1、激光器激勵原理 固體激光器 1311310黃漢青 1311343張旭日 輔導老師：摘要：固體激光器目前是用最廣泛的激光器之一，它有著一些非常突出的優點。介紹固體激光器的工作原理及應用，更能夠加深對其的了解。本論文先從基本原理和結構介紹固體激光器，接著介紹一些典型的固體激光器，最后介紹其在軍事國防、工業技術、醫療美容等三個方面的應用及未來的發展方向。關鍵詞：固體激光器 基本原理 基本結構 應用1 引用世界上第一臺激光器紅寶石激光器（固體激光器）于1960年7月誕生了，距今已有整整五十年了。在這五十年時間里固體激光的發展與應用研究有了極大的飛躍，并且對人類社會產生了巨大的影響。固體激光器從其誕生開

2、始至今，一直是備受關注。其輸出能量大，峰值功率高，結構緊湊牢固耐用，因此在各方面都得到了廣泛的用途，其價值不言而喻。正是由于這些突出的特點，其在工業、國防、醫療、科研等方面得到了廣泛的應用，給我們的現實生活帶了許多便利。未來的固體激光器將朝著以下幾個方向發展：a) 高功率及高能量b) 超短脈沖激光c) 高便攜性d) 低成本高質量現在，激光應用已經遍及光學、醫學、原子能、天文、地理、海洋等領域，它標志著新技術革命的發展。誠然，如果將激光發展的歷史與電子學及航空發展的歷史相比，你不得不意識到現在還是激光發展的早期階段，更令人激動的美好前景將要來到。2 激光與激光器2.1 激光2.1.1 激光（LA

3、SER）激光的英文名LASER，是英語詞組Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射的光放大）的縮寫1。2.1.2 產生激光的條件產生激光有三個必要的條件2：1) 有提供放大作用的增益介質作為激光工作物質，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產生受激輻射的能級結構；2) 有外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產生粒子數反轉；3) 有光學諧振腔，增長激活介質的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。3 固體激光器3.1 工作原理和基本結構在固體激光器中，由泵浦系統輻

4、射的光能，經過聚焦腔，使在固體工作物質中的激活粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質中形成粒子數反轉，通過諧振腔，從而輸出激光。如圖1所示,固體激光器的基本結構（有部分結構沒有畫出）。固體激光器主要由工作物質、泵浦系統、聚光系統、光學諧振腔及冷卻與濾光系統等五個部分組成4。圖1 固體激光器的基本結構1) 工作物質工作物質激光器的核心，是由激活粒子（都為金屬）和基質兩部分組成，激活粒子的能級結構決定了激光的光譜特性和熒光壽命等激光特性，基質主要決定了工作物質的理化性質。根據激活粒子的能級結構形式，可分為三能級系統（例如紅寶石激光器）與四能級系統（例如Er：YAG激光器）。工作物質的形狀目前常用的主要

5、有四種：圓柱形（目前使用最多）、平板形、圓盤形及管狀5。2) 泵浦系統泵浦源能夠提供能量使工作物質中上下能級間的粒子數翻轉，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要滿足兩個基本條件：有很高的發光效率和輻射光的光譜特性應與工作物質的吸收光譜相匹配。3) 聚光系統聚光腔的作用有兩個6：一個是將泵浦源與工作物質有效的耦合；另一個是決定激光物質上泵浦光密度的分布，從而影響到輸出光束的均勻性、發散度和光學畸變。工作物質和泵浦源都安裝在聚光腔內，因此聚光腔的優劣直接影響泵浦的效率及工作性能。如下圖3所示為橢圓柱聚光腔，是目前小型固體激光器最常采用的。圖3 橢圓柱聚光腔4) 光學諧振腔光學諧振腔由全反射鏡和部分反射

6、鏡組成，是固體激光器的重要組成部分。光學諧振腔除了提供光學正反饋維持激光持續振蕩以形成受激發射，還對振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光的高單色性和高定向性。最簡單常用的固體激光器的光學諧振腔是由相向放置的兩平面鏡（或球面鏡）構成。5) 冷卻與濾光系統冷卻與濾光系統是激光器必不可少的輔助裝置。固體激光器工作時會產生比較嚴重的熱效應，所以通常都要采取冷卻措施。主要是對激光工作物質、泵浦系統和聚光腔進行冷卻，以保證激光器的正常使用及器材的保護。冷卻方法有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻，但目前使用最廣泛的是液體冷卻方法。要獲得高單色性的激光束，濾光系統起了很大的作用。濾光系統能夠將大部分的泵浦

7、光和其他一些干擾光過濾，使得輸出的激光單色性非常好。3.2 典型的固體激光器3.2.1 紅寶石激光器（:）紅寶石是由藍寶石（）中摻入少量的氧化鉻（）而形成。紅寶石激光器的工作物質是:，其中，作為基質晶體，是發光的激活粒子，光譜特性與的能級結構有關，它是三能級系統。如下圖4所示為紅寶石晶體能級圖7。在室溫情況下，紅寶石激光器一般輸出694.3nm的紅光。紅寶石激光器的有一些非常突出的優點：機械強度好，高功率密度，大尺寸晶體，亞穩態壽命長，高能量單模輸出。當然也有一些很明顯的缺點：閾值高，溫度效應明顯。所以只能在低溫下連續與高重復率運行。3.3 固體激光器的優缺點固體激光器主要優點：1) 輸出能量

8、大，峰值功率高。在固體激光器中，由于中心粒子的能級結構，能夠輸出大能量，并且峰值功率高。這個是固體激光器非常突出的優點。2) 結構緊湊耐用，價格適宜。和其他類型的激光器相比，固體激光器的結構非常簡單并且非常耐用，同時價格相對適宜。3) 材料種類數量多。固體激光器的工作物質的種類非常多，到目前為止至少有一百多種，而且大有增長的趨勢。大量高性能的材料的出現，是固體激光器的性能進一步的提高。固體激光器的主要缺點：1) 溫度效益比較嚴重，發熱量大。正是由于輸出能量大，峰值功率高，導致熱效應非常明顯，因此固體激光器不得不配置冷卻系統，才能保證固體激光器的正常連續使用。2) 轉換效率相對較低。固體激光器的

9、總體效率非常低，例如紅寶石激光器的為0.5%1%左右，YAG激光器的總體效率為1%2%，在最好的情況下可接近3%?？梢姽腆w激光器的效率提高還有很大的空間。4 固體激光器的應用固體激光器在軍事、加工、醫療和科學研究領域有廣泛的用途。它常用于測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。4.1 工業制造激光加工是激光系統最常用的應用。根據激光束與材料相互作用的機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接

10、、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等；光化學反應加工是指激光束照射到物體，借助高密度高能光子引發或控制光化學反應的加工過程。包括光化學沉積、立體光刻、激光刻蝕等。這里我們主要來看看固體激光器的加工應用。1) 激光切割技術 激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。與傳統的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應性等優點。目前常采用1.06mm波長的YAG激光束。2) 激光焊接技術激光焊接是激光材料加工技術應用

11、的重要方面之一，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優點，已成功地應用于微小型零件焊接中。與其它焊接技術比較，激光焊接的主要優點是：激光焊接速度快、深度大、變形小，能在室溫或特殊的條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單16。5 結束語固體激光器是以摻雜的玻璃、晶體或透明陶瓷等固體材料為工作物質的激光器。從世界上第一臺激光器發明至今，固體激光技術取得了很大的發展，主要表現三個方面：第一是工作物質不斷改進。最初是紅寶石激光器，后來出現了釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石激光器，現在又有

12、了摻釹鎵釓石榴石激光器。還有報道稱，目前出現了以陶瓷為基質的新型激光材料。第二是泵浦光源的改進。最初是閃光燈，后來發展為弧光燈，現在出現了高功率激光二極管泵浦。第三是工作物質結構的改變。從最初的棒式結構發展成板條式，又到后來的光纖式結構。 固體激光器的發展趨勢是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長和工作波長可調諧的新工作物質，提高激光器的轉換效率，增大輸出功率，改善光束質量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長工作壽命等。參考文獻1 蔡樞,吳銘磊.大學物理(當代物理前沿部分專題).北京:高等教育出版社,1996:282 陳家壁,彭潤玲.激光原理與應用(第二版).北京:電子工業出版社,2008.8:273 單振國,干福熹.當代激光之魅力.北京:科學出版社,2000:5-104 陳家壁,彭潤玲.激光原理與應用(第二版).北京:電子工業出版社,2008.8:1