激光器件4-固体激光器设计
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用固体激光器是一种使用固态材料作为工作介质，利用吸收外部能量激发材料内部电子跃迁产生激光的器件。
其原理基于材料内部的电子能级结构，通过能量输入使电子能级发生跃迁，产生一束高强度、窄谱线、准单色的激光束。
固体激光器具有激光输出稳定、寿命长、重复频率高、输出功率大等优点，因此在许多领域有着广泛的应用。
固体激光器的工作原理可以分为三个基本步骤：激发、放大和输出。
首先，通过能量输入使材料内部的电子从基态跃迁至激发态，形成一个激发态的粒子团。
其次，通过适当的增益介质，激发态粒子发生受激辐射过程，产生激光并且放大。
最后，通过激光输出装置将激光束从增益介质中输出。
固体激光器的工作介质一般是由具有合适外加激励源的能级结构的晶体或玻璃组成。
常用的材料有Nd:YAG（氧化钇铝铈钕）、Nd:YLF（钇铝石榴石）、Nd:YVO（钇钕钒酸盐）和Ti:sapphire（蓝宝石）等。
这些材料具有良好的耐热性、光学性能和谐振特性。
固体激光器的应用相当广泛。
在科学研究领域，固体激光器常用于物理、化学、生物学等学科中的实验室研究。
其高可靠性和稳定性使其成为激光生物学、光谱学和光物理学等领域的基础工具。
此外，固体激光器在通信领域也有着重要的地位。
特别在光纤通信系统中，固体激光器可以作为光源产生高质量的激光信号，用于传输和接收数据。
固体激光器还在制造业中得到广泛应用。
例如，固体激光器在激光切割、焊接和打标等加工过程中发挥着重要角色。
其高功率和高能量脉冲使其成为材料切割和焊接的理想工具。
此外，固体激光器还可以应用于材料精细处理、纳米加工和激光显微技术等领域，为制造业提供了更加高效和精确的加工手段。
此外，固体激光器还用于医疗领域。
例如，激光手术中使用的激光刀就是一种固体激光器。
固体激光器可以提供高能量和高精确性的激光束，用于切割、热凝固和热疗等医疗操作。
它在眼科手术、皮肤整形和癌症治疗等领域中有着广泛应用。
总之，固体激光器以其稳定的输出功率、高效的能量转化和丰富的应用领域而受到广泛关注和应用。
固体激光器光路设计_激光原理课程设计报告
WORD文档下载可编辑激光原理与技术课程设计课题名称：固体激光器光路设计与计算专业班级： 2011级光信息学生学号： ********** 学生姓名：学生成绩：指导教师： ******** 课题工作时间： 2014.6.4 至 2014.6.13武汉工程大学教务处侧泵激光器腔长480mm，输出镜曲率半径为5m，聚焦透镜离输出镜焦距为45mm，计算经聚焦以后的激光光斑直径。
用Matlab软件计算输出（用Q参数方法计算，写出Matlab程序）前言 (9)第一章半导体泵浦激光器原理和应用 (9)1.1 激光原理 (10)1.2 半导体泵浦激光器的应用 (11)第二章激光器的设计过程 (12)2.1 半导体泵浦激光器设计方案 (12)2.2 激光器的设计图 (12)2.3 计算聚焦后激光光斑直径 (13)2.4 聚焦透镜焦距与光斑半径的关系 (15)第三章总结 (17)参考文献 (17)激光是二十世纪最重大、最实用的发明之一。
1917年爱因斯坦提出受激辐射理论，1958年12月肖洛和汤斯发明激光原理，1960年7月梅曼制成世界第一台红宝石激光器。
激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，应用领域十分广泛。
半导体泵浦532nm绿光激光器具有波长短、光子能量高、在水中传输距离远和人眼敏感等优点，效率高、寿命长、体积小、可靠性好。
近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济许多领域中展示出极为重要的应用，成为各国研究的重点。
自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20 直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20 世纪80 世纪80 年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。
目前世界范围内销售的商品固体激光器已有500 余种，但从1998 已有500 余种，但从1998 年开始，固体激光器中的Nd:YAG 中的Nd:YAG 激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
固体激光器原理
固体激光器原理引言固体激光器是一种基于固体材料的激光器，它利用固体材料中的激发态粒子在受激辐射的作用下发射出一束相干的激光。
固体激光器具有高效率、高能量、高稳定性等优点，广泛应用于材料加工、医学领域、科学研究等方面。
本文将介绍固体激光器的原理以及其工作过程。
原理固体激光器的工作原理基于受激辐射的过程。
当固体材料被外部能量激发时，其原子或分子的能级结构发生改变，使得一些电子被激发到高能级，形成激发态。
这些激发态的电子在适当的条件下会发生跃迁回到基态，并释放出激光光子。
这个过程称为受激辐射。
固体激光器的关键部分是激光介质。
激光介质通常由具有激发态和基态之间能级跃迁的活性离子组成。
这些活性离子可以是稀土离子（如Nd3+、Er3+）或过渡金属离子（如Cr3+、Ti3+）。
在激光介质中，这些离子被激发到激发态，然后通过受激辐射过程发射出激光光子。
为了实现受激辐射和激光放大，固体激光器通常采用光泵浦的方式来向激光介质提供能量。
光泵浦可以通过闪光灯、半导体激光器或其他激光器来实现。
光泵浦的作用是将能量传递给激光介质，从而激发其中的离子跃迁到激发态。
一旦离子处于激发态，它们就会在受激辐射的作用下发射出激光光子。
固体激光器中的激光光子在两个镜子之间被反射，形成一个光学腔。
这个光学腔通过选择性反射，使得激光光子在腔内多次来回反射，逐渐放大。
这个过程被称为光学放大。
最终，激光光子从一个镜子中逃逸，形成一束相干、高强度的激光束。
工作过程固体激光器的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.光泵浦：通过光泵浦的方式向激光介质提供能量，将其中的离子激发到激发态。
2.受激辐射：激发态的离子通过受激辐射过程发射出激光光子。
3.光学放大：激光光子在光学腔中多次来回反射，逐渐放大。
4.激光输出：激光光子从一个镜子中逃逸，形成激光束输出。
固体激光器的工作过程需要维持适当的能量供应和光学腔的稳定性。
光泵浦的能量需要满足激发离子到激发态的能量需求，而光学腔的稳定性可以通过优化腔内的补偿装置和调节器件来实现。
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；
固体激光器的原理及应用
产生激光有三个必要的条件[2]：
1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；
2）有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能级之间产生粒子数反转；
3）有光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束的传播方向,选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。
如表1是我国激光器的发展。
1.2.3激光器的分类
1960年，梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。
2）相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3）方向性好：激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置,但即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。
1.1.3激光的特性
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
1）单色性好：普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长,使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外,激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用,已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
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
固体激光器结构
固体激光器结构
1.激光材料：
固体激光器的核心是激光材料，也称为工作物质。
常见的固体激光材
料有Nd:YAG（钇铝石榴石），Nd:YVO4（钇钒酸钇），Er:YAG（钇铝石榴石），Cr:LiSAF（锂钠铝氟化铬）等。
这些材料通过掺杂稀土元素或过渡
金属元素，使其能够吸收外部光能并转化为激光辐射能。
2.抽运源：
3.腔体：
固体激光器中的腔体是将激光材料、光学元件和抽运源等结构组合在
一起的空间。
腔体的设计对激光器的性能和特性有重要影响。
常见的腔体
有Fabry-Perot腔、倍频腔、四能级腔等。
腔体内部的光学元件如反射镜、输出镜等能够控制激光的传输方向和能量放大程度。
4.光学元件：
固体激光器中的光学元件包括反射镜、输出镜、偏振器等。
它们的作
用是调节和控制激光的传输和放大过程。
反射镜用于反射和折射激光光束，形成闭合的激光腔；输出镜用于输出激光光束，控制输出能量和方向；偏
振器用于调节激光光束的偏振状态。
1.抽运源向激活材料输入能量，将材料激发到高能级。
2.激活材料通过自发辐射或受外界激光诱导辐射的方式，由高能级跃
迁至低能级，释放出光子。
3.光子在腔体中被反射镜和输出镜多次反射，形成光腔的光强放大。
4.最终，一部分光子透过输出镜传递出来，形成激光输出。
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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。
• 几点假设 1. 灯在圆截面上对称均匀发光 2. 不考虑轴向倾斜光线 3. 只考虑一次反射光线，焦点上泵浦 4. 不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损 耗
5. 灯作为黑体对待
§2.2.1 聚光腔
聚光腔各部分的几何参数
2a
lL
lR
α
θ
rL
rR
2c
7
2b
§2.2.1 聚光腔
8
灯通过椭圆上的任一点在棒端成像
R22 p22 p2 R22
35
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
36
多元件腔的G参数等价腔
R1
a1 b1 c1 d1
M1
a2 b2 c2 d2
....
R2
am bm cm dm
M2
R1
R2
a0 b0
c0 d0
M1
M2
a0 c0
b0 d0
am cm
bm dm
1
b (a2 C2)2
§2.2.1 聚光腔
25
聚光腔常用材料的反射率
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
26
光学谐振腔是固体激光器的重要组成部分，不同类型的腔型结构，对 激光输出的特性，诸如功率、模式、光束发散角等都有直接的影响
无源谐振腔的基模参数
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
27
)]
s in 1
rL 2ae
sin θ0
( rL rR
) sin α0
§2.2.1 聚光腔
19
漫反射腔的效率
激光棒的表 面积
激光棒的吸收率 （俘获系数）
η
S1 A1
S1 A1 S2 A2 S3 A3 S4
漫反射壁的 吸 表面积 收 率
吸 灯的表 收
面积 率
腔壁上的 开孔面积
§2.2.1 聚光腔
rR lR rL lL
cos α0
lL2
4c2 lR2 4lLc
e c a
cos α0
1 [1 1 e2
e
2
(1
rR rL
)]
sin θ0
( rL rR
) sin α0
§2.2.1 聚光腔
15
§2.2.1 聚光腔
16
灯的遮挡
P0
θ1
ηg' e
1 π
[α0
rR rL
§2.2.1 聚光腔
4
二、能量转换特性
1、理论耦合效率
geop
η ge是聚光腔的几何传递系数，它是计算泵浦灯发出的光 直接射到和由腔壁反射到激光棒上的百分比；η op是聚光 腔的光学效率，基本上反映了系统中全部损耗的影响大小
op (1 r )(1 a)(1 f )
L)(R1 R2 2L)2
R2
L)
束腰与镜面间的距离t1和t2
t1
L(R2 L) R1 R2 2L
,
t2
L(R1 L) R1 R2 2L
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
28
平行平面腔
大曲率半径腔 共焦腔 共心腔 凸凹腔 半共心腔
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
P2
021
P1R12 P12 R12
022
P2 R22 P22 R22
021
2 2021
R12 P12 P1R12
022
2 222
R22 P22 P2 R22
L01
P12 R1 P12 R12
38
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
1 d 1R1
稳区范围
D
D2
D1
D4
D3
1 d2
1 d 2R2
D点(G2=0) :
11 D3 d1 d 2R2
E点(G1G2= 1) :
D4
1 d1
1 d2
或
D D3 D1 D4
D2
1 d1
1 d 1R1
20
漫反射腔的 效率
§2.2.1 聚光腔
21
五、泵浦光在激光棒内分布
• 增益和温度分布不均
– 起振不均 – 光斑强度不均 – 光学畸变 – 激光效率和发散角变坏
• 影响泵浦光分布的因素
– 聚光器的聚光特性
• 聚焦或漫反射
– 激光棒表面情况
• 抛光或磨毛
– 激光棒吸收系数与棒半径之积 – 直照情况
§2.2.1 聚光腔
g 02
1
d1 d2 R1
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
43
G2
B
DC A
E
G1
动态曲线
G1*G2 1
D1 0 D2
D3
D4 D
G1G2乘积
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
44
临界点屈光度
B点(G1G2=1): C点(G1=0) :
D1
d1
1
R1
1 d 2R2
D2
1 d2
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
7mm , Nd doping 1%
2.0
6mm , Nd doping 0.8%
8mm , Nd doping 1% 1.5
4
5
6
7
8
9
10
Pump power(KW)
不同YAG棒的屈光度与泵浦功率的关系
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
41
(2) 球面谐振腔的动态工作特性
§2.2.1 聚光腔
2
椭圆聚光腔
高反射率椭圆柱体，激光棒和泵浦灯分别配置在椭圆柱的 两条焦线上。由椭圆的一个焦点发出的光将反射到另一个 焦点。因此，椭圆腔中的能量传递，是从一条焦线上的直 管光源传输到另一条焦线上的棒状吸收体。
§2.2.1 聚光腔
3
漫反射聚光腔
最简单的聚光腔是一种陶瓷圆柱体。其中激光棒和泵浦灯 紧靠在一起。陶瓷材料具有不会腐蚀或生锈的优点。
2
W0
W1,2 2
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
30
平凹腔 R1=
W12
W02
[
L(
R2
L)]1
2
12
W22
R2
L R2
L
束腰W0在平面镜上（即t1=0，t2=L）,这是平凹腔的一个重要特点
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
R1
l
H1
H2
R2
M1
L1 h d1
M2
h
L2
d2
腔内光线单程传输矩阵
a
M
c
b 1
d
0
d2 1
M
rod
1 0
d1 1
1
d2D D
d1 d 2d1d2D
1 d1D
§2.2.2 谐振腔参数的选择与设计
42
G参数
G1
是腔壁对泵浦光的反射率； 是激光棒表面和玻璃冷却 液套表面的反射损耗，以及在腔内插入的任何滤光片的菲 涅耳损耗；a是灯和激光棒之间的光学介质（如冷却液、滤 光片等）中的吸收损耗；f为腔的非反射面积与总的内表面 积之比
§2.2.1 聚光腔