YAG激光器技術(shù)原理及應(yīng)用

1、YAG激光器技術(shù)原理及應(yīng)用YAG激光器是以釔鋁石榴石晶體為基質(zhì)的一種固體激光器。釔鋁石榴石的化學(xué)式是Y3AI5015,簡稱為YAG。在YAG基質(zhì)中摻入激活離子Nd3+（約1%）就成為Nd:YAG。實(shí)際制備時是將一定比例的AI203、Y203和Nd03在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd:YAG屬于立方晶系，是各向同性晶體。由于Nd:YAG屬四能級系統(tǒng)，量子效率高，受激輻射面積大，所以它的閾值比紅寶石和釹玻璃低得多。又由于Nd:YAG晶體具有優(yōu)良的熱學(xué)性能，因此非常適合制成連續(xù)和重頻器件。它是目前在室溫下能夠連續(xù)工作的唯一固體工作物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中，目前應(yīng)用Nd:YAG的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他工作物質(zhì)。

2、和其他固體激光器一樣，YAG激光器基本組成部分是激光工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔。不過由于晶體中所摻雜的激活離子種類不同，泵浦源及泵浦方式不同，所采用的諧振腔的結(jié)構(gòu)不同，以及采用的其他功能性結(jié)構(gòu)器件不同,YAG激光器又可分為多種，例如按輸出波形可分為連續(xù)波YAG激光器、重頻YAG激光器和脈沖激光器等；按工作波長分為1.06ymYAG激光器、倍頻YAG激光器、拉曼頻移YAG激光器（X=1.54gm）和可調(diào)諧YAG激光器（如色心激光器）等；按摻雜不同可分為Nd:YAG激光器、摻Ho、Tm、Er等的YAG激光器；以晶體的形狀不同分為棒形和板條形YAG激光器；根據(jù)輸出功率（能量）不同，可分為高功率和中小功

3、率YAG激光器等。形形色色的YAG激光器，成為固體激光器中最重要的一個分支。相關(guān)技術(shù)激光材料;泵浦技術(shù);固體激光器技術(shù)；電子技術(shù)技術(shù)難點(diǎn)盡管以YAG晶體為基質(zhì)的YAG激光器從問世迄今已經(jīng)20多年，技術(shù)和工藝都比較成熟并得到廣泛應(yīng)用，但隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，YAG激光器的研究工作仍舊方興未艾，依然是目前激光器研究的熱點(diǎn)。為了提高YAG激光器的效率、輸出功率和光束質(zhì)量，擴(kuò)展其頻譜范圍，人們在激光材料、結(jié)構(gòu)和泵浦源及泵浦方式等技術(shù)和工藝方面繼續(xù)開展研究和改進(jìn)工作，要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有：1、尋求新的激光材料。通過在YAG基質(zhì)中摻雜Er、Ho、Tm等激活離子將Nd:YAG的激光波長擴(kuò)展至2gm左右，使大

4、氣傳輸性能得到改善，并提高激光對人眼損傷閾值，通過摻雜Yb激活離子，提高工作效率等。2、尋求新的激光器結(jié)構(gòu)。采用板條狀晶體，實(shí)現(xiàn)面泵浦和面散熱，以提高轉(zhuǎn)換效率，改善光束質(zhì)量。降低加工成本，簡化結(jié)構(gòu)，解決散熱問題仍然是努力的方向。3、尋求新的泵浦源和泵浦方式。用二極管激光器取代燈泵浦，是YAG激光器技術(shù)的一項(xiàng)重大突破,使激光器性能得到顯著改善，但是二極管泵浦技術(shù)比較復(fù)雜，成本比較高，泵浦源自身的散熱等問題，仍然需進(jìn)一步解決。國外概況YAG激光器問世較紅寶石和釹玻璃激光器為晚,1964年YAG晶體首次制成，經(jīng)過幾年的努力，使材料的光學(xué)和物理性能不斷改善，攻克了大尺寸YAG晶體的制備工藝，直到197

5、1年已能拉制出直徑為40mm、長度為200mm的大尺寸Nd:YAG晶體，為YAG激光器的研制提供了成本適中的優(yōu)質(zhì)晶體，推動了YAG激光器的發(fā)展和應(yīng)用，美國西爾凡尼亞公司于1971年推出YAG激光精密跟蹤雷達(dá)（PATS系統(tǒng)）用于導(dǎo)彈測量靶場。在70年代進(jìn)入了研究和應(yīng)用YAG激光器的熱潮，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的研究機(jī)構(gòu)都投入大量人力和財(cái)力，研究的主要內(nèi)容是提高YAG激光器的效率、功率和可靠性，解決工程化問題，同時在激光測距、激光雷達(dá)、激光工業(yè)加工、激光醫(yī)療等領(lǐng)域出現(xiàn)了一些應(yīng)用成果。0年代YAG激光器研究和應(yīng)用的基本技術(shù)已比較成熟，進(jìn)入大發(fā)展時期，成為各種激光發(fā)展和應(yīng)用的主流。然而由于固體激光器在相干性

6、、脈沖重頻和輸出功率等方面受到局限，因而遇到C02激光器的挑戰(zhàn)，同時，傳統(tǒng)的園棒形YAG激光器效率低（3%）,熱效應(yīng)嚴(yán)重的固有缺點(diǎn)，因而限制了其高功率輸出和高重復(fù)頻率，光束質(zhì)量也難以保證，迫使人們尋求新的結(jié)構(gòu)形式和泵浦方法，板條形YAG激光器和二極管泵浦YAG激光器成為YAG激光器的重要發(fā)展方向。新型面泵浦、面冷卻板條狀幾何結(jié)構(gòu)的YAG激光器概念于1972年首次由美國通用電氣公司提出并獲得專利，但由于工藝技術(shù)上存在困難，研究工作一直進(jìn)展不大，為此斯坦福大學(xué)對板條激光器技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了千瓦級活動板條激光器的設(shè)計(jì)方案和可靠性試驗(yàn)，得到更好的光束質(zhì)量和更高的平均輸出功率，引起

7、世界各國的重視，其后得到迅速發(fā)展。美國通用電氣公司在80年代末已研制成功千瓦級的板條YAG激光器和600W的材料加工樣機(jī)。西歐尤里卡計(jì)劃的固體激光規(guī)劃中將板條YAG激光器作為3kW高功率工業(yè)用固體激光器的選擇方案。由于板條YAG激光器能獲得高平均輸出功率的同時保證高光束質(zhì)量，因此美國、西歐和日本將研究的重點(diǎn)放在千瓦級板條激光器上，這一研究工作在實(shí)用化方面的進(jìn)展將在激光材料加工等方面增強(qiáng)固體激光器與CO2激光器的競爭能力，在軍事上的應(yīng)用前景也十分誘人。板條YAG激光器能否在一些主要應(yīng)用領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的棒狀YAG激光器，取決于板條激光介質(zhì)加工成本的大幅度降低，聚光腔結(jié)構(gòu)的簡化，熱效應(yīng)的進(jìn)一步克服和光

8、腔的最佳化設(shè)計(jì)等一系列工程技術(shù)研究工作的完美解決。80年代以來，半導(dǎo)體二極管激光器（LD）技術(shù)和制造工藝逐步成熟，為固體激光器提供了一種理想的泵浦源，與傳統(tǒng)的泵浦燈相比丄D具有輸出功率高，壽命長的優(yōu)點(diǎn)，特別是它的輸出與YAG激光介質(zhì)的吸收帶相一致，因此使二極管泵浦的YAG激光器具有突出的優(yōu)點(diǎn)：1）泵浦效率高，可達(dá)20%左右（燈浦泵效率只有百分之幾）；2）隨著效率的提高，激光介質(zhì)的熱負(fù)荷下降，因此大大改善光束質(zhì)量；3）壽命長（LD的壽命達(dá)數(shù)萬小時,脈沖達(dá)1011次），可靠性高；4）體積小，重量輕，適于小型化應(yīng)用。其不足之處是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。盡管如此，二極管激光器取代傳統(tǒng)的泵浦燈已成為YAG激

9、光器的一個重要發(fā)展方向。90年代以來，二極管泵浦的YAG激光器的研究工作取得重要進(jìn)展，先后解決了泵浦方式，泵浦光耦合技術(shù)，固體激光介質(zhì)的冷卻和熱效應(yīng)補(bǔ)償問題，使激光器的泵浦效率、輸出功率、波束質(zhì)量都達(dá)到新的水平。1996年以前，國際上連續(xù)激光二極管的最高水平為20W,用它泵浦Q開關(guān)YAG激光器，其最好輸出水平為10kHz,15kW。1998年，德國用連續(xù)LD泵浦Q開關(guān)YAG激光器，得到6.25kHz、15mJ、60ns、250kW的輸出,可作為軍用探測裝備的光源。隨著LD輸出功率的提高，高功率LD泵浦的YAG激光器的輸出水平也不斷提高,表1中列出最近幾年美國、德國和日本等國的高功率二極管泵浦YAG激光器的性能。二極管泵浦的YAG激光器的發(fā)展為成熟的YAG激光器技術(shù)注入了新的活力，展現(xiàn)出更加誘人的應(yīng)用前景,在軍事領(lǐng)域（激光測距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)等）、激光工業(yè)加工、激光醫(yī)療和科學(xué)研究等方面得到廣泛的應(yīng)用。影響YAG激光器是軍用裝備中應(yīng)用最廣泛的一種激光器，主要用作激光雷達(dá)、激光測距、激光制導(dǎo)和激光對抗等方面。由于它具有測量精度極高，抗電子干擾能力強(qiáng)，使武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度和殺傷威力大大提高，在激光雷達(dá)面臨反輻射導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)、低空超低空突防和隱身目標(biāo)嚴(yán)重威脅的情況下，采用激光系統(tǒng)可以增強(qiáng)武器裝備的戰(zhàn)斗力和生存能力，起到武器裝備能力倍增器的作用，其軍事效能已在多次實(shí)戰(zhàn)中得到驗(yàn)證