第2章固体激光材料及典型固体激光器_01.
固体激光器的发展与应用
激光手术示意图
未来的固体激光器的发展方向： a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量
2、军事领域的应用
波长较小，这就很好的在空气中传输，进而可以达到长距离 作战的使用要求。 激光器在未来的作战使用中占据着非常重要额地位，那能够 对反侦察、保护以及清楚障碍等有很好的作用。
3、生物医学中的应用
1962年，人们第一次将人的视网膜和眼球利用激光进行连接， 这样就可以做到不用对眼球进行切开就能达到治疗的效果 （1）医学研究工具 现在固体激光器已经变成了科研人员研究遗传学和胚胎学 实验非常重要的器材。 （2）激光诊断 利用激光器来检测血药流动方面的内容的时候，在不需要 血药进行扰乱的情况下就可以成功的测量。 （3）激光治疗 在激光治疗的过程中，现在我们最为常用的方法就是利用 激光器的凝结机。在进行手术的时候，我们通过激光手术刀 的作用就可以对身体内的手术部位进行治疗，这样就可以很 好的减轻血量的流失，而且后期恢复较快，没有干扰等。
固体激光器的发展与应用
几种典型的固体激光器
1、红宝石激光器（Cr3+:Al2O3） 2、掺钕钇铝石榴石激光器（Nd3+:YAG） 3、掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG） 4、可调谐固体激光器 5、二极管泵浦的固体激光器
典型固体激光器的比较
固体激光器的优点：
1）它的能量输出较大，而且峰值处的功率也较大。
1、工业加工中的应用
光热（热效应）和光化学（光化学反应）两类激光加工 （1）激光切割 利用光在聚集以后产生非常强的能量，然后实现切割的功 能。 （2）激光焊接 通过激光器产生的高热量激光对物体的表面进行加热，然 后经过传导作用，最终使加工的物件达到我们想要的结果。 （3）激光钻孔 电子线路向集成化的方向迈进，然而这种技术需要在线路 板上安装越来越多的微型过孔以及盲孔，传统的手工加工方 机械强度较大，而且制造成本较低。
固体的光学性质与激光
固体的光学性质与激光光学是研究光的传播和相互作用的学科。
光学性质是指物质对光的吸收、反射、透射、散射、折射等特性。
在固体物质中，光学性质的研究对于理解物质的结构、性质和应用具有重要意义。
而激光则是由固体、液体或气体等特定材料产生的一种高强度、高单色性、高方向性的光束。
固体的光学性质与激光有着密切的联系，本文将探讨固体的光学性质对激光的产生和应用的影响。
第一节：固体的吸收和发射1.1 线性吸收和非线性吸收固体物质对光的吸收可以是线性吸收或非线性吸收。
线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并将其转化为热能或其他形式的能量。
非线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并在吸收过程中发生电子或原子激发，从而改变了物质的电子结构和光学性质。
1.2 发射光谱固体物质在吸收光的过程中，还会发射出特定的光谱。
发射光谱可以用来研究物质的结构和能级分布。
发射光谱的特征峰位、峰形和强度都可以反映固体的光学性质。
第二节：固体的光学色心和发光2.1 光学色心光学色心是指固体物质中的某些原子、离子或分子在激发态和基态之间存在着能级差的结构。
这些能级差导致了物质在特定波长的光照射下的吸收和发射行为。
色心可以使物质呈现出特定的颜色。
2.2 固体的发光固体物质在某些条件下会发光。
例如，某些晶体在被紫外光或其他波长的光照射下会发光。
这种发光现象被称为固体荧光。
由于固体的光学性质与能带结构和晶体结构密切相关，固体的发光现象可用来研究物质的结构和性质。
第三节：固体的激光产生3.1 激光器原理激光器是一种利用激活介质产生激光的装置。
激活介质可以是固体、液体或气体。
固体激光器利用固体材料中的光学色心或荧光现象产生激光。
3.2 固体激光材料固体激光材料通常具有较高的吸收截面和较长的寿命，使其适合用于激光器的工作介质。
常见的固体激光材料包括Nd:YAG晶体、Ti:sapphire、Er:YAG晶体等。
第四节：固体激光的应用4.1 材料加工固体激光器在材料加工领域具有广泛的应用。
1-3激光器的基本组成及典型激光器介绍
2019年8月22日星期四
理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
1、工作物质——激光产生的内因，实现粒子 数反转和产生光的受激辐射作用的物质体系。
☞ 激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于
合适的工作物质。
☞ 二能级系统能否实现粒子数反转???
☞ 亚稳能级：需要一个可以有较长寿命且能贮存 大量粒子的能级，经过不断激发，粒子数反转就 能实现，这样的能级称为“亚稳能级”。
核能激励——用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变 碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数反转；
2019年8月22日星期四
理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
3、谐振腔：形成激光振荡的必要条件；对输出
的模式、功率、光束发散角等均有很大影响。
谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的 反馈，产生光放大； 谐振腔的组成：谐振腔由全反射镜和部分反射 镜（输出反射镜）组成，激光由部分反射镜输 出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界 稳定腔。
2019年8月22日星期四
理学院 物理系
§ 1-3 典型激光器简介
一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振 腔和冷却滤ห้องสมุดไป่ตู้系统四个主要部分组成。
基 工作 质 物质 掺
杂 泵浦系统
激光波长
红宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12
Cr2O3
Nd2O3
§ 1-3 典型激光器简介
☞ 激励不仅要快，还有强有力；
☞ 激励作用是通过消耗一定的能量来实现的，产生 受激辐射所需要的最小激励能量称为激光器的阈值 （threshold）；
☞ 激励方式（Practical laser materials can be pumped in many ways.）：光、电、化学、原子能；
激光原理与技术--第二章 激光器的工作原理
第四十五页，共60页。
❖ 四能级系统实现粒子数反转分布，对泵浦水平要 求低得多，意思四能级系统较之三能级系统更容 易实现激光振荡
❖ 由上式，E1和E0能级的能量差越大，对四能级系 统越有利，因此需要选择合适的工作物质
❖ 已有的性能较好的激光器绝大多数属于四能级系 统
46
第四十六页，共60页。
❖ 激光器组成
纵模的频率间隔：
q
q1
q
C
2L
33
第三十三页，共60页。
例
1 He-Ne 激光器谐振腔长50 cm，激射波长 632.8nm，荧光光谱线宽为：
求：纵模频率间隔，谐振腔内的纵模序数及形成激光振荡的纵模数；
q 1.5109 Hz
解:
c 2nL
3108 m sec 2 510 1m
3108 Hz
向节线数，即暗环数，l表示角向节线数，即暗直径数
基模(横向单模)：m=n=0, 其它的横模称为高阶横 模
方2形4 反射镜和圆形反射镜的横模图形
第二十四页，共60页。
25 第二十五页，共60页。
(a) TEM00
(b) TEM10
(c) TEM02
26
第二十六页，共60页。
(d) TEM03
横模电场分布及强度示意图
15
第十五页，共60页。
光学谐振腔的模式(波型)
❖ 在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征态之中，场的 每种本征态将具有一定的振荡频率和空间分布。
❖ 光学谐振腔的模式: 谐振腔内可能存在的电磁场本征态。
❖ 模式与腔的结构之间具有依赖关系 ❖ 光学谐振腔的模式分为：纵模和横模
16 第十六页，共60页。
激光器件与技术第二章1
激光器件与技术
二、He-Ne 激光器的能级图 He-Ne激光器的工作物质为He和Ne气体，其中产生激
光跃迁的是Ne气， He是辅助气体，用于提高Ne原子的 泵浦速率，产生粒子数反转。
能级图如图所示：
图中：11 s0 为He原子基态能级
21s0 、23 s1为He原子两个激发态能级
激光器件与技术
弹性碰撞：是指粒子在碰撞过程中只交换动能和动量， 任一粒子内部都不发生电离和激发等过程。
非弹性碰撞：粒子内能发生了变化。
非弹性碰撞又分为：第一类非弹性碰撞和第二类非 弹性碰撞。
1、第一类非弹性碰撞 第一类非弹性碰撞是指一个粒子的动能转变为另一
个粒子内能的碰撞。
最常见的形式之一是快速电子与气体粒子发生 碰撞激发和电离。
632.8nm .对应的跃迁为： 3s2 2p4
1.15m .对应的跃迁为： 2s2 2p4
3.39m .对应的跃迁为： 3s2 3p4
激光器件与技术
三、Ne原子激光上能级的激发过程 1、能级共振转移 共振转移过程如下： He(10 s1) e(快) He(21s0) e（慢） He(10 s1) e(快) He(23s1) e（慢）
D点所对应的电压称为着火电压或叫起辉电压。
DE段对应着非自持放电 到自持放电的转换过程
着火过程 放电管呈负阻特性 电路中一定要加限流电阻
激光器件与技术
EF段对应的放电称为辉光放电 辉光放电是一种稳定的小电流自持放电
这段电流
FG段对应的放电称为反常辉光放电 反常辉光放电时，阴极发生强烈的溅射，一般防止 放电管在此状态下工作。 GH段对应弧光放电 G点电压：弧光着火电压。
He-Ne激光器
固体激光材料(精选优秀)PPT
② n2(z)-n1(z)随z的变化而变化, 增益系数g(z)随z的增加而减小, 称为增益饱和效应.
光子，不仅频率（能量）相同，而且发射 E2能级上粒子数n2的速率方程为
I(z) I0eg0z
d2nd1n2 d2n1 d2n1 dt dtst dtst dtsp
dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,
当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可见，不管激励 手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2＜n1。这表明，对 二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。
受激吸收概率：
W12
1 n1
dn12 dt st
W12B12(）
n1 为E1能级上的原子数密度, (） 为辐射场能量密度
B12 为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。
(2) 自发辐射
处于高能级态的原子 自发跃迁到低能级态， 并同时向外辐射出一 个光子（自发辐射只 与原子本身性质有关， 与辐射场的 (无） 关） 。
光子能量：
h21E2E1
自发跃迁概率：
A21
dn21 dt sp
1 n2
(3) 受激辐射
处于高能级态的原子 在一定条件下的辐射 场作用下，跃迁到低 能级态，并同时辐射 出一个与入射光子完 全一样的光子。
受激辐射的概率：
W21
1 n2
dn21 dt st
W21B21(2)1
B21 称为爱因斯坦受激发射系数。
很 粒少子，数因反而转比E3和三E能2间级的系
lesson 2
1
激光器
（一）激光器的基本结构 一般激光器都具备三个基本组成部分：工作物质、 一般激光器都具备三个基本组成部分：工作物质、谐振腔和激 励能源。 励能源。
固体激光器
2
1、工作物质 激光工作物质很普遍，从氟氯溴碘到钠钾铯铷，从氦氖氩氪氙 到铍镁钙锶钡，以及氢氧氮、金银铜铁、CO2 、染料……，都可以 产生激光。第一台激光器，红宝石激光器的工作物质就是一根淡红 色的红宝石晶体棒。晶体的基质是 Al2 O3 ，掺入重量百分比约为 0.05%的 Cr3+ 。
1、固体激光器 、 在此分别阐述几种典型的器件。 在此分别阐述几种典型的器件。 （一）红宝石激光器 激光物质的红宝石是在Al2O3基质上掺入重量比约 0.05％的Cr3＋ （又称为激活离子）。红宝石是世界上出现的第一台激光器，属于 三能级系统，效率较低。发射6943Å的红光。 晶体中形成激光的是铬离子Cr3+。
按输出谱线可分为 ： 紫外
51年来，具有不同学科和技术背景的一批发明家接二连三地发 年来， 年来 明了各种不同类型的激光器和激光控制技术。例如半导体 明了各种不同类型的激光器和激光控制技术。例如半导体 （GaAs,InP等）激光器，固体（Nd:YAG等）激光器，二极管泵浦 等 激光器，固体（ 等 激光器， 可调谐染料及钛宝石激光器，超短脉冲激光器， 激光器 ，可调谐染料及钛宝石激光器，超短脉冲激光器，气体原 激光器， 子（He-Ne）激光器，气体离子（Ar+等）激光器，气体准分子 ）激光器，气体离子（ ），金属蒸汽 分子激光器， （XeCl,KrF），金属蒸汽（Cu等）激光器，气体 ），金属蒸汽（ 等 激光器，气体CO2分子激光器， 化学激光器，光纤激光器，自由电子激光器，深紫外及X射线激光 化学激光器，光纤激光器，自由电子激光器，深紫外及 射线激光 7 等等。 等等。
6.2 固体激光材料
dI ( Z ) [W21n2 ( Z ) W12n1 ( Z )]hdZ dI ( Z ) B21h ( Z )[n2 ( Z ) n1 ( Z )]dZ B21hI ( Z )[n2 ( Z ) n1 ( Z )]dZ
故
g( Z ) B21h [n2 ( Z ) n1 ( Z )]
W21 B21
B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数 爱因斯坦系数基本关系式 3 A21 8h
B21 C
3
n h
光的受激辐射的基本概念
受激辐射的相干性
受激辐射示意图
受激辐射光子与入射(激励)光子属同一光子态 受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相 位、波矢和偏振，因而两者属同一模式
光的受激辐射放大
以三能级系统，加 以简单说明 三能级间的跃迁都 可进行
三能级体系
光的受激辐射放大
热平衡时，原子 按能级的分布满 足玻尔兹曼分布， 处于E1能级的粒 子最多，E2能级 的粒子比E3能级 的多
集居数按能级的玻尔兹曼分布来自光的受激辐射放大 外来辐射频率值31=(E3-E1)/h时， 部分处于E1的原子吸收外来辐射 跃迁到E3能级，同时少数原子从 E3能级跃迁到E1能级，外来辐射 足够强时达到平衡n1n3。这时 E3能级上的原子数增加n，E1 能级上的原子数减少n，若E3 能级与E2能级比较接近，则n3可 E3能级与E2能级间的粒 能超过n2，在E3能级和E2能级间 子数反转 形成粒子数反转分布
前 言
激光物理基础：光与物质的共振相互作用， 特别是这种相互作用中的受激辐射过程 普郎克，1990年，用辐射量子化假设成功解 释了黑体辐射分布规律 波尔，1913年，提出原子中电子运动状态量 子化假设 爱因斯坦，1917年，从光量子概念出发，重 新推导了黑体辐射普朗克公式，提出两个重 要概念：受激辐射和自发辐射。40年后，受 激辐射的概念在激光技术中得到应用
固体激光器及其应用
固体激光器及其应用
固体激光器是一种使用固体材料作为激光介质的激光器。
它通常由一个激活剂（通常是稀土元素）和一个基质组成。
当激活剂受到外部能量激发时，它会释放出光子并与基质中的原子相互作用，从而产生激光。
固体激光器具有以下一些特点：
1. 高功率输出：固体材料具有较高的能量存储密度，可以实现高功率激光输出。
2. 长寿命：固体材料的寿命通常较长，可以连续工作数千小时。
3. 较低的散射损耗：固体材料通常具有较小的散射损耗，可以实现高效的激光转换。
4. 宽波长范围：固体材料可以实现从紫外到近红外等多个波长范围的激光输出。
固体激光器有广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：1. 切割和焊接：固体激光器可以产生高功率激光束，用于金属切割和焊接工艺。
2. 材料加工：固体激光器可以用于玻璃、陶瓷、塑料等材料的微加工，如打孔、刻字等。
3. 医学领域：固体激光器可用于激光手术、激光治疗、激光诊断等医学应用。
4. 科研实验：固体激光器可用于物理学、化学等科研领域的实验研究，如光谱分析、原子冷却等。
5. 通信和雷达：固体激光器可以用于光纤通信、激光雷达等领域，实现高速数据传输和距离测量。
总而言之，固体激光器具有高功率、长寿命和宽波长范围等优点，其应用领域十分广泛，包括材料加工、医学、科研等多个领域。
固体激光器的特点及应用
摘要因为固体激光器具有很多非常突出的优点，所以它是当前应用最广泛的激光器之一。
通过对固体激光器的工作原理和应用的介绍，对它的了解更加深入。
本文先介绍固体激光器的基本结构和工作原理，再列举了几种典型的固体激光器，最后对固体激光器在工业加工、军事领域和生物医学等三个方面的应用和未来激光技术的发展方向进行了介绍。
关键词：固体激光器；激光器；工作原理；基本结构；应用ABSTRACTSolid-state laser is one of the most widely used lasers for the moment,because it has many very obvious excellences.After the working principle and application of solid-state laser,the understanding of it more deeply.This paper first introduces the basic strcture and working principle of solid-state laser,then enumerates several typical solid-state lasers,the direction of development an the solid laser application in three aspectsof industrial processing,military field,biomedical and future laser technology are introduced.Keywords:Solid-state laser;Laser;Working Principle;Basic Structure;Application目录第一章引言..................................................................................................... - 1 - 第二章激光与激光器..................................................................................... - 2 -2.1激光..................................................................................................... - 2 -2.1.1激光（LASER）..................................................................... - 2 -2.1.2激光产生的条件...................................................................... - 2 -2.1.3激光的特性.............................................................................. - 2 -2.2激光器的发明与发展......................................................................... - 2 -2.3激光器的类型..................................................................................... - 3 - 第三章固体激光器......................................................................................... - 5 -3.1固体激光器的工作原理和基本结构................................................. - 5 - 第四章固体激光器的应用........................................................................... - 12 -4.1工业加工中的应用........................................................................... - 13 - 第五章结论................................................................................................. - 17 - 参考文献......................................................................................................... - 18 - 致谢................................................................................................................. - 19 -第一章引言20世纪人类做出的最伟大的发明之一是激光。