固体激光器

2012，高春清激光原理与技术高春清：信息楼5014电话：68912574，13911160023Email:[e-mail]2012，高春清激光的发明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ColombiaUniversity（贝尔实验室）的CharlesH.Townes（汤斯）教授和他的学生JamesP.Gordon和HerbertJ.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LebedevinstituteofMoscow的AlexanderM.Prokhorov和NikolaiG.Bassov也在微波放大器上作出了同样的贡献2012，高春清激光的发明1964年诺贝尔物理奖得主Prokhorov,Townes和Basov2012，高春清固体激光器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2012，高春清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2012，高春清固体激光器的发展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。2012，高春清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2012，高春清固体激光器的基本结构闪光灯泵浦固体激光器示意图2012，高春清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2012，高春清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2012，高春清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Nd3+，Tm3+,Ho3+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2012，高春清基质材料晶体–氧化物晶体：单一氧化物晶体（如Al2O3晶体)和混合氧化物晶体（如YAG:Y3Al5O12)–氟化物晶体：单一氟化物晶体（如CaF2晶体)和混合氟化物晶体（如LiYF4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2012，高春清三价稀土金属离子：包括Nd3+、Yb3+、Ho3+、Er3+、Pr3+等；二价稀土金属离子：包括Tm2+、Er2+等；过渡金属离子：包括Ti3+、Cr3+、Ni2+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：2012，高春清固体激光工作物质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1025～1026m-3,比气体工作物质高3～4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2012，高春清固体激光工作物质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）2012，高春清典型固体工作物质一、红宝石晶体：Cr3+:Al2O3二、掺钕激光晶体：Nd3+:YAGNd3+:YAPNd3+:YLFNd3+:YVO4三、钕玻璃：Nd:glass2012，高春清一、红宝石晶体1、红宝石晶体的物理性质红宝石晶体是在Al2O3（刚玉）中掺入少量的Cr2O3由Cr3+部分取代Al3+而成，其激活离子是Cr3+（铬）化学表达式：Cr3+:Al2O3红宝石晶体是各向异性晶体在入射光波长为700nm时，n0=1.763,ne=1.7552012，高春清一、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2012，高春清激光性质主要取决于Cr3+激光上能级：2E，能级寿命3ms(亚稳态）2E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ΕA2012，高春清红宝石晶体的吸收光谱2012，高春清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360－450nm，对应于4A2向4F1能级的跃迁–绿带（或称Y带）：中心波长550nm附近，带宽510nm－600nm,对应于4A2向4F2能级的跃迁多采用脉冲氙灯泵浦2012，高春清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-4A2的的自发辐射跃迁–R2线：中心波长692.9nm，对应于2-4A2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ΕAAΕ2012，高春清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2012，高春清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2012，高春清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2012，高春清二、Nd3+: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（Y3Al5O12）中掺少量的Nd2O3，由Nd3+取代Y3+得到。Nd3+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1mm波长)化学表达式：Nd3+:Y3Al5O12(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Nd3+和Y3+的半径不完全相同2012，高春清2012，高春清Nd3+:YAG的能级结构四能级结构亚稳态寿命230us2012，高春清Nd3+:YAG晶体的吸收光谱吸收光谱(5条强吸收谱带)2012，高春清Nd3+:YAG在800nm附近的吸收谱00.10.20.30.40.50.60.70.80.91750800850Longueurd'onde(nm)Transmission2012，高春清Nd3+: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4F3/2-4I11/2–1319nm：对应于4F3/2-4I13/2–946nm：对应于4F3/2-4I9/22012，高春清Nd3+: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2012，高春清三、钕玻璃物理性质特殊光学玻璃中掺入Nd2O3形成，Nd3+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,1062nm2012，高春清钕玻璃的吸收光谱吸收光谱带宽2012，高春清钕玻璃的主要特点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2012，高春清其它钕离子激光器Nd3+:YAP掺钕铝酸钇晶体，各向异性，输出线偏光，激光波长1079nm和1314nm,Nd3+:YLF掺钕氟化钇锂晶体，上能级寿命长，激光波长1053nm，1047nmNd3+:YVO4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1064nm2012，高春清铒离子激光器Er:YAG高掺杂时：激光波长：2.94μm应用：激光医疗低掺杂时：激光波长：1.645μm应用：激光雷达铒玻璃激光波长：1.54μm应用：激光测距2012，高春清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2012，高春清闪光灯泵浦系统主要介绍：1、惰性气体放电灯2、聚光腔2012，高春清惰性气体放电灯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2012，高春清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2012，高春清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2012，高春清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2012，高春清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2012，高春清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2012，高春清连续氪灯的辐射光谱2012，高春清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2012，高春清惰性气体放电灯的有效辐射效率hLhL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hL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，hL越大，但充气气压太大影响灯寿命–灯尺寸：灯细长可提高hL–放电电流密度的影响:使灯工作于最佳放电条件2012，高春清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2012，高春清各种聚光腔的形式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