固体激光器ppt课件.ppt

激光原理与技术 高春清 信息楼5014电话 68912574 Email 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 激光的发明 1964年诺贝尔物理奖得主Prokhorov Townes和Basov 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 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 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 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 固体激光器的基本结构 闪光灯泵浦固体激光器示意图 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 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 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 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 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 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 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 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 glass 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 1 755 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 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 红宝石晶体的吸收光谱 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 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 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 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 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 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 Nd3 YAG的能级结构 四能级结构亚稳态寿命230us Nd3 YAG晶体的吸收光谱 吸收光谱 5条强吸收谱带 Nd3 YAG在800nm附近的吸收谱 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 21319nm 对应于4F3 2 4I13 2946nm 对应于4F3 2 4I9 2 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 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 1062nm 钕玻璃的吸收光谱 吸收光谱带宽 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 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 1047nmNd3 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1064nm 铒离子激光器 Er YAG高掺杂时 激光波长 2 94 m应用 激光医疗低掺杂时 激光波长 1 645 m应用 激光雷达铒玻璃激光波长 1 54 m应用 激光测距 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 闪光灯泵浦系统 主要介绍 1 惰性气体放电灯2 聚光腔 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 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 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 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 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 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 连续氪灯的辐射光谱 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 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 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 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 椭圆柱聚光腔紧包式聚光腔旋转对称聚光腔 椭圆柱聚光腔 a 单椭圆柱 b 大偏心率 c 小偏心率 d 四椭圆柱聚光腔 多灯聚光腔 紧包式聚光腔 灯与棒靠的很近 不靠光线的几何反射成像 而是靠灯光直接照射和聚光腔内高能量密度实现优点 结构简单 易加工缺点 不利散热 聚光腔内反射表面的选择 聚光腔内反射表面一般选金属材料 铜 铝 有时也选玻璃反射形式 镜面反射和漫反射镜面反射 聚光腔内表面精抛光 再镀高反射率的反射膜层 金属反光膜层 金 银 铝 铜等多层介质膜 适用于金属和玻璃聚光腔 设计成对有用光高反 对无用光低反的膜系漫反射 常用的漫反射材料有陶瓷 硫酸钡 氧化镁等 漫反射表面使会聚到工作物质的泵浦光均匀性好 反射率高 用于小型聚光腔 金属膜层反射率与波长的关系 抛光表面 蒸发薄膜 聚光腔的设计原则 1 根据输出功率和输出能量选择聚光腔类型漫反腔 适用于低功率 低能量器件镀膜腔 适用于高功率 高能量器件2 需考虑晶体棒 闪光灯 聚光腔的合理匹配对于圆柱棒 直管闪光灯灯 晶体棒和闪光灯尺寸一般为1 1 聚光腔略长于晶体棒3 其它方面的考虑 冷却 成本 换灯方便性 LD泵浦固体激光器 LD泵浦固体激光器 是指用LD代替闪光灯泵浦固体激光工作物质的固体激光器DiodePumpedSolidStateLaser DPL DPSSL DPL激光器的迅猛发展始于20世纪80年代后期 它随着LD输出功率和可靠性的提高而发展 又极大地促进了大功率LD的发展 LD泵浦固体激光器 小功率LD的外形图 LD泵浦固体激光器 另一种LD的外形图 DPL激光器的特点 从泵浦光谱与晶体吸收光谱的匹配方面分析 闪光灯泵浦 闪光灯的输出光谱与激光介质的吸收光谱匹配情况不好 导致激光器效率低 需要较大冷却系统 因此闪光灯泵浦的固体激光器体积重量大 热畸变严重 激光二极管泵浦 可以针对某些固体激光介质的吸收光谱选择与其匹配的激光二极管作为泵浦源 效率高 体积小Nd YAG的泵浦波长之一 808nmTm YAG的泵浦波长之一 785nm DPL激光器的特点 各种固体激光器效率的比较 闪光灯泵浦固体激光器的效率 一般1 3 DPL激光器的效率 效率15 以上DPL激光器体积小 重量轻DPL激光器使用寿命长 连续LD寿命可达105小时 脉冲LD的工作次数109DPL激光器的电源为低压直流电压 可靠性高 DPL激光器的结构 按泵浦方式可分为 直接端面泵浦光纤耦合泵浦侧面泵浦按工作物质形状可分为 棒状 板条 薄片等 直接端面泵浦 优点 横模匹配 光束质量容易控制 光纤耦合端面泵浦 优点 方便灵活 容易实现模式匹配 侧面泵浦 优点 可获得大功率输出 工作物质的热效应及冷却 工作物质的热效应的产生原因 泵浦光的光谱与激光介质的吸收光谱不匹配 导致许多泵浦光能量不能被有效吸收而变为热激光介质的吸收能级与荧光能级存在能级差 粒子通过无辐射跃迁散布到晶格中粒子的受激辐射的再吸收 工作物质的热效应 热应力效应器件由于棒内部的加热和外部的冷却 热平衡后形成棒沿径向的温度梯度 造成棒内 外材料之间热胀情况不同而产生的机械应力 热应力的后果 引起工作物质折射率的改变使光的偏振态发生变化 工作物质的热效应 热透镜效应激光棒内的温度梯度和热应力导致激光棒折射率的变化 中心折射率高 形成类似透镜的效应 称为热透镜效应 热透镜效应的后果 激光谐振腔稳定性发生变化 从稳定腔变为非稳腔 输出光束发散角变大 光束质量变差 工作物质的热效应 热透镜效应的主要测量方法1 利用一辅助激光器 如He Ne激光器 直接透过激光工作物质测量2 利用改变激光器工作参数时激光功率变化的方法测量3 利用Mach Zehnder干涉仪法测量热透镜效应 Mach Zehnder干涉仪法 冷却及滤光 消除热效应的主要措施 冷却 光学补偿 采用非圆柱形工作物质 1 冷却 1 液体冷却 2 空气或其它气体冷却 3 传导冷却 冷却及滤光 全腔整体冷却方式 冷却及滤光 棒 灯分别冷却方式 滤光 滤光 指对于闪光灯泵浦的固体激光器 需滤去有害的紫外光的技术 原因是紫外光易在工作物质中形成色心 使工作物质性能劣化滤光方法 滤光液法 在冷却液中加入一定的滤光物质 对掺钕工作物质 常用重洛酸钾和亚硝酸钠水溶液滤光玻璃法 加玻璃套管 热效应的光学补偿法 光学补偿法 利用光学的方法对激光棒的热效应以及热应力双折射进行补偿的方法 对热透镜效应的光学补偿修磨端面法 将棒的一个 或两个 端面修磨成凹面 适用于热焦距稳定的情况 凹面的曲率半径R和热透镜焦距的关系为R n 1 fn 晶体折射率B 根据热透镜值 设计相应的谐振腔 使谐振腔处于稳定状态 光学补偿法 对热应力双折射的补偿 将两根热应力双折射基本相同的棒串接 在其间放置1 2石英旋光片 实现相互补偿 采用非圆柱工作物质 工作物质形状 盘片或板条状 增大散热面积 改变热流方向 采用非圆柱工作物质 Disklaser 激光介质具有大的口径 厚度比 10 50 1 采用面抽运 面冷却 通过设计 泵浦光在晶体薄片 100 400um 中可以多次 8 32次 通过 增加对其吸收 达到90 以上 热梯度分布方向与激光束传播方向相同 避免了热透镜效应引起的不利影响 掺钛蓝宝石激光器 晶体的物理性质泵浦方式和器件结构 概述 1982年第一台掺钛蓝宝石激光器运转钛宝石激光器的特点高增益 低泵浦阈值 易通过放大技术获得高能量激光输出 具有很宽的波长调谐范围 可实现可调谐输出 可调谐范围一般为700 900nm 采用锁模技术可得到超短脉冲输出 激光脉宽可达到飞秒量级 钛宝石晶体的物理性质 掺钛蓝宝石晶体是在Al2O3中掺少量的Ti3 Ti3 置换了Al3 离子而成的 Ti3 为激活离子 掺钛重量百分比0 1 晶体结构为八面体各向异性晶体分子式 Ti3 Al2O3折射率 1 76导热性 比YAG优越3倍 钛宝石晶体的激光跃迁能级 激光性质主要取决于Ti3 钛宝石晶体中 取代Al3 的少量Ti3 离子有一个五重简并的最低电子能级2D 由于晶格场的作用 2D能级分裂成2T2g 基态 和2Eg 激发态 两个电子能级 激光跃迁发生在这两个能级之间 由于Ti3 外层电子和晶格场的作用 2T2g和2Eg都有大量的振动能级 形成了准连续的能带 钛宝石晶体的激光产生 处于基态2T2g的Ti3 吸收泵浦光并跃迁到2Eg能级的较高振动态 然后辐射到较低振动态 2Eg的低振动态和2T2g能级的一系列振动态之间形成粒子数反转 激光波长取决于哪一个振动能级作为终端能级 终端能级的Ti3 离子通过快速声子弛豫过程返回低振动态 钛宝石激光器是一种终端声子激光器 具有四能级系统特征 钛宝石晶体的吸收光谱 吸收谱宽度 200nm 吸收主峰中心波长位于488nm 多使用蓝绿激光泵浦p分量 偏振方向垂直于晶体光轴C E C 有较大的吸收截面 而s分量偏振光 E C 吸收截面不及其一半 钛宝石晶体的荧光光谱 荧光光谱范围 600 1200nm 中心谱线790nmp分量的荧光强度大于s分量 激光输出p分量的偏振激光 钛宝