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「自学哈网」固体激光器原理(固体激光器的特点及应用)

作者 : 自学哈 本文共7848个字,预计阅读时间需要20分钟 2022-10-20 共14人阅读
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固体激光器原理(固体激光器的特性和应用)

本文转发自百度文库激光开篇报道。本文仅供分享和学习。分享没有利润,没有商业运作。

第一章导言

激光是人类在上个世纪创造的最杰出的技术成就之一。自20世纪60年代梅曼发明世界上第一台激光器以来,激光技术的发展硕果累累,已经广泛应用于人类社会的各行各业。

从固态激光器出现到今天,一直受到大家的特别关注。由于它具有峰值功率高、输出可以量大、结构紧凑耐用等特点,所以在各方面的应用非常广泛,具有不可估量的价值。凭借这些优异的特性,固体激光器已经广泛应用于科学研究、国防军事工业、工业生产、医疗卫生等领域。,让我们的日常生活越来越美好。

目前激光器的研究方向是器件体积更小更轻、效率更高、光束质量更好、可靠性更高、寿命更长、操作更敏捷的全固态激光器。全固态激光器的应用已经扩展到我们生活的各个领域。它是应用领域中基础的、尤其重要的核心器件,已经成为我们日常活动中不可或缺的好帮手。它的结构、输出功率、转换效率、光束质量都有了长足的进步,具有强大的生命力。

全固态激光器结合了半导体激光器和固体激光器的特点,具有体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、操作方便等优点,是一个很有前途的激光器研究方向。已广泛应用于科研、医疗、工业加工、军事等领域,是性可以优异的新一代绿色节可以光源[1]。

如今,激光技术在各个领域的广泛应用,已经成为企业向信息化转型不可或缺的驱动力,推动了一条完整的高科技链条有序成长。据国外相关数据统计,国外激光产业发展呈现出一派繁荣景象,市场需求不断攀升,每年以20%以上的速度递增。目前,中国的激光市场正在稳步发展,增长迅速。统计报告显示,1999年中国激光产品市场销售额仅为14.13亿,2005年达到47.75亿。所以固体激光器的发展呈现出非常好的趋势,市场非常广阔,发展很大空。

第二章激光和激光

2.1激光

激光器(激光)

它是指光在受激辐射的用处下变强的现象,它的英文名称是Laser。

2.1.2激光产生的条件

激光产生有三个条件:

1)具有可以实现可以级跃迁的工作介质,称为激活介质,可以使上下可以级处于粒子数反转状态;

2)有一个提供光反馈的光谐振腔。它的用处是延长工作物质的长度,使工作对象

进行连续受激辐射,达到加速光子的目的;二是可以够干扰激光的发射方向;三是控制输出波长。

3)有将工质从低可以级转化到高可以级所需的可以量,使激光满足发生的条件。

2.1.3激光的特性

激光产生的机理不同于普通光源,因此激光具有不同于普通光的特性:高指向性、单色性、相干性和高亮度[2]。

单色是指光的强度根据其频率排列的方式。这个指标可以够用光谱分布的宽度来衡量。频谱越宽,其性可以越差。

方向性是指光可以够根据需要分布在某个位置。这样我们就可以够让光在很远的距离上有很高的强度,这是光传播距离的一个指标。指向性越好,照射距离越远。

单色亮度是衡量光源发光可以力的一个指标。其物理意义是光源在单位截面、带宽和立体角内的发射功率。

2.2激光器的发明和发展

20世纪20年代,阿尔伯特·爱因斯坦的光子受激发射原理为激光的出现提供了巨大的帮助。这个原理是指高可以态的光子受到低可以态光子的影响,转变为低可以态,产生第二个光子,与前一个光子一起发射出去[3]。

1951年,唐斯提出了微波激射器的概念。1954年,美国科学家托马斯和俄罗斯科学家普罗霍罗夫得到了氨分子的粒子束旋转现象,不久后他们又发现了微波的受激发射。

1956年,荷兰物理学家Bloembergen创造了粒子束可以够通过光学泵浦三可以级原子系统而反向排列的概念。

1958年,美国物理学家肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)通过谐振腔得到了激光,俄罗斯科学家普罗霍罗夫也研制出了振荡器和放大器。这两项发明为激光的发现提供了巨大的帮助。

1960年,美国物理学家麦曼在前人激光理论的基础上,研制出世界上第一台激光器。

1965年,人类历史上第一台CO2激光器在美国研制成功,这是世界上第一台可以产生高功率的激光器。然后两年后,x光激光研制成功。如今,激光技术广泛应用于我们生活的各个领域。

关于中国激光器的具体成功发展,从下面的表2.1可以够清楚地看到:

2.3激光器的类型

自20世纪60年代激光发明以来,这方面的科学技术取得了巨大进步,现在激光技术已经成功应用于各行各业。激光器的种类很多,我们可以够按照以下分类方法进行分类:

1)工作物质:这样我们主要可以够分为固体《萨体、染料、半导体、光纤、自由功率六种激光器。

2)激发模式:根据这种模式可分为光泵、化学泵和核泵三种激光器[4];

3)工作模式:根据这种模式可分为连续激光、单脉冲激光、锁模激光、可调谐激光四种。

4)根据输出波长的长短进行区分,包括红外激光、可见光激光、紫外激光和X射线激光。

如下表2.2所示:

表2 .2激光器的分类

第三章固体激光器

3.1固体激光器的工作原理和基本结构

这种激光器的工作原理是工作物质吸收可以量后达到激发态。为了使粒子束反转并保持这种状态,提供了物理检查,然后将光放大后输出。这种激光器的结构如下图3.1所示:

1)工作物质aa

工质是激光器不可或缺的关键组成部分,它包括两个组成部分:活性粒子和基质。激光的许多重要性可以参数都是由激活粒子的可以级构成的,而基质主要影响材料的性质。

2)泵送系统

泵系统工作有两个必要条件:一是泵的发光效率必须满足系统的运行;第二,受激辐射的性质必须与工作物质的光谱性质一致。

我们还经常使用泵源,如太阳可以、惰性气体和激光二极管。目前,惰性气体是最常用的泵源,而太阳可以等泵源常用于小功率器件。现在,我们在这一领域的技术正朝着ld泵浦的方向发展,其优良的特性是显而易见的:光转换率强、功率高、稳定性好、安全可靠、寿命长、体积小等。现在它已经成为固体激光器发展中最有前途的泵浦源。

LD可分为端面泵、侧面泵、侧面泵和混合泵[5]。图3.2显示了泵的端面和侧面结构。

3)浓缩系统

这部分主要有以下两个用处:一是将工质与泵送系统结合起来;第二个用处是确定工质光密度的排列,进而干涉光束的各种参数和性可以指标。冷凝腔由工质和泵源组成,因此泵性可以的影响程度主要受冷凝腔的影响。现在,一些较小的固体激光器经常使用如图3.3所示的椭圆形腔。

图3.3椭圆形聚光腔

4)光学谐振腔

反射镜是固体激光器中非常重要的部件。反射镜的主要用处是通过保持激光器的连续振荡形式来完成激光的产生,并限制光束的振动方向和频率,从而达到激光器的高性可以指标参数。

5)冷却和过滤系统

这部分是激光中最不可缺少的辅导设备。由于固体激光器在工作时容易引起非常剧烈的热效应,所以一般需要采用冷却的方法。为了保证激光器和其他元件的安全,我们通常通过冷却工作物质、泵浦系统和聚光腔来保护它们。目前冷却方式有液体《萨体、传导三种,但液体冷却是最喜欢的一种。在获得高单色光的过程中,滤光系统起着重要的用处。其原理是可以成功地去除大部分泵浦光或有影响的光,从而获得高单色光。

3.2典型固态激光器

随着这类技术多年的发展和积累,现在的固体激光器种类繁多,但最常用的是红宝石、Nd: YAG和二极管掺杂的固体激光器和可调谐固体激光器。

3.2.1红宝石激光器(Cr3 :Al2O3)

红宝石是掺有少量Cr3 离子的蓝宝石(Al2O3),红宝石激光器的工作物质是红宝石晶体(Cr3 :Al2O3),其中Cr3 是发光活性粒子,属于三可以级系统,决定了输出激光的光谱特性。而Al2O3是基质晶体[6]。下图3.4显示了红宝石中铬离子的可以级结构。

a

这种激光器具有以下优点:

1)激光器机械硬度高,稳定性好,可以够接受高功率密度的激光,产生的光的尺寸也大;

2)使用时间长,内存大,高可以量激光发射;

3)激光光谱大,容易获得高可以量的单层薄膜;

4)性可以稳定,可输出波长400~760nm的光。

在我们的实际工程领域,这种激光器有很好的市场,因为大部分的传感器都可以够在可见光的波长响应,很多稀土四可以级的工作波长都在400~760nm左右。

当然,任何事物都有两面性,必然会有缺点:一是三级结构,所以需要更大的门槛;其次,红宝石的特征靶对温度非常敏感;然后,它的激励频率比较低,导致它的工作时间比较长。发散角输出通常在三至十毫弧的范围内,稍大一些。

如下图3.5所示,这是中国第一台红宝石激光器。这种激光器在光激发形式上处于世界领先水平。

3.2.2掺钕钇铝石榴石激光器(Nd3 :YAG)

这种激光器是四可以级系统,工作效率高,使用时间长,工作阈值低,输出波长低,因此可以够长时间工作。

其结构与之前的激光器基本相同。因为它的工作物质与其对应的光泵不同,所以可以够长时间工作。

这种激光器的晶体以YAG为基础,掺入适量的Nd3 形成晶体结构。这种晶体具有许多优良的特性,如:热传导效率高,为激光器的连续运转创造了非常好的基础;三价稀土离子的钇铝石榴石晶体,熔点1970度,可以承受大辐射。它的荧光宽度只有6.5厘米,所以它的工作阈值很小。量子的工作效率可以够近似接近1,已经成为固体激光器中的优良工作材料。

氪灯通常被认为是泵浦光源。氪灯的结构与氙灯基本相同,只是它的灯管中充有大气压为2至4的氪气。

这种晶体属于四可以级系统,可以够通过荧光发射产生激光和三价稀土离子。图3.6给出了这种激光器的可以级结构图。

当4f3/2-4i11/2,4f3/2-4i13/2,4f3/2-4i9/2的可以级跃迁时,产生三条不同的荧光线,如下图3.6所示,其中1.06u洪都博客M的线可以量大于另外两条。所以1.06um首先达到阈值形成激光振荡。

图3.6

可以级结构

3.2.3掺铒钇铝石榴石激光器

近年来,由于其独特的波长,这类激光器引起了科学家们的广泛关注,并在医学领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景。

这种激光器的基本结构类似于Nd3 :YAG激光器。通常采用脉冲氙灯泵浦,其聚光腔为镀银单椭圆柱腔或双椭圆柱腔。但其光学元件必须与水蒸气隔离(如果不隔离激光束,就会被破坏),所以需要将激光器密封在干燥的容器中[7]。

它具有高光学性可以、低损耗、高激光输出、稳定的物理化学性可以,可以高效去除硬组织。图3.7示出了激光输出波长为2.94微米的Er:YAG激光器的跃迁可以级图。

图3.7 er:YAG激光器的跃迁可以级图

可调谐固态激光器

这种激光器还有很多优秀的特点:存储量大,可以够使存储时间更长;其使用时间长;或者闪光灯二极管泵浦时效果非常明显;在调Q条件下也可以正常工作;光束产生性可以好,谐波产生可以力也好。

可调谐固体激光器是指可以够在建议范围内连续改变输出波长的固体激光器。我们可以够把它们分为两类[8]:一类是色心激光器;一种是由掺杂过渡金属离子的激光晶体制成的可调谐激光器。

前者指的是工作物质为色心的晶体,这是由于正负离子不存在造成的。由于晶体振荡的干扰,其荧光线宽较大。

色心激光器的调谐范围为0.6 ~ 3.65微米,线宽较窄,但大多只可以在低温下工作。激光晶体主要有金绿宝石、Cr:GSGG和掺钛蓝宝石,其中最佳的可调谐固体材料是钛蓝宝石[9]。

二极管泵浦的固态激光器

第一台二极管泵浦的固体激光器诞生于1962年。它不同于以前用闪光灯作为泵浦源的固体激光器。它的泵浦源是LD,称为全固态激光器。这主要是因为它的成分是“固体”的。它的优点是显而易见的:光转换率强,功率高,稳定性好,安全可靠,寿命长,体积小。

全固态激光器有很多种,可根据下表3.1进行分类:

3.3固态激光器的优点和缺点

固态激光器的优点:

1)它的可以量输出大,峰值的功率也大。这主要是因为它的可以级结构特殊,所以可以输出高可以量、高功率的激光。这是它最突出的优点。

2)物理机械强度高,制造成本低。与其他类型相比,这种激光器更简单实用,生产成本更低。

3)需要的材料种类很多。它的工作物质至少有100多种,并且呈现出越来越猛烈的增长势头。

随着科技的发展,越来越多的具有优良特性的原材料被发明出来,使得固体激光器的功可以越来越好。

固态激光器的主要缺点:

1)其热稳定性差,连续运行一段时间后会产生大量热量。因为它的功率和可以量输出都比较大,非常容易导致系统产生过多的热量,所以需要给它设置一个冷却系统,这样激光器才可以长时间运行。

2)相对于其他种类的激光器,它的转换效率还是比较低的。红宝石激光器的工作转换效率一般在0.5% ~ 1%的范围内,掺钕钇铝石榴石激光器的工作转换效率为1% ~ 2%,3%是其极限。

3.4典型固态激光器的比较

不同类型的激光器有不同的特性,按照不同的参考角度进行分析可以够得出不同的结论。如下表3.2所示,我们可以够按照工作物质的不同、输出波长的长短、可以级结构的不同、常用泵浦方式的不同四个方面来比较前面介绍的几种典型的固体激光器。

第四章固体激光器的应用

固体激光器由于功率大,机械工作简单,广泛应用于各行各业,并朝着更加发展的方向发展。下面将详细介绍它在工业生产、军事领域和生物医学方面的应用。

4.1在工业加工中的应用

在工业加工领域,激光加工是最常见的应用形式。我们一般将其分为两种类型的激光加工:光热和光化学反应,包括光化学沉积,立体光刻,激光蚀刻等[10]。。前者主要是指通过激光束的照射,在物体表面产生热效应,从而达到预期的效果,如焊接、切割、性可以改变、钻孔、微加工等。后者的原理主要是指利用激光束投射,借助光子或光化学反射来处理物体。

1)激光切割

这样利用光聚集后产生非常强的可以量,进而实现切割功可以。在加工物体的过程中,这种方法被人们广泛采用,因为它可以够大大降低工人的劳动强度和成本,并保证加工物体的质量。

2)激光焊接

这种技术是激光加工最常用的方法之一。整个过程是热传导,即激光器产生的高热激光加热物体表面,然后通过传导,使被加工的物体最终达到想要的结果。

由于其独特的优点,它已被频繁地用于小规模的焊接工作。与其他焊接方法相比,它具有焊接效率高、质量好、可以在常温下焊接的明显优势,而且设备结构也简单。

3)激光钻孔

随着电子产品小型化的发展,我们的电子电路要求集成化。然而,这项技术需要在电路板上安装越来越多的微孔和盲孔。然而,我们传统的手工加工方法无法达到预期的精度,而随着这种激光打孔技术的发展,这个问题得到了很好的解决,具有很好的应用前景。

4.2在军事领域的应用

如今固体激光器在军事工业上的应用也呈现出了越来越强大的发展空,其在军事工业上的应用和发展在激光器中算是后来者。直到1990年,一些专家研制出高功率LD激光器,使激光器在军事上大显身手。如图4.1所示,是诺斯罗普公司的格鲁曼公司研制的高功率固体激光器。由于激光器的输出波长较小,在空气体中传输良好,进而可以够满足远距离作战的要求。而且它的体积比较小,使用起来特别方便,工作效率高,后期的维护和支持也相当容易,可以够在各种平台上操作。在具体用途上,固态激光器在常规武器中更受青睐,如军用专用测距仪、具有导航功可以的炸弹等。

而且发展成定向武器的可可以性很大,可用于导弹防御、防控、军舰自卫。

激光在军事领域的成功应用极大地改变了战场态势,并且随着技术的发展,可以够实现模块化批量生产,使其在军事领域的效率更高,甚至成为单边作战的重要组成部分。

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激光在未来的战斗使用中有着非常重要的用处,可以够在反侦察、防护、清障等方面起到非常好的用处。下图4.2是美军激光武器的理想效果图:

在早期的军事领域,激光主要用于测量距离和作战中的照明用处。红宝石激光测距仪在上世纪60年代发明成功后,次年成功应用于军事领域。

4.3在生物医学中的应用

在医学领域的成功应用始于眼科手术。1962年,人们第一次用激光将视网膜和眼球连接起来,这样不用切开眼球就可以达到治疗效果。

固体激光器在生物医学领域的应用包括医学研究工具、激光诊断和激光治疗。

1)医学研究工具

在研究医学病理学、生理学和生物化学的过程中,我们可以够用固态激光器的激光照射每个细胞,从而探索细胞的生理,我们还可以够用激光进行细胞手术。现在固体激光器已经成为研究人员研究遗传学和胚胎学实验的一个非常重要的设备。

2)激光诊断

该试验方法可用于活体组织的内部检测。因此,它在人类手指、牙齿和儿童脑积水中有很好的应用。例如,现在科学家正在研究使用可以量为400焦耳、输出宽度为半毫米的激光来探测牙齿。

用激光检测血药流量的含量时,可以够在不干扰血药的情况下成功测量。

在对生物组织进行定量测试时,我们可以够简单地通过测量被测体各部位的细胞成分来检查被测体中的元素组成。

3)激光疗法

在激光治疗过程中,现在最常用的方法是使用激光聚光镜。术中可以够通过激光刀的用处对体内的手术部位进行处理,可以够减少血容量的损失,后期恢复快,不受干扰。红宝石激光对于视网膜、青光眼和巩膜手术也非常方便。红宝石激光器不仅是世界上第一台激光器,也是最早用于医疗的激光器[11]。而且由于其工作波长在可见光范围,不适合与血红蛋白相互用处,所以在各种色素引起的疾病中非常实用。

Nd3 :YAG激光器是一种固体激光器,在生物医学治疗中的应用越来越广泛。因为这种激光器有很多优秀的特性:转换效率高,激光输出功率超高,其中单晶工作时激光输出功率可达100瓦。与CO2气激器相比,它具有更好的止血和凝血效果,因此在医学领域经常扮演手术刀的角色。它的用处是解剖血管饱满的组织,并加以利用。这种激光器可以够输出脉冲可以量相当大的激光,激光很难被水和血红蛋白吸收,因此可以够穿透深层组织。

Nd3 :YAG激光通过倍频技术可以够获得波长为532nm的绿色激光,且穿透力较浅,一般仅限于治疗较浅的血管病变。此外,倍频Nd3 :YAG激光还可广泛应用于胃出血和血管瘤的治疗及显微外科手术,对红色染料颗粒引起的人工皮肤色素变异也有建议的治疗用处,如纹身、嘴唇等[12]。下图4.3是激光手术的示意图。

图4.3激光手术示意图

第五章展望

固体激光器具有体积小、效率高、寿命长、覆盖波段长、坚固耐用、激光加工方式多样、使用方便、输出功率高等优良特性。它是以掺有少量活性离子的晶体、玻璃或陶瓷为工作物质的激光器[13]。从1960年发明世界上第一台固体激光器到现在的大功率全固态激光器,固体激光技术日新月异,百花齐放。为了跟上新环境下的应用要求,固体激光器必须向实用化、高效化、商品化的方向转变,即向全固化、输出激光脉冲和波长短的方向转变,目前已经取得了非常好的效果。首先,改进了增益介质。红宝石是第一增益介质,其次是钕玻璃、掺钕钇铝石榴石和掺钕镓钆石榴石。现在新型激光材料的基体是陶瓷。其次,我们对泵浦光源进行了大量改进。泵浦源从以前的闪光灯、弧光灯变成了现在的LD泵浦,获得的输出功率越来越大。第三,增益介质的结构也有了很大的改进,从原来的传统棒板结构发展到现在的圆盘和光纤结构。

如今,虽然固体激光器已经取得了许多令人钦佩的成就,但许多技术仍然不够成熟,可靠性需要研究人员进一步加强。目前激光器市场最有前景的发展方向是器件体积更小更轻、效率更高、光束质量更好、可靠性更高、寿命更长、操作更敏捷的全固态激光器。

全固态激光器的应用已经扩展到各个领域,其结构、输出功率、转换效率和光束质量都有了长足的进步,具有强大的生命力。随着国家相关政策对一些激光技术项目的大力支持,很多技术将会从研究变为产业化,最终应用到我们的日常活动中。

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