固体激光器设计步骤
激光器件4-固体激光器设计
29
等曲率半径腔
W1,22
R
L 2R
1 2 L
W02
2
[L(2R
L)]1
2
当R>>L
W1,22
W02
RL 1 2
2
共心腔 L=R1+R2 等曲率共焦腔腔
W2 1,2
W02 0
W1,2
R
1
π
α0
rR rL
lL lR
dα]
待求
E为总光能
§2.2.1 聚光腔
dα (lR lL )dθ
BA
dα
lL
α
13
ηge
1 π
[α0
π α0
rR rL
lL lR
dα]
1 π [α0
rR rL
θ0 ]
lR
dθ
待求
θ
§2.2.1 聚光腔
P0点的确定
P0
lL F α0
lR
θ0
F’
14
lL lR 2a
§2.2.1 聚光腔
1
聚光腔的作用
从泵浦光源发出的辐射能传输到激光工作物质上的效率，在 很大程度上决定了激光系统的总效率，聚光腔除了给泵浦光 源和工作物质之间提供良好耦合之外，还决定激光物质上泵 浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和 光学畸变。由于激光工作物质和泵浦灯都安装在聚光腔内， 合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。 但并不是所有的固体激光器都需要聚光腔。
全固态调Q激光器的实验设计
全固态调Q激光器的实验设计1激光器实验设计为了使毫无激光调节经验的学生能够尽快上手，实验采用简单的平凹谐振腔结构，研究激光谐振腔与可饱和吸收体对被动调Q激光输出特性的影响．实验装置如图1所示．泵浦源采用光纤耦合输出的激光二极管(Co-herent，FAPSystem)，光学系统压缩比为1．8∶1．输入镜M1是有一定曲率半径的凹面镜，一面镀有808nm的增透膜，另一面镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜;输出镜M2是平面反射镜．激光工作物质为Nd：LuVO4晶体，尺寸为3×3×5mm3，Nd3+的掺杂浓度为0．5at．%．激光晶体两个3×3m m2的端面均镀有808nm和1064nm增透膜用以减少谐振腔的损耗．装置中，晶体用铟箔包裹并置于铜块中，铜块通过水循环和温控半导体致冷片进行致冷，晶体温度控制在20℃左右．激光晶体应尽量靠近输入镜M1放置以减小空间烧孔效应．调制元件为直径2cm左右的GaAs薄片，在1064nm处的小信号透过率T0分别为95．7%，92．6%和93．9%，靠近输出镜放置．实验激光的输出特性由功率计和示波器测量，选用带宽为500MHz的数字示波器(Tek-tronixInc．，USA)测量和记录波形情况，用MAX500AD激光功率计测量平均输出功率(Coherent，USA)．实验中先对学生讲解全固态激光器的优点以及具体用途，使学生充分认识到研究固体激光器的重要意义．然后讲解脉冲激光器的原理与分类，重点介绍实验中用到的调Q脉冲产生的原理．由于学生对于激光器的内部结构缺少直观认识，于是讲解从激光器的基本结构出发，介绍实验所需要的仪器以及具体的组建调节方法，让学生掌握探测设备(数字示波器和激光功率计)的基本原理和操作方法．2激光器参数对输出特性影响的实验设计2．1激光谐振腔稳定输出验证实验使用的是平凹腔结构．该腔型容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，有利于学生观察实验现象，但是腔型设计时必须考虑模式匹配和稳定输出问题．如图1所示，输入镜M1的曲率半径为Ｒ，输出镜M2的曲率半径为Ｒ'，腔长为L，则平凹腔中的g参数为。
固体激光器设计
谐振腔 增益介质
全反 射镜
激励能源
部分 反射镜 (99)
第二节 光与物质相互作用理论
一、 激光产生与传播基础
1、原子的自发辐射、受激吸收与受激辐射。
Ⅰ 自发辐射：处于高能级E2的一个原子自发的
向低能级E1跃迁，并发出一个能量为hν＝ E2-E1的光子，这种过程称为自发跃迁，由 自发辐射跃迁发出的光波称为自发辐射。自 发过程如右图：
2
, 0
g
0 , 0
2
称谱线宽度
（一）、均匀加宽的线型函数
均匀加宽特点：即每一个发光原子对光谱线内任一频
率都有贡献。每个原子具有相同原子线形和频率响
应。包括自然加宽，碰撞加宽和晶格振动加宽。
Ⅰ自然加宽：受激原子在激发态上具有有限寿命，这
一 因素造成了原子跃迁谱线的加宽叫自然加宽。
3、谱线的线型函数
由于各种因素影响，自发辐射并不是单
色的而是分布在中心频率 ν = E2 - E1 / h
附近一个很小的频率范围内这叫谱线加
宽.由于谱线加宽，自发辐射的功率不再
集中在频率 E2 E1 / h上而 应表示为频
率函数 p 。为区别变量 和辐射的中 心频率E2 E1 / h ，令E2 E1 / h 0。并以
• LD端面泵浦蓝光激光器（荧光谱线为946nm， Z型腔）；
• LD侧面泵浦红光激光器（荧光谱线为 1342nm，直腔）；
• LD侧面泵浦蓝光激光器（荧光谱线为 946nm，直腔）；
• LD侧面泵浦绿光激光器（荧光谱线为 1064nm，直腔）；
具体工作
选择激光晶体、倍频晶体，给出镀膜参数；
实验1NdYAG固体激光器实验
hv21(a) 2 1 (b) 2 E 1(c) 图1、光与物质作用的吸收过程Nd ：YAG 固体激光器实验一、 实验内容与器件1、了解半导体激光器的工作原理和光电特性2、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法二、 实验原理概述1. 激光产生原理光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。
在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。
自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。
只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。
工作物质主要提供粒子数反转。
hv 21 2 E 1(a) E 2E 1(b)hv 21 hv 21图2、光与物质作用的受激辐射过程泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。
E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。
激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。
处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。
如何设计一个固体激光器
2.泵浦结构如何选择？
泵浦结构主要包括端泵、侧泵、面泵、等等，那 么选择这些结构的理由又分别是什么呢？考虑那些 因素呢？ 3。冷却方式如何选择？
这个问题需要结合泵浦结构进行讨论，因为他 限制了泵浦结构，是水冷还是风冷，是空气自然冷 却还是用TEC进行冷却或者用热管进行冷却，你见过 那些冷却方式，最好能提没如何来选 取这些方法呢？
5.整体结构如何选择？
这儿的整体结构主要指就仅仅一个振荡器还是 利用MOPA结构，如果使用MOPA结构，那么要使用多 少级，级间效用怎么消除.
以上讨论的事实上还限制在实验室的阶段，要 进行工程化不仅需要进行市场分析，还需要对器件 进行合理的安排和包装，还要考虑到客户使用方便， 系统功能稳定等等。我们目前先考虑上面的这几个 问题。
激光器设计的几个问题
1.如何选择激光介质？
2.泵浦结构如何选择？ 3.腔结构如何选择？ 4.如何进行选模？ 5.整体结构如何选择？
1.如何选择激光介质？
你做一台激光器选择怎样的介质，比如是Nd： YAG还是Nd：YLF或者是Nd：YVO4， 如果你要求单脉冲能量高重复频率较低的话就 选择Dd：YLF为好，如果需要选择单脉冲能量高而重 复频率低的话最好选择Nd：YVO4，当然Nd：YAG虽然 两者都能，但是他也有其局限性；同时也还要考虑 现在这些介质实验室和产品分别能做到多大功率）；
4.如何进行选模？ 模式的选择我们大体可以分为两类，一类是横 模的选择，另一类是纵模的选择，那么选择横模就 设计到如何方式光阑，光阑放置在什么位置，这两 者又与腔结构和腔长有关系，因为选择横模是依靠 不同的模式具有不同的衍射损耗而实现的；而单纵 模的选择就包括插入布鲁斯特片、光栅、棱镜、双 折射波片、标准具等方法
[方案]固体激光原理与技术综合实验
![[方案]固体激光原理与技术综合实验](https://img.taocdn.com/s3/m/9c08e45ae418964bcf84b9d528ea81c759f52e53.png)
固体激光原理与技术综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术，以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。
实验一半导体泵浦光源特性测量实验【实验目的】1．掌握半导体泵浦激光器的原理2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法【实验仪器】半导体泵浦激光器、激光功率计、机械调整部件【实验原理】上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式，如下：（图1）直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
间接耦合：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下：a 组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
b 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
【精选】如何设计一个固体激光器
4.如何进行选模？
模式的选择我们大体可以分为两类，一类是横 模的选择，另一类是纵模的选择，那么选择横模就 设计到如何方式光阑，光阑放置在什么位置，这两 者又与腔结构和腔长有关系，因为选择横模是依靠 不同的模式具有不同的衍射损耗而实现的；而单纵 模的选择就包括插入布鲁斯特片、光栅、棱镜、双 折射波片、标准具等方法
那么这些方法各有什么有缺点呢？我没如何来选 取这些方法呢？5.整体结 Nhomakorabea如何选择？
这儿的整体结构主要指就仅仅一个振荡器还是 利用MOPA结构，如果使用MOPA结构，那么要使用多 少级，级间效用怎么消除.
以上讨论的事实上还限制在实验室的阶段，要 进行工程化不仅需要进行市场分析，还需要对器件 进行合理的安排和包装，还要考虑到客户使用方便， 系统功能稳定等等。我们目前先考虑上面的这几个 问题。
2.泵浦结构如何选择？
泵浦结构主要包括端泵、侧泵、面泵、等等，那 么选择这些结构的理由又分别是什么呢？考虑那些 因素呢？
3。冷却方式如何选择？
这个问题需要结合泵浦结构进行讨论，因为他 限制了泵浦结构，是水冷还是风冷，是空气自然冷 却还是用TEC进行冷却或者用热管进行冷却，你见过 那些冷却方式，最好能提供参考文献
激光器设计的几个问题
1.如何选择激光介质？ 2.泵浦结构如何选择？ 3.腔结构如何选择？ 4.如何进行选模？ 5.整体结构如何选择？
1.如何选择激光介质？
你做一台激光器选择怎样的介质，比如是Nd： YAG还是Nd：YLF或者是Nd：YVO4，
如果你要求单脉冲能量高重复频率较低的话就 选择Dd：YLF为好，如果需要选择单脉冲能量高而重 复频率低的话最好选择Nd：YVO4，当然Nd：YAG虽然 两者都能，但是他也有其局限性；同时也还要考虑 现在这些介质实验室和产品分别能做到多大功率）；
固体激光器设计范文
固体激光器设计范文固体激光器是一种使用固体材料作为活性介质产生激光的装置。
它具有体积小、能耗低、寿命长、功率高、光束质量好等优点，因此在工业、医疗、科研等领域得到广泛应用。
固体激光器的设计要考虑活性介质的选择、激发源的设计、光路的设计等多个方面。
下面将详细介绍固体激光器的设计。
首先是活性介质的选择。
固体激光器的活性介质是产生激光的核心部分，它通常是含有掺杂物的固体材料。
活性介质的选择应综合考虑多个因素，包括波长范围、激光功率要求、光束质量要求等。
常用的活性介质包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Cr:YAG等。
其中，Nd:YAG是最常用的活性介质，具有较大的抽运截面积和较高的热导率，适用于高功率输出。
其次是激发源的设计。
固体激光器的激发源通常是高功率二极管激光器。
激发源的设计要考虑其功率输出和波长选择等因素。
为了获得更高的效率和更稳定的输出，可以采用多个二极管进行并联激发。
另外，为了保证较高的光电转换效率，还可以采用功率稳定器和温度控制器对激发源进行控制。
然后是光路的设计。
固体激光器的光路设计很重要，它直接影响到激光输出的质量和功率。
光路设计要尽量减小光损耗和光束质量的损害。
常用的光路设计包括折反射光路和共焦光路。
折反射光路通过使用多个光学元件进行光路设计，可以减小光损耗。
共焦光路通过采用多个球面透镜，可以减小光束质量的损害。
最后是冷却系统的设计。
固体激光器在工作过程中会产生大量的热量，为了保证激光输出的稳定性和延长活性介质的寿命，需要设计合适的冷却系统。
常用的冷却方式有自然对流冷却和水冷却两种。
自然对流冷却适用于功率较低的激光器，而水冷却适用于功率较高的激光器。
冷却系统的设计要考虑冷却液的流量、温度控制等因素。
总之，固体激光器的设计涉及到活性介质的选择、激发源的设计、光路的设计以及冷却系统的设计等多个方面。
通过合理的设计，可以实现高效率、高功率和高质量的激光输出。
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固体激光器设计步骤
1。
如何选择激光介质？（就是你做一台激光器选择怎样的介质，比如是Nd：YAG还是Nd：YLF或者是Nd：YVO4，如果你要求单脉冲能量高重复频率较低的话就选择Nd：YLF为好，如果需要选择单脉冲能量高而重复频率低的话最好选择Nd：YVO4，当然Nd：YAG虽然两者都能，但是他也有其局限性；同时也还要考虑现在这些介质实验室和产品分别能做到多大功率）；
2。
泵浦结构如何选择？（泵浦结构主要包括端泵、侧泵、面泵等等，那么选择这些结构的理由又分别是什么呢？考虑那些因素呢？）
3。
冷却方式如何选择？（这个问题需要结合泵浦结构进行讨论，因为他限制了泵浦结构，是水冷还是风冷，是空气自然冷却还是用TEC进行冷却或者用热管进行冷却，你见过那些冷却方式，最好能提供参考文献）
3。
腔结构如何选择？（腔大体上分稳定腔和非稳定腔，那么选择何种腔结构的原因分别是什么呢？每一种腔结构又包括具体很多结构，比如稳定腔又包括很多中，比如共焦、共心、平凹等等，选择的理由又是什么呢？对腔设计还要考虑热透镜效用的补偿，那么如何进行热透镜补偿呢？）
4。
如何进行选模？（模式的选择我们大体可以分为两类，一类是横模的选择，另一类是纵模的选择，那么选择横模就设计到如何方式光阑，光阑放置在什么位置，这两者又与腔结构和腔长有关系，因为选择横模是依靠不同的模式具有不同的衍射损耗而实现的；而单纵模的选择就包括插入布鲁斯特片、光栅、棱镜、双折射波片、标准具等方法；那么这些方法各有什么有缺点呢？我们如何来选取这些方法呢？）
5。
整体结构如何选择？（这儿的整体结构主要指就仅仅一个振荡器还是利用MOPA结构，如果使用MOPA结构，那么要使用多少级，级间效用怎么消除）
以上讨论的事实上还限制在实验室的阶段，要进行工程化不仅需要进行市场分析，还需要对器件进行合理的安排和包装，还要考虑到客户使用方便，系统功能稳定等等。
我们目前先考虑上面的这几个问题。