第2章 固體激光材料及典型固體激光器_01

1、第2章 固體激光材料及典型固體激光器2.1 固體激光材料2.2 固體激光器2.1 固體激光材料固體激光材料的主要特性：包括：基質(zhì)材料、激活離子激活離子：發(fā)光中心包括：1）過渡族金屬離子； 2）3價(jià)稀土金屬離子； 3）2價(jià)稀土金屬離子； 4）錒系離子基質(zhì)材料：能為激活離子提供合適的配位場(chǎng)。一般有玻璃、晶體、陶瓷3大類。1）激光晶體）激光晶體 熱導(dǎo)率高、熒光譜線窄、硬度較大。a. 氧化物晶體 (Nd:YAG等)b. 各種鹽類晶體c. 氟化物晶體最重要的元素：釹（Nd）a. 氧化物晶體 最重要的元素：釹（Nd）摻釹激光晶體的中心波長(zhǎng)：0.91 m、1.06 m、1.35 m。1）Nd:YAG 晶體Y

2、AG：硬度高、光學(xué)質(zhì)量好、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好。在激光波長(zhǎng)范圍內(nèi)透過率高，熒光譜線窄。高增益、低閾值輸出激光。目前高效率、高平均功率激光器的增益介質(zhì)之一。中心波長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)能級(jí)躍遷：吸收帶：1.06 m的熒光最強(qiáng)；1.32 m譜線屬于四能級(jí)系統(tǒng)，采用選頻技術(shù)使其振蕩；0.946 m屬于三能級(jí)，閾值高，很難在室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)。2）Nd:YVO4 晶體YVO4 基質(zhì)對(duì)釹離子有敏化作用，可以促進(jìn)其吸收能力，有利于模式的耦合，提高轉(zhuǎn)換效率。發(fā)射截面高，可得到低閾值的激光輸出。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱差，不適于大功率激光輸出；熒光壽命短，不適于脈沖輸出。3）Nd:GdVO4 晶體吸收截面大，發(fā)射截面大。同時(shí)有較高的導(dǎo)熱率。適用

3、于高功率場(chǎng)合，成為L(zhǎng)D泵浦高功率激光器的理想工作物質(zhì)。2）激光玻璃）激光玻璃特性：釹玻璃是玻璃激光材料的典型代表，即以玻璃為基質(zhì)，摻入適量的氧化釹而成的固體激光工作物質(zhì)。激光特性和晶體類似。同樣產(chǎn)生0.91 m、1.06 m、1.35 m波長(zhǎng)的激光。但在室溫下，通常只產(chǎn)生1.06 m的激光振蕩。線寬增加，導(dǎo)致閾值增加，但激光介質(zhì)中儲(chǔ)存能量更多。釹玻璃的光學(xué)均勻性良好，摻雜濃度均勻等，易于制成特大功率的激光器（用于受控?zé)岷司圩兊葘?shí)驗(yàn)中）。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置用磷酸鹽玻璃3）激光陶瓷）激光陶瓷多數(shù)情況下透明，晶粒尺寸在幾十微米，其光學(xué)性能、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能等類似于晶體或優(yōu)于晶體。固體激光材料熱效應(yīng)研

4、究的實(shí)例固體激光材料熱效應(yīng)研究的實(shí)例固體激光器在連續(xù)和脈沖工作方式下，輸入泵浦源的能量只有少部分（約為百分之幾）轉(zhuǎn)化為激光輸出，其余能量轉(zhuǎn)化為熱損耗。熱損耗導(dǎo)致激光器件熱形變、光彈效應(yīng)、應(yīng)力雙折射等現(xiàn)象。解決方法：半導(dǎo)體制冷或循環(huán)水冷卻?；跀?shù)值法，建立符合實(shí)際條件的單端泵浦方形激光晶體熱模型。泵浦光為高斯分布。激光晶體沿軸向?qū)ΨQ加熱，周邊溫度恒定的特點(diǎn)。熱傳導(dǎo)方程+邊界條件，得到激光晶體的溫度場(chǎng)和熱形變場(chǎng)等。1、單端泵浦、周邊恒溫方形激光晶體熱模型Z=0平面處泵浦光分布：Z=z平面處經(jīng)晶體吸收后泵浦光分布：考慮由于熒光量子效應(yīng)和內(nèi)損耗吸收泵浦光的能量而發(fā)熱：熱轉(zhuǎn)換效率：邊界條件為：2、方形激

5、光晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)激光晶體內(nèi)部熱傳導(dǎo)遵守Poisson方程：可得：其中，利用Matlab軟件，計(jì)算激光晶體內(nèi)部的溫度場(chǎng)。1）方形Nd:GdVO4晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)：2）泵浦光功率變化對(duì)方形Nd:GdVO4晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響：3）泵浦光光斑變化對(duì)方形Nd:GdVO4晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響：4）吸收系數(shù)變化對(duì)方形Nd:GdVO4晶體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響：摻雜濃度越低，吸收系數(shù)越小。其中，泵浦光功率及泵浦光斑相同但吸收系數(shù)不同，在晶體中形成的熱源強(qiáng)度及分布有較大差別。吸收系數(shù)越大，熱源越向端面集中。強(qiáng)烈的熱應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致端面破裂。吸收系數(shù)越大，熱源越向端面集中。強(qiáng)烈的熱應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致端面破裂。3、方形激光晶體泵浦端面熱形變場(chǎng)激光晶體受熱膨脹會(huì)使晶體發(fā)生熱形變，嚴(yán)重影響激光輸出的品質(zhì)。設(shè)晶體內(nèi)部一點(diǎn)（x,y,z）處初始溫度為0，則熱平衡后，吸收系數(shù)減小，有利于熱負(fù)載分散，減小端面上的熱應(yīng)力