激光原理課程設(shè)計

1、激光原理與技術(shù)課程設(shè)計課題名稱： 固體激光器光路設(shè)計與計算 專業(yè)班級： 2011級光信息 學(xué)生學(xué)號： * 學(xué)生姓名： 學(xué)生成績： 指導(dǎo)教師： * 課題工作時間： 2014.6.4 至 2014.6.13 武漢工程大學(xué)教務(wù)處 一、課程設(shè)計的任務(wù)和要求要求：1、具備獨立查閱激光原理、激光技術(shù)以及激光器件相關(guān)文獻和資料；能提出并較好地的實施方案；具有收集、加工各種信息及獲得新知識的能力。2、具備獨立設(shè)計激光器的能力，能對基本激光應(yīng)用系統(tǒng)的進行研究、分析及比較的能力。3、具備采用計算機軟件進行數(shù)值計算、仿真、繪圖等能力。4、工作努力，遵守紀律，工作作風(fēng)嚴謹務(wù)實，按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)。5、綜述簡練完整

2、，立論正確，論述充分，結(jié)論嚴謹合理；文字通順，技術(shù)用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確。6、工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一定改進或獨特見解。7、內(nèi)容不少于3000字，圖和計算結(jié)果要求打印。 技術(shù)參數(shù)：1、9個808半導(dǎo)體激光器組成側(cè)泵模塊，功率180W，北京吉泰； 2、Nd:YVO4晶體尺寸3×65mm；激光器輸出功率50； 3、8倍擴束； 4、諧振腔長48厘米，側(cè)泵模塊放置腔中間，Q開關(guān)位于模塊和全反射鏡中間；腔鏡為平面反射鏡，透射率為15%。 任務(wù)：1、簡述半導(dǎo)體泵浦的激光器原理和應(yīng)用 2、參照實驗室原型，用solidworks軟件畫出激光器的設(shè)計圖

3、 3、側(cè)泵激光器腔長480mm，輸出鏡曲率半徑為5m，聚焦透鏡離輸出鏡520mm，焦距為45mm，計算經(jīng)聚焦以后的激光光斑直徑。用Matlab軟件計算輸出（用Q參數(shù)方法計算，寫出Matlab程序） R1= F=45mm L=48cmR2 =5mT=15%L=100cm 二、進度安排 1、2014.6.4-2014.6.4 選題 2、2014.6.4-2014.6.11 分析資料、提出設(shè)計方案 3、2014.6.10-2014.6.12 討論、修改方案，寫出初稿 4、2014.6.13 定稿交稿三、參考資料或參考文獻 1、激光原理第五版，周炳琨 2、激光器設(shè)計基礎(chǔ)，赫光生、雷仕湛 3、激光器件與

4、設(shè)計，呂百達 4、固體激光工程，孫文 5、激光光學(xué)激光束的傳輸變換和光束質(zhì)量控制，呂百達 6、solidwork產(chǎn)品設(shè)計范例，清華大學(xué)出版社 7、Matlab程序設(shè)計與應(yīng)用，高等教育出版社 指導(dǎo)教師簽字：* 2014年 6 月 4 日 教研室主任簽字： 2014年 6 月 4日四、課程設(shè)計摘要（中文）摘要：激光是二十世紀最重大、最實用的發(fā)明之一，它在短短幾十年內(nèi)就推廣應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通信、國防和科學(xué)技術(shù)的各個方面。激光是光的受激輻射，因而它與自發(fā)輻射的普通光源不同，具有極好的方向性、極高的光亮度和相干性。自第一臺紅寶石激光器問世，固體激光器就一 直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位，特別是

5、在20 世紀80 世紀80 年代出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固化固體激光器更因為體積小、重 量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長 等優(yōu)點，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。本次設(shè)計簡述了半導(dǎo)體泵浦的激光器原理和應(yīng)用，參照實驗室原型，用Solidworks軟件畫出了激光器的設(shè)計圖；根據(jù)設(shè)計基本參數(shù)，使用Matlab軟件計算出了經(jīng)聚焦以后的光斑半徑與位置。關(guān)鍵詞：固體激光器；Solidworks；Matlab五、課程設(shè)計摘要（英文） Abstract：Laser is one of the most significant and most useful invention i

6、n twentieth Century.it is applied to every aspect of modern industry, agriculture, medicine, communication, national defense and science and technology in just a few decades. Laser light amplification by stimulated emission of radiation, so it and the spontaneous radiation of common light sources of

7、 different, directional, high has excellent brightness and coherence. Since the first ruby laser, solid state laser has been dominated the development of the laser, especially the full solidified solid laser appeared in twentieth Century eightieth Century 80 years of semiconductor lasers and on the

8、basis of the more because the advantages of small size, light weight, high efficiency, stable performance, good reliability and long service life, photoelectric industry has gradually become the most promising field. This design introduces the principle and application of laser diode pumped, referen

9、ce laboratory prototype, using Solidworks software to draw a design laser; according to the basic parameters of the design, use Matlab software to calculate the radius and position focus future.Keywords：solid-state lasers; Solidworks; Matlab六、指導(dǎo)教師評分評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重得分調(diào)查論證能獨立查閱文獻和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實施方案；

10、有收集、加工各種信息及獲得新知識的能力。10實踐能力獨立設(shè)計、計算、繪圖的能力（課程設(shè)計）；能正確選擇研究（實驗）方法，獨立進行研究的能力（學(xué)年論文） 15分析解決問題能力能運用所學(xué)知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實際問題（課程設(shè)計）；或能對課題進行理論分析，得出有價值的結(jié)論（學(xué)年論文）。15工作量、工作態(tài)度按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿，難度較大，工作努力，遵守紀律；工作作風(fēng)嚴謹務(wù)實。10質(zhì)量綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結(jié)論嚴謹合理（或設(shè)計過程完整，設(shè)計內(nèi)容完全）；文字通順，技術(shù)用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確；論文（設(shè)計）結(jié)果有參考價值。40外語和計

11、算機應(yīng)用能力在課程設(shè)計或?qū)W年論文中，能夠體現(xiàn)外語和計算機的應(yīng)用能力。5創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識；對前人工作有改進或獨特見解。5綜合評語指導(dǎo)教師簽字： 2014 年 6月 12 日 七、答辯記錄記錄人（簽字）： 2014年 6月 13日答辯意見及答辯成績答辯小組教師（簽字）： 2014年 6月 13日課程設(shè)計總評成績：（指導(dǎo)教師評分×80%+答辯成績×20%）目錄前言8第一章 半導(dǎo)體泵浦激光器原理和應(yīng)用81.1 激光原理91.2 半導(dǎo)體泵浦激光器的應(yīng)用10第二章 激光器的設(shè)計過程112.1 半導(dǎo)體泵浦激光器設(shè)計方案112.2 激光器的設(shè)計圖112.3 計算聚焦后激光光斑直徑122

12、.4 聚焦透鏡焦距與光斑半徑的關(guān)系14第三章 總結(jié)15參考文獻15前言激光是二十世紀最重大、最實用的發(fā)明之一。1917年愛因斯坦提出受激輻射理論，1958年12月肖洛和湯斯發(fā)明激光原理，1960年7月梅曼制成世界第一臺紅寶石激光器。激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。 半導(dǎo)體泵浦532nm綠光激光器具有波長短、光子能量高、在水中傳輸距離遠和人眼敏感等優(yōu)點，效率高、壽命長、體積小、可靠性好。近幾年在光譜技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)、信息存儲、彩色打印、水下通訊、激光技術(shù)等科學(xué)研究及國民經(jīng)濟許多領(lǐng)域中展示出極為重要的應(yīng)用，成為各國研究的重點。自第一臺紅寶石激光器問世，固體激光器

13、就一 直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位，特別是在20 直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位，特別是在20 世紀80 世紀80 年代出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固化固體激光器更因為體積小、重 量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長 等優(yōu)點，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的 領(lǐng)域。目前世界范圍內(nèi)銷售的商品固體激光器 已有500 余種，但從1998 已有500 余種，但從1998 年開始，固體激光器中的Nd:YAG 中的Nd:YAG 激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位。 傳統(tǒng)的固體YAG 傳統(tǒng)的固體YAG 激光器，通常由摻釹釔鋁石 榴石晶體棒、泵浦燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、 電源及制冷系統(tǒng)組成，

14、其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。 電源及制冷系統(tǒng)組成，其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。 另一方面整個激光器需要龐大的制冷系統(tǒng)，體 積很大。泵浦燈的壽命約為300 積很大。泵浦燈的壽命約為300 到1000 小時， 操作人員需花很多時間頻繁的換燈，中斷系統(tǒng) 工作，使自動化生產(chǎn)線的效率大大降低， 工作，使自動化生產(chǎn)線的效率大大降低，間接 提高了生產(chǎn)成本。因此技術(shù)上沒有大的發(fā)展空 間?，F(xiàn)在國際上的激光廠家已經(jīng)淘汰了中小功率燈泵浦固體激光器的生產(chǎn)和研發(fā)，將來隨著大功率的二極管、光纖激光器的研發(fā)和應(yīng)用，成本的下降，燈泵浦固體激光器將會逐步淘汰。 這是固體激光器的發(fā)展方向。第一章 半導(dǎo)體泵浦激光器原理和應(yīng)用1.1 激光原

15、理 光與物質(zhì)的相互作用可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，有三種過程：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。如果一個原子開始處于基態(tài)，在沒有外來光子，它將保持不變，如果一個能量為hv21的光子接近，則它吸收這個光子，處于激發(fā)態(tài)E2。在此過程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有光子的能量正好等于原子的能級間隔E1-E2時才能被吸收。 圖1-1 光與物質(zhì)作用的吸收過程 激發(fā)態(tài)壽命很短，在不受外界影響時，它們會自發(fā)地返回到基態(tài)，并放出光子。自發(fā)輻射過程與外界作用無關(guān)，由于各個原子的輻射都是自發(fā)的、獨立進行的，因而不同原子發(fā)出來的光子的發(fā)射方向和初相位是不相同的。 光與物質(zhì)作用的自發(fā)輻射過程 ：處于激發(fā)態(tài)的原子，在外的

16、光子的影響下，會從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并兩個狀態(tài)間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去。只有外來光子的能量正好為激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級差時，才能引起受激輻射且受激輻射發(fā)出的光子與外來光子的頻率、發(fā)射方向、偏振態(tài)和相位完全相同。激光的產(chǎn)生主要依賴受激輻射過程。 圖1-2 光與物質(zhì)作用的受激輻射過程 激光器主要由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源組成。工作物質(zhì)主要提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦過程使粒子從基態(tài)E1抽運到激發(fā)態(tài)E3、E3上的粒子通過無輻射躍遷，該過程粒從高能機級躍遷到低能級時能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚓Ц裾駝幽?，但不輻射光子，迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2。E2是一個壽命較長的能級，這樣處于E2上的粒子不斷積累，E1上的粒子，又由

17、于抽運過程而減少，從而實現(xiàn)E2與E1能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。圖1-3 三能級系統(tǒng)示意圖激光產(chǎn)生必須有能提供光學(xué)正反饋的諧振腔。處于激發(fā)態(tài)的粒子 由于不穩(wěn)定性而自發(fā)輻射到基態(tài)自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子各個方向都有偏離軸向的光子很快逸出腔外只有沿軸向的光子部分通過輸出鏡輸出部分被反射回工作物質(zhì)在兩個反射鏡間往返多次被放大形成受激輻射的光放大即產(chǎn)生激光。1.2 半導(dǎo)體泵浦激光器的應(yīng)用國內(nèi)半導(dǎo)體泵浦固體激光器市場化水平已經(jīng)達到數(shù)百瓦，實驗室水平已經(jīng)達到千瓦級。在應(yīng)用上，大功率半導(dǎo)體泵浦固體激光器以材料加工為主，包括了常規(guī)的激光加工：主要是材料加工，如激光標記、激光焊接、激光切割和打孔等，結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、工作可

18、靠的大功率半導(dǎo)體泵浦固體激光打標機產(chǎn)品系列已經(jīng)在國內(nèi)得到了規(guī)模應(yīng)用，在國外，千瓦級的半導(dǎo)體泵浦固體激光器已有產(chǎn)品，德國、美國汽車焊接就已經(jīng)用到了千瓦級半導(dǎo)體泵浦固體激光焊劑機，在原理和技術(shù)方案上半導(dǎo)體泵浦固體激光器定標到萬瓦都是可行的，主要受限于成本和市場需求的限制。二倍頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器在微電子行業(yè)、三倍頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器在激光快速成型領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。除材料加工外，大功率半導(dǎo)體泵浦固體激光器還可以用于同位素分離（二倍頻、綠光）、激光核聚變、科學(xué)研究、醫(yī)療、檢測、分析、通訊、投影顯示以及軍事國防等領(lǐng)域，具有極其重要的應(yīng)用價值。第二章 激光器的設(shè)計過程2.1 半導(dǎo)體泵浦激光器設(shè)計方

19、案 在固體激光器中，由泵浦系統(tǒng)輻射的光能，經(jīng)過聚焦腔，使在固體工作物質(zhì)中的激活粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過諧振腔，從而輸出激光。本次設(shè)計半導(dǎo)體泵浦激光器參照實驗室原型，用solidworks軟件畫出激光器的設(shè)計圖，該激光器的組成部分有紅外光源、腔鏡1、Q開關(guān)、泵浦系統(tǒng)、腔鏡2、8倍擴束鏡、45°反射鏡。然后根據(jù)激光器的設(shè)計參數(shù)，計算出各個裝配體的合理擺放位置。最后根據(jù)設(shè)計參數(shù)利用MATLAB計算出聚焦以后的激光光斑束腰半徑。2.2 激光器的設(shè)計圖激光器的設(shè)計圖效果圖如圖2-1，諧振腔兩端的反射鏡為R1=的平面鏡和R2=5m的透鏡，其中R1為全反鏡，R2為透

20、射率為15%的鏡片，兩鏡間距為48CM。泵浦源位于兩平面鏡中心處，激光晶體是Nd:YAG , 可產(chǎn)生高增益、低閡值的激光作用。泵浦燈是LD，三列LD陣列互成1200角環(huán)繞在激光晶體周圍。Q開關(guān)位于泵浦源和全反鏡連線的中心處。激光出射鏡的外側(cè)有一個擴束鏡，用來聚焦。 圖2-1激光器的設(shè)計圖效果圖 圖2-2 激光器結(jié)構(gòu)正視圖圖2-3 激光器結(jié)構(gòu)左視圖與尺寸標注注：圖2-3從左到右依次為紅外光源、腔鏡1、Q開關(guān)、泵浦系統(tǒng)、腔鏡2、8倍擴束鏡、45°反射鏡。2.3 計算聚焦后激光光斑直徑圖2-4 激光器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示，R1個R2構(gòu)成激光諧振腔，波長為1064nm，激光從R2端輸出，經(jīng)焦距

21、為F的透鏡聚焦。其中R1=；R2=5.0m；L12=0.48m；L=1.00m；F=0.045m。利用Q參數(shù)法計算來計算光斑半徑。由公式2-1中的計算可知共焦參數(shù)為 (2-1)可看出本次設(shè)計的激光器諧振腔是平凹腔上式可簡化為 ，代入數(shù)據(jù)得，。傳播距離變換矩陣為 ，平面反射鏡變換矩陣為，聚焦透鏡傳輸矩陣為?？倐鬏斁仃嚍椋?= 通過聚焦后的q參數(shù)參考公式2-2計算出 （2-2）聚焦后光斑束腰半徑由公式2-3計算出 （2-3）利用Matlab計算出聚焦后的光斑束腰與位置，程序如下：運行結(jié)果如下：對結(jié)果進行整理，通過聚焦后的q參數(shù)：則 ，聚焦后光斑束腰半徑聚焦后光斑直徑與透鏡F的距離：。2.4 聚焦透鏡焦距與光斑半徑的關(guān)系為了進一步探索光斑半徑與聚焦透鏡半徑的關(guān)系，通過改變聚焦透鏡的焦距F來觀察光斑半徑w的大小變化。使用Matlab軟件來描繪兩者的曲線關(guān)系圖。程序如下：