固体激光器课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2012，高春清,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,激光原理与技术,高春清：信息楼5014,电话：68912574，,Email:,激光的发明,1917,年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础；,1958,年美国,Colombia University,（,贝尔实验室）的,Charles H.,Townes,（汤斯）教授和他的学生,James P.Gordon,和,Herbert J.,Zeiger,把微波放大的技术应用于光波，奠定了激光发展的基础。,同一年，前苏联的,Lebedev,institute of Moscow,的,Alexander M.,Prokhorov,和,Nikolai G.,Bassov,也在微波放大器上作出了同样的贡献,激光的发明,1964年诺贝尔物理奖得主 Prokhorov,Townes 和 Basov,固体激光器,1 固体工作物质,2 光泵浦系统,一、灯泵浦系统（灯、聚光腔）,二、激光二极管（LD）泵浦固体激光器,3 工作物质的热效应及冷却,4 固体激光器的输出特性,1960,年美国的梅曼,(,T.Maiman,),研制成功世界上的第一台激光器红宝石激光器,1961,年,8,月,:,我国第一台激光器诞生于中科院长春光机所,固体激光器发展历史,固体激光器的发展,固体激光器的发展经历了,3个,阶段,：,上个世纪60年代的快速发展时期；,70-80年代发展相对缓慢，后逐步复苏；,90年代以来的持续快速发展时期,。,固体激光器研究领域中的一些热点问题,：,固体工作物质：高功率、高储能、大尺寸；,泵浦方式：激光二极管泵浦固体激光器；,超短、超强激光技术及其非线性光学效应的研究。,激光器的基本组成,工作物质：,实现粒子数反转,产生光的受激辐射放,大作用;,泵浦系统：,为实现工作物质中的粒子数反转提供所,需的外界能量;,谐振腔：,(1)为建立激光振荡提供正反馈;,(2)谐振腔的参数影响输出激光束质量,固体激光器的基本结构,闪光灯泵浦固体激光器示意图,固体激光器的基本结构,端面泵浦特点：泵浦光方向与激光输出方向一致,激光二极管端面泵浦固体激光器示意图,固体激光器的基本结构,侧面泵浦特点：泵浦光方向与激光输出方向垂直,激光二极管侧面泵浦固体激光器示意图,3.3.1固体工作物质,固体激光工作物质：在晶体、玻璃等固体基质材料中掺入少量金属离子（如,Nd,3+,，,Tm,3+,Ho,3+,等）实现,固体激光工作物质的组成：,激活离子和基质,激活离子,和它的配位场决定固体激光的能级结构、荧光寿命和激光特性，激光跃迁发生在激活离子的不同能级之间,基质材料,决定激光工作物质的光学、热学和机械性能,基质材料,晶体,氧化物晶体：,单一氧化物晶体（如Al,2,O,3,晶体)和混合氧化物晶体（如YAG:,Y,3,Al,5,O,12,),氟化物晶体：,单一氟化物晶体（如CaF,2,晶体)和混合氟化物晶体（如LiYF,4,晶体),玻璃,硅酸盐玻璃,硼酸盐玻璃,磷酸盐玻璃,基质材料主要包括晶体材料和玻璃材料两大类,三价稀土金属离子：,包括Nd,3+,、,Yb,3+,、Ho,3+,、Er,3+,、,Pr,3+,等；,二价稀土金属离子：,包括,Tm,2+,、Er,2+,等；,过渡金属离子：,包括Ti,3+,、Cr,3+,、Ni,2+,等；,掺杂离子,掺杂离子主要包括三价稀土金属离子、二价稀土金属离子、过渡金属离子：,固体激光工作物质,固体激光工作物质十分丰富，已达数百种，可获得数千条不同的谱线,一般固体激光工作物质中，参与受激辐射离子的浓度约为10,25,10,26,m,-3,比气体工作物质高34个量级，较小的体积可获得较大的功率输出,固体激光工作物质的激光上能级寿命较长，可储能，可获得大能量输出,固体激光工作物质,固体激光工作物质的形状：,圆棒、板条、薄片等形状,棒状介质的加工要求,棒侧面打毛,两端面垂直于棒轴向,棒端面镀增透膜（避免端面反射和内部寄生振荡）,典型固体工作物质,一、红宝石晶体：,Cr,3+,:,Al,2,O,3,二、,掺钕激光晶体,：,Nd,3+,:YAG,Nd,3+,:YAP,Nd,3+,:YLF,Nd,3+,:YVO,4,三、钕玻璃：Nd:glass,一、红宝石晶体,1、红宝石晶体的物理性质,红宝石晶体是在,Al,2,O,3,（刚玉）中,掺入少量的,Cr,2,O,3,由,Cr,3+,部分取代,Al,3+,而成，其激活离子是,Cr,3+,（铬）,化学表达式：,Cr,3+,:,Al,2,O,3,红宝石晶体是各向异性晶体,在入射光波长为,700nm,时，,n,0,=1.763,n,e,=1.755,一、红宝石晶体,红宝石晶体的生长方向：有3种,生长轴平行于光轴：为0红宝石晶体，无偏振特性,生长轴垂直于光轴：为90红宝石晶体，产生偏振光,生长轴与光轴成60角，为60红宝石晶体，产生偏振光,红宝石晶体的谱线加宽机制,室温下以晶格热振动引起的均匀加宽为主,低温下由晶格缺陷引起的非均匀加宽为主,激光性质主要取决于Cr,3+,激光上能级：,2,E，能级寿命3ms(亚稳态）,2,E分裂成两个子能级,和2 ，向基态跃迁时产生692.9nm和694.3nm的自发辐射,激光下能级也是基态能级，为三能级系统,红宝石晶体能级结构三能级系统,红宝石晶体的吸收光谱,红宝石晶体的吸收光谱,吸收特性与光的偏振有关（各向异性导致）,红宝石晶体中可见光区有两个强吸收带：,紫带（或称U带）：中心波长位于410nm附近，带宽360450nm，对应于,4,A,2,向,4,F,1,能级的跃迁,绿带（或称Y带）：中心波长550nm附近，带宽510nm600nm,对应于,4,A,2,向,4,F,2,能级的跃迁,多采用脉冲氙灯泵浦,红宝石晶体的荧光光谱,红宝石晶体有两条强荧光谱线：R1线,R2线,R1线：中心波长694.3nm，对应于 -,4,A,2,的的自发辐射跃迁,R2线：中心波长692.9nm，对应于2 -,4,A,2,的的自发辐射跃迁,红宝石激光器只产生694.3nm的辐射，原因,激光上能级 和2 上的粒子数服从玻尔茨曼分布,R1线的荧光强度高于R2线，使得R1线的受激辐射机率高于R2线,温度对红宝石晶体的影响,（1）温度上升导致激光,中心波长向长波方,向移动。,原因：温度上升,使晶格场变化加,剧，能级位移，,造成激光上、下能,级差缩小。,荧光波长与温度的关系,温度对红宝石晶体的影响,（2）温度上升导致,荧光线宽加宽，量子效率下降，导致阈值上升，严重时出现温度淬灭。,因此红宝石晶体中室温下以脉冲方式工作。,荧光线宽与温度的关系,红宝石晶体的主要特点,优点,机械强度和化学稳定性高，可承受高功率密度；,亚稳态寿命长，储能大，可大能量输出；,荧光谱线宽，易获得大能量单模输出；,低温性能优良；,输出可见光；,缺点：,三能级系统，阈值高；,性能随温度变化明显，室温下不适于连续和重频运转,二、Nd,3+,:YAG,Nd:YAG晶体的物理性质,YAG(掺钕钇铝石榴石）是在钇铝石榴石（Y,3,Al,5,O,12,）中掺少量的Nd,2,O,3，,由Nd,3+,取代Y,3+,得到。Nd,3+,是三价稀土离子中最早用于激光的,Nd:YAG为,各向同性晶体,，淡紫色,n=1.82(对1,m,m波长),化学表达式,：Nd,3+,:,Y,3,Al,5,O,12,(Nd:YAG),掺杂重量百分比,：一般为0.5%1%,高参杂浓度较困难，原因是,Nd,3+,和Y,3+,的半径不完全相同,Nd,3+,:YAG的能级结构,四能级结构,亚稳态寿命230us,Nd,3+,:YAG晶体的吸收光谱,吸收光谱(5条强吸收谱带),Nd,3+,:YAG在800nm附近的吸收谱,Nd,3+,:YAG晶体的荧光光谱,室温下主要有三条明显的荧光窄谱带：,1064nm：对应于,4,F,3/2,-,4,I,11/2,1319nm：对应于,4,F,3/2,-,4,I,13/2,946nm：对应于,4,F,3/2,-,4,I,9/2,Nd,3+,:YAG晶体的主要特点,优点：,四能级系统,器件阈值低，优良的热学特性,可用于连续和重频,三、钕玻璃,物理性质,特殊光学玻璃中,掺入,Nd,2,O,3,形成，,Nd,3+,为激活粒子,钕玻璃的优点,各向同性，高掺杂（,1%5%,）,光学均匀性好；,易生成大尺寸，钕玻璃棒直径可达,75mm,可用于激光核聚变,激光波长：,1053nm,1062nm,钕玻璃的吸收光谱,吸收光谱带宽,钕玻璃的主要特点,主要优点：,荧光寿命长，易于反转粒子数的积累，工作物质储能大，大能量输出,荧光线宽宽，可用于锁模,缺点：,热性能差，热导率比YAG低一个量级；热畸变比晶体严重,机械性能差，易损坏,其它钕离子激光器,Nd,3+,:YAP,掺钕铝酸钇晶体，各向异性，输出线偏光，,激光波长1079nm和1314nm,Nd,3+,:YLF,掺钕氟化钇锂晶体，上能级寿命长，,激光波长1053nm，1047nm,Nd,3+,:YVO,4,掺钕钒酸钇晶体，受激发射截面大，是Nd:YAG的5倍，特别适合于LD泵浦，激光波长1064nm,铒离子激光器,Er:YAG,高掺杂时：激光波长：2.94m,应 用：激光医疗,低掺杂时：激光波长：1.645m,应 用：激光雷达,铒玻璃,激光波长：1.54m,应 用：激光测距,固体激光器采用光泵浦，主要泵浦源有：,1,、惰性气体放电灯：脉冲氙灯、连续氪灯 特点：辐射强度大，价格低，但与激光介质的 光谱匹配差，效率低。,2,、激光二极管：特点：体积小，与激光介质光谱匹配好，效率 高,固体激光器泵浦源,闪光灯泵浦系统,主要介绍：,1、惰性气体放电灯,2、聚光腔,惰性气体放电灯,惰性气体放电灯的结构和性能参数,惰性气体放电灯的光谱特性,脉冲氙灯的光谱特性,连续氪灯的光谱特性,惰性气体放电灯的有效辐射效率,1、惰性气体放电灯的结构,组成：工作气体（氙气或氪气）、电极、灯管等。,电极：高熔点、高电子发射率、低溅射的金属材,料，常用钨、钍钨等,灯管：耐高温、透光好、机械强度高的石英玻璃,1、惰性气体放电灯的结构,工作方式：两种方式,氙灯：主要为脉冲方式工作,氪灯：主要为连续方式工作,惰性气体放电灯的主要参数：,工作电压，着火电压，外径，内径，全长，极间距,惰性气体放电灯的着火电压和触发电压是灯启动的重要参数,惰性气体放电灯辐射光谱中包含线状光谱和连续光谱,产生连续光谱的原因：,连续光谱是由灯内浓度很高的电子和正离子复合发光产生的。因带电粒子的动能连续可变，故其辐射谱为连续光谱。另外电子减速发光，其谱也为连续谱。,产生线状光谱的原因：,放电时被激发的原子和离子自发地返回基态时辐射发光，其光谱中有气体原子和离子的特征谱,惰性气体放电灯的光谱,脉冲氙灯的辐射光谱,脉冲氙灯在两种电流密度下的辐射光谱,惰性气体灯的光谱特性受放电电流密度影响,脉冲氙灯的辐射光谱,辐射光谱的特征：,放电电流密度较小时，线状光谱所占比例较大,放电电流密度较大时，连续谱成分增加；当放电电流密度增大到一定值时，线状谱被连续谱掩盖，连续谱的中心波长向短波移动,连续氪灯的辐射光谱,惰性气体放电灯的光谱特性,脉冲氙灯：,多用于红宝石激光器、脉冲Nd:YAG激光器,连续氪灯,多用于连续工作的Nd:YAG激光器,惰性气体放电灯的有效辐射效率,h,L,h,L,定义：灯在工作物质吸收带内的辐射光能与加在灯上的电能之比。,影响有效辐射效率,h,L,的因素：,充气种类：对脉冲灯，氙的转换效率高于氪、氩灯,充气压：充气气压越高，,h,L,越大，但充气气压太大影响灯寿命,灯尺寸：灯细长可提高,h,L,放电电流密度的影响:使灯工作于最佳放电条件,各种聚光腔的形式,聚光腔内反射表面的选择,结构尺寸的选择,2、聚光腔,各种聚光腔的形式,聚光腔的作用：,将泵浦光有效、均匀地聚到工作物质上的器件。,聚光腔的类型：,椭圆柱聚光腔,紧包式聚光腔,旋转对称聚光腔,椭圆柱聚光腔,（a）单椭圆柱 （b）大偏心率 (c)小偏心率 （d）四椭圆柱聚光腔（多灯聚光腔）,紧包式聚光腔,灯与棒靠的很近，不靠光线的几何反射成像，而是,靠灯光直接照射和聚光腔内高能量密度实现,优点：,结构简单、易加工,缺点：,不利散热,聚光腔内反射表面的选择,聚光腔内反射表面一般选金属材料：,铜、铝，有时也选玻璃,反射形式：镜面反射和漫反射,镜面反射：聚光腔内表面精抛光，再镀高反射率的反射膜层，,金属反光膜层：金、银、铝、铜等,多层介质膜：适用于金属和玻璃聚光腔，设计成对有用光高反、对无用光低反的膜系,漫反射：常用的漫反射材料有陶瓷、硫酸钡、氧化镁等，漫反射表面使会聚到工作物质的泵浦光均匀性好，反射率高，用于小型聚光腔,金属膜层反射率与波长的关系,抛光表面,蒸发薄膜,聚光腔的设计原则,1、,根据输出功率和输出能量选择聚光腔类型,漫反腔：适用于低功率/低能量器件,镀膜腔：适用于高功率/高能量器件,2、需,考虑晶体棒、闪光灯、聚光腔的合理匹配,对于圆柱棒、直管闪光灯灯，晶体棒和闪光灯尺寸一般为1:1，聚光腔略长于晶体棒,3、,其它方面的考虑：,冷却、成本、换灯方便性,LD泵浦固体激光器,LD泵浦固体激光器：,是指用LD代替闪光灯泵浦固体激光工作物质的固体激光器,Diode Pumped Solid State Laser(,DPL,DPSSL,),DPL激光器的迅猛发展始于20世纪80年代后期，它随着LD输出功率和可靠性的提高而发展，又极大地促进了大功率LD的发展,LD泵浦固体激光器,小功率LD的外形图,LD泵浦固体激光器,另一种LD的外形图,DPL激光器的特点,从泵浦光谱与晶体吸收光谱的匹配方面分析：,闪光灯泵浦,：闪光灯的输出光谱与激光介质的吸收光谱匹配情况不好，导致激光器效率低，需要较大冷却系统，因此闪光灯泵浦的固体激光器体积重量大，热畸变严重。,激光二极管泵浦,：可以针对某些固体激光介质的吸收光谱选择与其匹配的激光二极管作为泵浦源，效率高，体积小,Nd:YAG的泵浦波长之一：808nm,Tm:YAG的泵浦波长之一：785nm,DPL激光器的特点,各种固体激光器效率的比较,：,闪光灯泵浦固体激光器的效率：一般13,DPL激光器的效率：效率15以上,DPL激光器体积小、重量轻,DPL激光器使用寿命长,：连续LD寿命可达10,5,小时，脉冲LD的工作次数10,9,DPL激光器的电源为低压直流电压、可靠性高,DPL激光器的结构,按泵浦方式可分为:,直接端面泵浦,光纤耦合泵浦,侧面泵浦,按工作物质形状可分为:,棒状、板条、薄片等,直接端面泵浦,优点：横模匹配，光束质量容易控制,光纤耦合端面泵浦,优点：方便灵活，容易实现模式匹配,侧面泵浦,优点：可获得大功率输出,工作物质的热效应及冷却,工作物质的热效应的产生原因,：,泵浦光的光谱与激光介质的吸收光谱不匹配，导致许多泵浦光能量不能被有效吸收而变为热,激光介质的吸收能级与荧光能级存在能级差，粒子通过无辐射跃迁散布到晶格中,粒子的受激辐射的再吸收,工作物质的热效应,热应力效应,器件由于棒内部的加热和外部的冷却，热平衡后形成棒沿径向的温度梯度，造成棒内、外材料之间热胀情况不同而产生的机械应力。,热应力的后果：,引起工作物质折射率的改变,使光的偏振态发生变化,工作物质的热效应,热透镜效应,激光棒内的温度梯度和热应力导致激光棒折射率的变化，中心折射率高，形成类似透镜的效应，称为热透镜效应。,热透镜效应的后果：,激光谐振腔稳定性发生变化（从稳定腔变为非稳腔）,输出光束发散角变大，光束质量变差,工作物质的热效应,热透镜效应的主要测量方法,1,、利用一辅助激光器（如,He-,Ne,激光器）直接透过激光工作物质测量,2,、利用改变激光器工作参数时激光功率变化的方法测量,3,、利用,Mach-,Zehnder,干涉仪法测量热透镜效应,Mach-Zehnder干涉仪法,冷却及滤光,消除热效应的主要措施：,冷却、光学补偿、采用非圆柱形工作物质。,1,、冷却,（,1,）液体冷却,（,2,）空气或其它气体冷却,（,3,）传导冷却,冷却及滤光,全腔整体冷却方式,冷却及滤光,棒、灯分别冷却方式,滤光,滤光,：,指对于闪光灯泵浦的固体激光器，需,滤去有害的紫外光的技术：原因是紫外光易在工作物质中形成色心，使工作物质性能劣化,滤光方法,：,滤光液法：在冷却液中加入一定的滤光物质，对掺钕工作物质，常用重洛酸钾和亚硝酸钠水溶液,滤光玻璃法：加玻璃套管,热效应的光学补偿法,光学补偿法：利用光学的方法对激光棒的热效应以及热应力双折射进行补偿的方法。,对热透镜效应的光学补偿,修磨端面法：将棒的一个（或两个）端面修磨成凹面，适用于热焦距稳定的情况。,凹面的曲率半径,R,和热透镜焦距的关系为,R,=,（,n-1,）,f,n,：晶体折射率,B.,根据热透镜值，设计相应的谐振腔，使谐振腔处于稳定状态,光学补偿法,对热应力双折射的补偿：,将两根热应力双折射基本相同的棒串接，在其间放置1/2石英旋光片，实现相互补偿,采用非圆柱工作物质,工作物质形状盘片或板条状，,增大散热面积，改变热流方向。,采用非圆柱工作物质,Disk laser,激光介质具有大的口径/厚度比(1050):1；,采用面抽运、面冷却；,通过设计,泵浦光在晶体薄片(100400um)中可以多次(832 次)通过，增加对其吸收(达到90%以上)。,热梯度分布方向与激光束传播方向相同，避免了热透镜效应引起的不利影响,掺钛蓝宝石激光器,晶体的物理性质,泵浦方式和器件结构,概述,1982,年第一台掺钛蓝宝石激光器运转,钛宝石激光器的特点,高增益，低泵浦阈值，易通过放大技术获得高能量激光输出；,具有很宽的波长调谐范围，可实现可调谐输出，可调谐范围一般为,700,900nm,；,采用锁模技术可得到超短脉冲输出，激光脉宽可达到飞秒量级,钛宝石,晶体的物理性质,掺钛蓝宝石晶体是在,Al,2,O,3,中掺少量的,Ti,3+,，,Ti,3+,置换了,Al,3+,离子而成的；,Ti,3+,为激活离子，掺钛重量百分比,0.1,，晶体结构为八面体,各向异性晶体,分子式：,Ti,3,+,:Al,2,O,3,折射率：,1.76,导热性：比,YAG,优越,3,倍,钛宝石晶体的激光跃迁能级,激光性质主要取决于Ti,3+,钛宝石晶体中，取代Al,3+,的少量Ti,3+,离子有一个五重简并的最低电子能级,2,D,由于晶格场的作用，,2,D能级分裂成,2,T,2g,(基态)和,2,E,g,(激发态)两个电子能级，激光跃迁发生在这两个能级之间。由于Ti,3+,外层电子和晶格场的作用，,2,T,2g,和,2,E,g,都有大量的振动能级，形成了准连续的能带。,钛宝石晶体的激光产生,处于基态,2,T,2g,的Ti,3+,吸收泵浦光并跃迁到,2,E,g,能级的较高振动态，然后辐射到较低振动态，,2,E,g,的低振动态和,2,T,2g,能级的一系列振动态之间形成粒子数反转。激光波长取决于哪一个振动能级作为终端能级，终端能级的Ti,3+,离子通过快速声子弛豫过程返回低振动态，钛宝石激光器是一种终端声子激光器，具有四能级系统特征。,钛宝石晶体,的吸收光谱,吸收谱宽度：200nm,吸收主峰中心波长位于488nm,多使用蓝绿激光泵浦,p,分量（偏振方向垂直于晶体光轴C,E/C)有较大的吸收截面，而,s,分量偏振光(E,C)吸收截面不及其一半。,钛宝石晶体,的,荧光光谱,荧光光谱范围：6001200nm,中心谱线790nm,p,分量的荧光强度大于,s,分量，激光输出,p,分量的偏振激光,钛宝石,晶体,的其它特点,调谐范围宽，约,300nm,在,700nm,900nm,范围调谐功率高；,增益很高，工作物质体积可以很小，长度通常小于,10mm,有优良的光学性能、物理性能和化学稳定性,钛宝石激光器,的泵浦源,多采用激光泵浦：,由于钛宝石的激光上能级寿命很短（仅为3.8,m,s），为了获得足够的泵浦速率，大多采用激光泵浦，泵浦源包括：,氩离子激光器，,LD列阵泵浦的倍频Nd:YAG或Nd:YLF激光器,闪光灯泵浦的钛宝石激光器,泵浦方式与器件结构,激光泵浦：同轴泵浦与傍轴泵浦,同轴泵浦：泵浦光与谐振腔轴线重合，多以,p,分量的偏振光泵浦，晶体端面加工成布儒斯特角，采用棱镜或光栅调谐,泵浦方式与器件结构,激光泵浦：傍轴泵浦,傍轴泵浦：泵浦光偏离谐振腔轴线35,，M1不必考虑泵浦光的高透问题，M,2,位置也灵活，棱镜或光栅调谐,泵浦方式与器件结构,闪光灯为高能脉冲氙灯，椭圆腔，棱镜调谐,闪光灯泵浦,固体激光器的能量转换,闪光灯泵浦固体激光器的转换效率,灯泵固体激光器的效率,一般约为15%,一般约为80%,约为90%,约为50%,约为50%,总体效率,器件的效率,斜效率：,超过阈值部分的输入能量（或功率）转换为激光输出能量（或功率）的效率。,2、总体效率,光光效率：,输入能量（或功率）转换为输出能量（或功率）的效率。,光光效率与斜效率的关系,作业,1、有两台脉冲Nd:YAG激光器，器件1的阈值为5J，当泵浦能量为15J时激光器输出100mJ；器件2的阈值为9J,当泵浦能量是15J时，激光输出90mJ。若要求输出300mJ和80mJ能量，应选用哪台激光器？,2、已知LD泵浦的连续Nd:YAG激光器，当泵浦功率为10W时，激光器总体效率10%,斜率效率15，求激光器的阈值。,3、说明闪光灯泵浦的固体激光器主要组成部分，并画图示意。,4、说明激光二极管端面泵浦和侧面泵浦的固体激光器的示意图，并说明它们的主要组成部分。,此课件下载可自行编辑修改，供参考！,感谢您的支持，我们努力做得更好！,