小功率固体激光器的设计与研究.doc

小功率固体激光器的设计与研究郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 小功率固体激光器的设计与研究学生姓名 王侠 专业班级 电子科学与技术10-1 学 号 541007070143 院 （系） 技术物理系 指导教师(职称) 贾永（讲师） 完成时间 2013 年05月31日 目 录摘要IABSTRACTII1.绪论11.1引言11.2激光器的构成思想及组成部分22.激光产生原理32.1激光产生的物质基础32.2 激光产生的必要条件原理52.2.1 光放大条件52.2.2 光学谐振腔的稳定条件62.2.3 激光的振荡条件82.3 激光四大宏观特性的产生原因113.激光器的简介123.1 激光器的构造123.2 固体Nd:YAG激光器133.3 光学谐振腔143.4 聚光腔173.5 调Q原理和方法184.激光器的分类介绍205.小功率固体激光器的设计266.总结30致谢31参考文献32小功率固体激光器的设计与研究摘要固体激光器从其诞生开始至今，一直是备受关注。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。本论文从基本原理和结构介绍固体激光器，并对激光和激光器的原理和基于原理而做出的进一步的相关研究做一个大致的探讨。关键词 激光/固体激光器/谐振腔/粒子数反转DESIGN AND RESEARCH OF LOW POWER LASERABSTRACTSolid state lasers from its beginning until now, has been the subject of much attention. The output energy, high peak power, compact structure, firm and durable, so in various aspects have been widely used, its value is self-evident. It is because of these outstanding features, which has been widely used in industry, national defense, medical, scientific research, to our real life with a lot of convenience. In this paper, from the basic principle and structure of the solid state laser, and the principle of laser and laser and based on the principle and make further research to make a general discussion.KEY WORDS Laser，Solid state laser，Resonant cavity，Particlenumber inversionII1.绪论1.1引言激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。它是上世纪最大的、也是最实用的发明，是与热核技术、半导体、电子计算机和航天技术相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就。早在1917年爱因斯坦就预言受激辐射的存在和光放大的可能，继而建立了激光的基本理论。1954年GordonJP和TownesCH根据爱因斯坦的理论制成了受激辐射光放大器，1960年梅曼(MaimanTH)制成了世界上第一台激光器红宝石激光，从此，一种完全新颖的光源诞生了。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。激光虽带有“光”字，然而，它却和普通的光截然不同。它的特点是：第一，激光是一种颜色最单纯的光。太阳光和电灯光看起来似乎是白色的，但当让它通过一块三棱镜的时候，就可以看到红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的光，其实，还含有我们看不见的红外光和紫外光。激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高。第二，激光的方向性好。在发射方向的空间内光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿万倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，成为无坚不摧的强大光束。激光在传播中始终像一条笔直的细线，发散的角度极小，一束激光射到38万千米外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右。第三，激光亮度最高。太阳是人类共有的自然光源，整个世界沐浴在明亮的阳光之下。太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。激光的出现，更是光源亮度上的一次惊人的飞跃。一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。从地球照到月亮上在反射回来也不成问题。可见激光是当今世界上高亮度的光源。第四，激光还可以具有很大的能量，用它可以容易地在钢板上打洞或切割。在工业生产中，利用激光高亮度特点已成功地进行了激光打孔、切割和焊接。在医学上、利用激光的高能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，激光能量提高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。与原子能、半导体、计算机一同被誉为“20世纪四大发明”的激光技术，已走过50年发展历程。未来激光技术将围绕普及、提高、交叉三个方向加快发展。现如今激光技术的应用和发展带动了诸如光学加工、材料、光电子技术、光学测量、自适应光学、衍射光学、大气光学、强场物理、瞬态光学等多方面科学技术的进展。同时，激光的应用范围不断拓宽到科学研究、工业加工、通信、医疗、农业、信息、军事及精密测量、计量基准、文化娱乐等领域。在未来的发展中激光依旧会占有举足轻重的作用！1.2激光器的构成思想及组成部分激光要实现的是光子受激放大辐射。首先原子要产生光子，而且是从高能级向低能级跃迁，同时把变化的能量以光子的形式释放出来，这是激光形成的基础。然后，要对光子数密度进行不断放大，很快将极强的激光震荡而输出。但是，在一般情况下，自发辐射的几率远远大于受激辐射几率，而且通过提高温度的办法使得受激辐射超过自发辐射是不可能的，这就需要能够容易产生光子的激光工作物质，同时需要在热平衡条件下对工作物质增加一个激励系统，打破热平衡状态下的玻尔兹曼分布，形成反转粒子数分布，使得工作物质对光子的吸收为主变为对光子的放大超过吸收。为了实现放大辐射，就要提高光子简并度，因为工作物质不可能做得太长，但是可以增加通过工作物质的次数使得光子数密度增大，这就需要有谐振腔，由两面发射镜组成的反馈光学系统。同时，为了提高同一状态内的光子数，必须大大减少谐振腔内的模式密度，这就需要将谐振腔做成开放式谐振腔，使得偏离光轴方向传播的光波模式损失掉，只保留少数沿光轴方向传播的模式。综上，激光的产生过程是：激光工作物质在泵浦源的激励下被激活，即介质处于粒子数反转状态，在粒子数反转分布的两能级和之间，由自发辐射过程产生很微弱的特定频率（）的光辐射。在自发辐射光子的感应下，在上下能级和之间产生受激辐射。这种受激辐射光子与自发辐射光子的性质（频率、相位、偏振、传播方向）完全相同，很快由这些光辐射在介质中产生连锁反应，由于谐振腔的作用，这些光子在腔内多次往返经过介质，产生更多的同类光子密度，因此就可能使某类光子的受激辐射成为介质中占绝对优势的一种辐射，从而从谐振腔的部分透射镜端输出光能，这就是激光。因此，各种激光器的基本组成部分有：（1）工作物质，实现粒子数反转并产生激光的物质体系，是激光器的心脏；（2）激励系统，激光系统能源的供应者，并以一定方式促成激光工作物质处于粒子束反转状态；（3）光学谐振腔：提供光学反馈条件，并对于激光器的振荡波形进行选择和限制。2.激光产生原理2.1激光产生的物质基础光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级和，处于两个能级的原子数密度分别为和，如图2-1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有。图2-1二能级原子能级图（）、自发辐射处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图2-2所示。自发辐射光图2-2原子自发辐射（）、受激辐射处于高能级的原子在满足的辐射场作用下，跃迁至低能级并辐射出一个能量为且与入射光子全同光子，如图2-3所示。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。E2入射光入射光受激辐射图2-3原子受激辐射（）、受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为的光子，并跃迁至高能级，这种过程称为受激吸收，如图2-4所示。入射光原子吸收入射光子并跃迁至高能级图2-4原子受激吸收受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不相干的；受激辐射是相干的2.2 激光产生的必要条件原理2.2.1 光放大条件光放大条件：粒子束反转。假设有一个二能级系统，在物质处于热平衡状态下，分布在各能级上的原子个数的多少服从玻尔兹曼分布： (1)为光波模式数。在通常情况下，低能级的原子数密度总是大于高能级的原子数密度，即，则总是有： （2）这是光通过介质时，吸收过程总大于光的受激辐射过程。如果在外来能量激发下，使物质中处于高能级的原子数密度大于处于低能级原子数密度，即， 或者 （3）光的受激辐射大于光的吸收，使物质的输出能量大于入射光能量，这就是光放大过程，就是反转粒子数密度。此时的介质为激活介质或增益介质。对于（1）式，因，要使（2）（3）式成立，介质温度满足，所以粒子数反转状态又称为负温度状态。假设粒子在高能级和低能级上的寿命和分别与它们自发辐射系数和成反比，即 ，。设单位时间内激发到能级的粒子数为，由于自发辐射影响，处于上的粒子个数保持不变，单位时间内激发到能级上的粒子数必须等于自发辐射消耗的粒子数个数，即： ，同理得： 。由这两个关系得：，带入到（3）式得： （4）（4）式也是粒子数反转的条件表达式。由此式得，要实现粒子数反转，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数愈多愈好，跃迁到下能级的粒子数愈少愈好；上能级的寿命愈长愈好，愈小愈好。因此在选择激光物质时，要求其激光上能级寿命要长，粒子数要多，下能级粒子要少，寿命要短。2.2.2 光学谐振腔的稳定条件基本的光学谐振腔由两个有一定间距的共轴球面反射镜所构成。激光束在共轴球面腔内经过多次往返后，若光束位置仍紧靠光轴，始终保持在腔内而很少逸出腔外，则光学谐振腔稳定。共轴球面镜腔的稳定条件:对于稳定的谐振腔，要求任意近轴光线在腔内往返多次之后，其坐标参数应保持有限。因此能过分析传播矩阵的矩阵元，可以判断谐振腔的稳定性并建立稳定条件。按照的定义，近轴光线在腔内往返一次与次后的坐标变换分别为 ， （5）上述方程是线性的，所以它们的通解可以表示为两个线性无关的特解的线性组合，如果两个特解都是有界的，那么通解也是有界的。二阶矩阵的特征值与相应的特征矢量将组成上述方程的特解与通解。令的特征值为与，相应的特征矢量分别为与，则有 ， （6）即特征矢量在腔内往返一次后的变化，就简单地等于乘以相应的特征值。方程(5)的通解即为和的线性迭加。设由上式知，如果一初始近轴光线在腔内往返次（可以趋于无穷）而保持有限，则的特征值与的绝对值必须不大于1。T 的特征方程为： 运算此方程，并注意到，则可得 : (7)根据韦达定理，此方程的两个根与满足:所以，如果是方程的根，则也是方程的根。因此（7）式的根不是和之一，就是 ，这里与都是实数。从方程（7）可以看出，若矩阵的迹的绝对值 (8)则: 或，其中满足或。若，则，其中满足 (9)对稳定序列，光束在传播过程中是有界的，传播矩阵的各矩阵元取有限实数时，近轴光线在腔中往返多次后不会横向逸出腔外；对于不稳定序列，方程中的三角函数变成双曲函数，表明光束通过光学元件序列时越来越发散，光束将逸出光学谐振腔外，光束传播无界。则由（9）式可得光线传输矩阵满足： （10）序列是稳定的。引入两个表示谐振腔的几何结构参数的因子： ， （11）则： （12）即为光学谐振腔的稳定条件。2.2.3 激光的振荡条件（1）谐振条件与驻波条件：根据光的干涉原理，当光在谐振腔内来回反射时，只有那些在腔内往返一次相位改变为的整数倍的频率的光，才能获得稳定干涉加强，即：（）。当谐振腔内充满折射率为的均匀介质，腔长为L，光往返一次的光程为： （13） 相位改变量为： （14）式中，为真空中波长。将（14）式两边同乘以光速c，得： （15）式中，q为纵模序数，取一系列整数。上述表明，谐振频率满足（15）式才能形成干涉加强，使之形成稳定的谐波振荡。当谐振腔内存在两列沿轴线相反方向传播的同频率、同相位、同振幅、同偏振的光波，两列波形成驻波，当满足（15）式时，形成稳定的主波场，此时光学腔长为半波长的整数倍，即在光学谐振腔内能稳定存在的驻波场光波波长满足： （16）因为（15）（16）式等价，因此（15）式又称为驻波条件。(2)荧光线宽条件：荧光线宽由物质内部结构（电子、原子等粒子运动轨道）所决定，组成物质的粒子发生辐射跃迁，所发出的辐射波得谱线范围的频率宽度，称为荧光线宽。 （17）其中，为均匀加宽所导致的线宽，为非均匀加宽所导致的线宽。由于激光振荡的产生由工作物质决定，因而只有在激光工作物质辐射的荧光谱线范围内的频率才能激发出来，即必须在激活工作物质荧光谱线内， （18）（3）增益条件： 处于粒子数反转状态的激活工作物质对光的放大作用通常用放大增益系数来描述。设在光传播方向上处得光强为，则增益系数定义为： （19）（11）式表示光通过单位长度激活物质后光强增长率，而且正比于单位体积激活物质的净受激发射光子数。光放大时，同时总是伴随着光的损耗存在，损耗系数用表示，定义为光通过单位距离后光强的衰减百分数，表示为： （20）同时考虑增益与损耗，则： （21）假设有微弱光进入一无限长放大器，起初光强将按小信号放大规律增长，但随着的增加，将由于饱和效应而减小。当时，不再增加而达到一个稳定极限。由可得： （22）即： （23）由此可看出，只与放大器本身有关，与初始光强无关，只要放大器足够长，总能形成确定大小的光强。这就表明，当激光放大器足够长时，它可能成为一个自激振荡器。一个激光器能产生自激振荡的条件，即任一小的光强能形成确定大小的腔内光强的条件，当时，即 ： （24）这就是激光器的振荡条件，即小信号增益系数大于等于放大器损耗和谐振腔损耗在内的总损耗系数。当时称为阈值振荡情况。当时，腔内光强就增加，并且正比于。增益与损耗的这对矛盾就成为激光器振荡与否的决定因素。设工作物质长为，光腔长度为，令（光腔的单程损耗条件），则（24）可写为： (25)其中，为单程小信号增益。综上，可将激光振荡条件概括为： （26）2.3 激光四大宏观特性的产生原因激光器所辐射的光束具有四大宏观特性，这四大宏观特性是由激光器的设计思想和工作原理所决定的。1、高方向性：从激光器的部分反射镜一端输出的激光束基本上是沿着与镜面垂直的方向传播的，在单模和均匀介质中，激光的发散角已接近衍射极限角。 （27）而激光的远场发散角半角 ： （28） 在数值上已达到了以为半径的光束衍射极限角，实际上比同样粗细的平行光束的衍射极限角还小。2、高单色性：放电管发射的光波不是单色的，而是有一定的频率范围，这频率范围内的所有频率，都可以在放电管所发射的光波中找到，但是，如果把放电管放在光学谐振腔内，由于谐振腔的干涉作用，在发射出来的光波中，频率数目就不是原来那样多了，只有那些满足谐振腔共振条件而又落在工作物质的谱线宽度内的频率才能形成激光输出，不满足共振条件的频率，都在谐振腔内干涉相消了，而且谐振腔内总存在工作物质，它对出射光波的频率宽度也起着限制的作用，所以，激光的单色性比较好，激光的单色性定义为或，其中、为激光谱线的中疏频率和中心波长，和为相应的频率宽度和谱线宽度。单色性的两个重要的因素：原子发光寿命和多普勒效应。原子发光的寿命（即持续发光时间）和所发光的频率宽度是成反比的，发光时间愈长，则频率宽度愈窄，频率宽度愈窄，光波的单色性就愈好。多普勒加宽越小，单色性越好。3、高亮度：光源的单色辐射亮度定义为： （29）表示单位面积的光源在其法线方向上的单位立体角范围内传输的辐射功率。影响亮度的三个要素是：光束立体角，发光时间和光谱范围的宽窄。因为激光的发散角很小（由高方向性可知），发光的时间很短，而且光谱宽度很窄（由高单色性可知），使能量在时间、空间和频率上高度集中，因此有高亮度。4、高相干性：因为光学谐振腔的存在，对辐射光进行放大，同时对光进行选择限制，将相位相差不是的整数倍、方向不是近轴方向的光损失掉，因此激光的输出光具有高相干性。 3.激光器的简介3.1 激光器的构造图3-1激光器示意图激光器的种类虽然很多，但制造原理基本相同，大多由激励系统，激光物质和光学振腔三部分组成。激励系统是产生光、电、化学能的装置。激励系统提供能量，使激光物质里的大多数电子吸收能量跳到原子的外层轨道上去，为以后放出激光创造条件。现在使用的激励手段主要有光照、通电、化学反应等。激光物质是能够提供放大作用的增益介质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构光学谐振腔的作用是加强输出激光的亮度，调节和选定光的波长和方向。3.2 固体Nd:YAG激光器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，目前世界范围内销售的商品固体激光器已有500 余种。和其他类型的激光器相比，固体激光器有结构紧凑耐用，价格适宜，输出能量大，峰值功率高等特点。图1 固体激光器的基本结构:出现至今，被大量使用，长盛不衰，从1998 年开始，固体激光器中的Nd:YAG 激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。在固体基质中掺入了激活粒子，基质钇铝石榴石（英文缩写为YAG）具有优良的光学、力学和热学性能，是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质。在室温下，Nd:一般输出的激光波长为1.064mm。下图为Nd：YAG能级结构图3-2 Nd：能级结构Nd:激光器突出优点是阈值低和优良的热学性能。未来的固体激光器将朝着高功率及高能量超短脉冲激光高便携性低成本高质量方向发展3.3 光学谐振腔激光谐振腔是由两块平面或球面反射镜按一定方案组合而成的。其中一个端面是全反射膜片，另一个端面是具有一定透过率的部分反射膜片。 如上图所示，和分别是镜M1和M2上的光斑半径；和分别是束腰到镜M1和M2间的距离；R1和R2分别是镜M1和M2（它们相距为L）的曲率半径，习惯上凹面镜的曲率半径标为正值。镜上的光束由下式给出： 束腰的半径由下式给出：束腰与镜间的距离和是:发散角：图3-3 典型光学谐振腔激光是在光学谐振腔中产生的。它的主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长度，提高腔内的光能密度。显而易见的是，不垂直于反射镜表面的傍轴光线经过有限次的反射就会投射到平面镜的通光口径之外，而使得激活介质作用的工作长度只得到很有限的增长。所以，光线能够在谐振腔中反射的次数与其结构密切相关。能够使腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光，这种谐振腔叫做稳定腔，反之称为不稳定腔。谐振腔的稳定性的判据：定义两个参数图3-4稳定性图稳定区(阴影区)，其它区域则为非稳区(无阴影区)，两区域的边界线为临界线。有两特征1. 有增益介质，并且满足粒子数反转条件；2.有谐振腔，增益大于损耗3.4 聚光腔聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。如下图所示为椭圆柱聚光腔，是目前小型固体激光器最常采用的。3.5 调Q原理和方法通过某种方法，使谐振腔的损耗(或值）按照规定的程序变化，在光泵激励刚开始时，先使光腔具有高损耗H, 激光器由于处于高阈值而不能产生振荡，于是激光上能级亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平。当其粒子数积累到相应于泵浦而言最大值时，使腔的损耗突然降低到L，阈值也随之突然降低。此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级贮存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。 电光调开关通常也称为普克尔盒开关，它的基本原理是利用某些单轴晶体的线性电光效应，使通过晶体的光束的偏振状态发生改变，从而达到接通或切断腔内振荡光路的开关作用。一般多使用带起偏器的/电光开关，这种开关分为退压和加压两种工作方式。下图为退压式电光开关，电光晶体施加/调制电压，由棒透过起偏器的线偏振光两次通过电光晶体后，偏振面正好偏转90变成光，被偏振片反射到腔外，激光器处于高损耗关门状态，当突然去掉晶体上的调制电压后，开关迅速打开，振荡光路接通，从而产生强的短脉冲激光振荡输出。 图3-5退压式调Q示意图下图为加压式调示意图，与上不同的是在晶体和偏振片间插入一块/波片。旋转/波片使激光器处于关门状态，当突然在晶体上施加/电压后，电光晶体抵消/波片的作用，接通光路，产生短脉冲激光输出。 图3-6加压式调Q示意图脉冲泵浦的调Q激光器产生激光巨脉冲的时间过程 由晶体光学可知，KD*P晶体在Z轴方向的电场作用下三个感应主折射率为：式中n0为O光折射率，ne为E光折射率，63为光电系数，E为z方向电场强度，沿z方向入射的线偏光进入长度为e晶体后，沿新主轴x、y方向分解相互垂直的偏振分量，并产生相位差：式中VZ是沿z方向加在晶体上的电压，当通过晶体的光波波长确定后，相位差只取决于外加电压VZ。当位相差为弧度时所需要的电压称为“半波电压”，用V/2表示；当相位差为/2弧度时所需要的电压称为“四分之一波电压”用V/4表示，即： 对于KD*P晶体：n0=1.51 r63=23.610-12m/V4.激光器的分类介绍实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器。气体型的激光器主要有He-Ne（氦氖）、CO2及氩离子激光器等。由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而应用范围也不相同。最常用而范围广的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可连续工作，如He-Nelaser；有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd：YAGlaser。（一）固体激光器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。由于工作物质很复杂，造价高。当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06m呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06m呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。（二）气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子（气体的原子或分子）碰撞时将自身的能量转移给对方，使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转，产生激光。气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性（惰性）原子、离子气体、分子气体三种激光器。中性原子气体激光器这类激光器中主要充有以惰性气体（氦、氖、氩、氪等）的物质。具有典型应用的就是He-Ne（氦氖）激光器。首台He-Ne激光器诞生于1960年，它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15m及3.39m红外光。632.8nmHe-Ne激光器最大连续输出功率可达到1W，寿命也达到10Kh以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005，十分钟内的误差为0.015的功率稳定度；发散角仅为0.5毫弧度。He-Ne激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。He-Ne激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。He-Ne激光器结构大体可分为三部分，既放电管、谐振腔和激发的电源。现在临床上最常应用的为内腔式He-Ne激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39m，632.8nm，1.53m三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约23mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内主要按5：110：1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.663.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。在He-Ne激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约1520cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。（三）分子气体激光器分子气体激光器与原子气体激光器不一样，分子气体由碳和氧组成（最常用），其原则上是能够实现高效率与高功率输出。分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。只不过是工作物质为分子与原子的差别。分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器。CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6m波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。CO2激光器与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO2激光器的放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。CO2激光器结构组成为：激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。CO2激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。（四）YAG激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。钇铝石榴石的化学式是Y3Al5O15,简称为YAG。在YAG基质中掺入激活离子Nd3+(约1%)就成为Nd:YAG。实际制备时是将一定比例的Al2O3、Y2O3和NdO3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd:YAG属于立方晶系,是各向同性晶体。由于Nd:YAG属四能级系统,量子效率高,受激辐射面积大,所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。又由于Nd:YAG晶体具有优良的热学性能,因此非常适合制成连续和重频器件。它是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质，在中小功率脉冲器件中,目前应用Nd:YAG的量远远超过其他工作物质。和其他固体激光器一样,YAG激光器基本组成部分是激光工作物质、泵浦源和谐振腔。不过由于晶体中所掺杂的激活离子种类不同,泵浦源及泵浦方式不同,所采用的谐振腔的结构不同,以及采用的其他功能性结构器件不同,YAG激光器又可分为多种,例如按输出波形可分为连续波YAG激光器、重频YAG激光器和脉冲激光器等;按工作波长分为1.06mYAG激光器、倍频YAG激光器、拉曼频移YAG激光器(=1.54m)和可调谐YAG激光器(如色心激光器)等;按掺杂不同可分为Nd:YAG激光器、掺Ho、Tm、Er等的YAG激光器;以晶体的形状不同分为棒形和板条形YAG激光器;根据输出功率(能量)不同,可分为高功率和中小功率YAG激光器等。形形色色的YAG激光器,成为固体激光器中最重要的一个分支。（五）半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化锢(InAs)、氮化镓（GaN)、锑化锢(InSb)、硫化锅(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe)、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式.。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给Pn结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在0.3-34um之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750-890nm.。世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺.其激射闭值电流由几百mA降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%).便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代.。半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用.。主要半导体激光器的工作原理、发展历史和应用前景作一简略的介绍.（六）液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。5.小功率固体激光器的设计具体设计：（1）泵浦源的选择我选择的是脉冲氙灯，脉冲氙灯是除激光外亮度最高的人造光源，它的瞬时光通量可达10lm，闪光重复频率为110次/分，工作寿命达10次以上，发光效率为40lm/W。（2）聚光腔由于是紧凑型激光器，且考虑容易制作和成本低，采用单椭圆玻璃聚光腔效果更佳，如下图具体细节图如下可按确定棒与泵浦源的最小间距，式中S1是棒和灯之间的装配间距。，式中S2为棒和灯装