固体激光器光路设计激光原理课程设计

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2一、课程设计的任务和要求要求：1、具备独立查阅激光原理、激光技术以及激光器件相关文献和资料；能提出并较好地的实施方案；具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。2、具备独立设计激光器的能力，能对基本激光应用系统的进行研究、分析及比较的能力。3、具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。5、综述简练完整，立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确。6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。7、内容不少于3000字，图和计算结果要求打印。技术参数：1、9个808半导体激光器组成侧泵模块，功率180W，北京吉泰；2、Nd:YVO4晶体尺寸3×65mm；激光器输出功率50Ｗ；3、8倍扩束；4、谐振腔长48厘米，侧泵模块放置腔中间，Q开关位于模块和全反射镜中间；腔镜为平面反射镜，透射率为15%。任务：1、简述半导体泵浦的激光器原理和应用2、参照实验室原型，用solidworks软件画出激光器的设计图3、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520mm，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）3二、进度安排1、2014.6.4-2014.6.4选题2、2014.6.4-2014.6.11分析资料、提出设计方案3、2014.6.10-2014.6.12讨论、修改方案，写出初稿4、2014.6.13定稿交稿三、参考资料或参考文献1、《激光原理》第五版，周炳琨2、《激光器设计基础》，赫光生、雷仕湛3、《激光器件与设计》，吕百达4、《固体激光工程》，孙文5、《激光光学—激光束的传输变换和光束质量控制》，吕百达6、solidwork产品设计范例，清华大学出版社7、Matlab程序设计与应用，高等教育出版社指导教师签字：***2014年6月4日教研室主任签字：2014年6月4日R1=∝F=45mmL=48cmR2=5mT=15%L=100cm4四、课程设计摘要（中文）摘要：激光是二十世纪最重大、最实用的发明之一，它在短短几十年内就推广应用到现代工业、农业、医学、通信、国防和科学技术的各个方面。激光是光的受激辐射，因而它与自发辐射的普通光源不同，具有极好的方向性、极高的光亮度和相干性。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。本次设计简述了半导体泵浦的激光器原理和应用，参照实验室原型，用Solidworks软件画出了激光器的设计图；根据设计基本参数，使用Matlab软件计算出了经聚焦以后的光斑半径与位置。关键词：固体激光器；Solidworks；Matlab五、课程设计摘要（英文）Abstract：LaserisoneofthemostsignificantandmostusefulinventionintwentiethCentury.itisappliedtoeveryaspectofmodernindustry,agriculture,medicine,communication,nationaldefenseandscienceandtechnologyinjustafewdecades.Laserlightamplificationbystimulatedemissionofradiation,soitandthespontaneousradiationofcommonlightsourcesofdifferent,directional,highhasexcellentbrightnessandcoherence.Sincethefirstrubylaser,solidstatelaserhasbeendominatedthedevelopmentofthelaser,especiallythefullsolidifiedsolidlaserappearedintwentiethCenturyeightiethCentury80yearsofsemiconductorlasersandonthebasisofthemorebecausetheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiency,stableperformance,goodreliabilityandlongservicelife,photoelectricindustryhasgraduallybecomethemostpromisingfield.Thisdesignintroducestheprincipleandapplicationoflaserdiodepumped,referencelaboratoryprototype,usingSolidworkssoftwaretodrawadesignlaser;accordingtothebasicparametersofthedesign,useMatlabsoftwaretocalculatetheradiusandpositionfocusfuture.Keywords：solid-statelasers;Solidworks;Matlab5六、指导教师评分评价内容具体要求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字：2014年6月12日6七、答辩记录记录人（签字）：2014年6月13日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）：2014年6月13日课程设计总评成绩：（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）7目录前言.......................................................................................................................8第一章半导体泵浦激光器原理和应用.............................................................81.1激光原理..............................................................................................91.2半导体泵浦激光器的应用....................................................................10第二章激光器的设计过程...............................................................................112.1半导体泵浦激光器设计方案...............................................................112.2激光器的设计图.................................................................................112.3计算聚焦后激光光斑直径...................................................................122.4聚焦透镜焦距与光斑半径的关系........................................................14第三章总结.......................................................................................................15参考文献.............................................................................................................158前言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。传统的固体YAG传统的固体YAG激光器，通常由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。另一方面整个激光器需要庞大的制冷系统，体积很大。泵浦灯的寿命约为300积很大。泵浦灯的寿命约为300到1000小时，操作人员需花很多时间频繁的换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低，工作，使自动化生产线的效率大大降低，间接提高了生产成本。因此技术上没有大的发展空间。现在国际上的激光厂家已经淘汰了中小功率灯泵浦固体激光器的生产和研发，将来随着大功率的二极管、光纤激光器的研发和应用，成本的下降，灯泵浦固体激光器将会逐步淘汰。这是固体激光器的发展方向。9第一章半导体泵浦激光器原理和应用1.1激光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hv21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有光子的能量正好等于原子的能级间隔E1-E2时才能被吸收。图1-1光与物质作用的吸收