激光元器件的选择（课堂PPT）

激光器元器件选材,固体激光实验室樊本杰,1,晶体选材的基本要求激光器基本元器件调Q及非线性光学技术其他元器件,Maincontent,晶体选材基本要求,针对设计本身要求的光学指标，结合晶体材料的光学特性，选择合适的光学材料主要指标有效作用波长范围有效作用类型晶体有效作用强度合适的晶体尺寸及配合结构要求的形状,晶体器件的选材,晶体加工基本要求指标,选择好合适的晶体材料相应的光学器件时，需结合晶体的实际使用条件选择适应的加工指标。加工指标（参考美军标准要求）尺寸公差：0.1mm通光孔径：90%平面度：/10632.8nm平行度：10侧垂：5波前畸变：/8632.8nm,泵浦源,输出镜,全反镜,激光器基本元器件,激光器由工作物质、谐振腔和泵浦源三大部分组成。工作物质是激光器的核心，作用是为激光的产生提供反转粒子数；谐振腔是激光器的重要部件，它不仅是形成激光振荡的必要条件，而且还对输出激光的模式、功率、光束发散角等均有着很大影响。泵浦源是为实现粒子数反转提供外界能量的系统。,工作物质,工作物质LaserCrystal,较高的光学质量和荧光量子效率能掺入较高浓度的激活离子，荧光寿命长掺入激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面针对某一泵浦源有较强的光谱吸收良好的物理、化学和机械特性，热导率高，热膨胀系数小机械强度高可承受高功率密度，化学稳定性好制备简单，加工容易，成本低，足够尺寸,红宝石(Cr3+:Al2O3),六方晶系，负单轴晶体粉红色提拉法生长可以获得大尺寸晶体,Nd3+:YAG以钇铝石榴石晶体为基质掺杂适量三价稀土元素钕离子(Nd3+)，其中是以Nd3+置换YAG中的部分钇离子，晶体呈淡紫色，是综合性能最优异的固体激光材料。,掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG),946nm1064nm1319nm,Highgain高增益系数Lowthreshold阈值低Lowlossat1.06m&Highefficiency1064nm光波吸收少，功率高Mechanicalstrength&Highopticalquality机械性能和光学质量好Materialcharacteristicsthatallowforvariousmodesofoperation(CW,pulsed,Q-switched,modelocked)适用于多种工作方式（连续、脉冲、调Q、锁模）,Advantages,来源于福建福晶科技股份有限公司,Nd:YAG吸收光谱,Nd:YAG在300K时的吸收光谱,由图可以看出，在波长大于400nm范围内，主要有五个吸收光谱带，中心波长分别在520nm、585nm、750nm、810nm、870nm附近，每个带宽约为30nm，其中以750nm和810nm两个吸收带最为重要。,棒套,两端面镀有1064nm的增透膜，防止自激振荡,Nd:YVO4晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。现在Nd:YVO4激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。,掺钕钒酸钇(Nd:YVO4),914nm1064nm1342nm,Nd:YVO4吸收光谱,中心波长分别在585nm、750nm、810nm附近,Nd:YVO4sadvantagesoverNd:YAG,Ashighasaboutfivetimeslargerabsorptionefficientoverawidepumpingbandwidtharound808nm在808nm左右的泵浦带宽，约为Nd:YAG的5倍Aslargeasthreetimeslargerstimulatedemissioncross-sectionatthelasingwavelengthof1064nm在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍Lowerlasingthresholdandhigherslopeefficiency光损伤阈值低，高斜率效率Asauniaxialcrystalwithalargebirefringence,theemissionisalinearlypolarized.双轴晶体，输出为线偏振,由于Nd:YVO4泵浦带较宽，所以其激光性能更能适应LD的温度变化。由于吸收截面大，所以吸收系数大，又因为热导率小，所以Nd:YVO4适于薄片状纵向泵浦中小功率激光器。,OtherCrystals,掺钛兰宝石Ti:Sapphire被广泛用于高输出功率、高增益的宽波段可调超短波脉冲的激光器。可调波长覆盖范围从700到1000nm,使得Ti:Sapphire在很多应用方面可取代染料激光器。,掺钕钒酸钆晶体Nd:GdVO4理想的激光二极管泵浦全固态微小型激光器的激光工作物质，比钒酸钇有更好的热导和高输出功率，故在高功率DPSS场合，使用Nd:GdVO4的效果会比使用Nd:YAG和Nd:YVO4更好。,掺钕钨酸钾钆Nd3+:KGd(WO4)2一种新型的激光工作物质，输出波长1067nm，它和Nd:YAG掺钕钇铝石榴石激光晶体相似，但是它可以单独完成Raman自转换，是性能优良的固体Raman介质。,泵浦源是为实现粒子数反转提供外界能量的系统。激光器的粒子数反转是由外界能量激励（或称激发、激励）实现的主要激励方式有光激励、放电激励、热能激励、化学能激励、核能激励固体激光器采用光泵浦方式工作。电源的电能首先变为泵浦光源的光能，然后再转变成固体激光工作物质的储能。可分为连续和脉冲固体激光电源两大类,泵浦源Pumpsource,脉冲氙灯一种在极短时间内发生高强度闪光的氙灯。能把足够的电能转换为能够激活离子吸收的光能辐射。氙气化学性质不活泼，不燃烧，也不助燃。天然稀有气体中分子量最大、密度最高。,来源于上海光学精密机械研究所,脉冲氙灯,890220,氙灯发射光谱,氙灯发射的光谱如图所示，它的峰值波长分别在800nm和900nm附近，对应Nd:YAG吸收宽带，氙灯在这一波段具有较强的发射光谱,氙灯发射光谱,Nd:YAG吸收光谱,氪灯是固体激光器的泵浦光源。因其发光光谱与Nd3+:YAG晶体的吸收带相匹配，相对光能利用比例较高，是目前国内最主要的YAG连续固体激光器光泵光源。,连续氪灯,一般圆头的表示正，用红色的电源线；尖头的表示负，一般用黑色的电源线,氪灯光谱特性,峰值波长位于760nm,820nm和900nm附近，与Nd3+:YAG的吸收谱带相匹配对连续和小能量输出(1000nmandOPOpumpedat1064nmaswellasQPMdevices广泛用作1000nm以上波长的倍频和1064nm泵浦光的光参量放大，也可做准相位匹配,铌酸锂的结构属性及光学特性,DifferencebetweenKD*PandLN,KD*P是纵向加压，LN是横向加压KD*P四分之一电压较LN晶体高LN光学均匀性较好，且不潮解LN抗损伤能力较低,偏振片(Polaroid),布儒斯特偏振片主要用于将S偏振和P偏振分开布儒斯特角入射适用于高功率消光比大于100:1,格兰激光偏振器空气隙带宽覆盖紫外，可见和中红外接近布儒斯特切割角高偏振度两个逃逸窗口，适用于大功率激光,消光比输出最大光强与最小光强之比，是衡量偏振元件的重要指标参数,被动调Q,在激光腔内使用可饱和吸收晶体可以得到被动Q开关。这一种Q开关是利用饱和吸收体存在非线性吸收特性，在强激光作用下吸收饱和而对激光呈现透明的特性而制成的。,可饱和吸收体的选择(1)染料吸收峰中心波长和激光波长基本吻合；(2)入射光强具有合适的数值，以得到合适的“开关”速度；(3)具有宽的吸收带和良好的可饱和吸收特性,主动调Q和被动调Q的比较,被动调Q激光器不需要任何外部驱动装置，结构简单紧凑，效率高成本低，但是相比于主动调其可控性差，严重影响了脉冲的输出稳定性，大大限制了其应用范围。主动调Q具有高稳定性，高可控性,被动调Q,掺铬钇铝石榴石(Cr4+:YAG),Goodthermalconductivityandhighdamagethreshold良好的导热性和高损伤阈值Itschemicallystable,durable,UVresistant化学性能稳定，耐用，抗紫外Itwillreplacetraditionalmaterials,suchasLiF,organicDyeandcolorcenters取代通常使用的LiF和染料AnexcellentcrystalforpassivelyQ-switchingdiodepumpedorlamp-pumpedNd:YAG,Nd:YVO4orotherNdandYbdopedlasersatwavelengthfrom0.9to1.2m一种性能极佳的用于灯泵或者LD泵浦Nd:YAG,Nd:YVO4和其它波长在0.91.2m的掺Nd或掺Yb激光器的被动Q开关的晶体,透过率随入射光强变化曲线,Cr4+:YAG作为被动调Q开关输出的高峰值、短脉冲调Q巨脉冲在激光测距、非线性光学、医学等领域的应用将越来越广泛,吸收系数随光强变化曲线,开始时入射光强Iin很小，Cr4+:YAG晶体透过率T小；随着入射光强的增加，Cr4+:YAG晶体的透过率T迅速增大；当入射光强达到一定值时，Cr4+:YAG晶体的透过率T缓慢变化；当入射光强进一步增强时，透过率T基本保持不变，此时即Cr4+:YAG基态吸收完全饱和。,非线性光学技术,直接利用激光晶体获得的激光波段有限，从紫外到红外谱区，尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体，可将激光晶体直接输出的激光转换成新波段的激光，从而开辟新的激光光源，拓展激光晶体的应用范围。常用的非线性光学晶体有磷酸钛氧钾晶体(KTP)、磷酸二氘钾(DKDP)、偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)等。应用激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。要求：非线性系数要大；能实现相位匹配；透过波段要宽，透明度高；具有较高的抗光损伤阈值和光转换效率；物化性能稳定，硬度大，不潮解温度稳定性好。,磷酸氧钛钾(KTP),Largenonlinearopticalcoefficient非线性光学系数大Broadtemperatureandspectralbandwidth宽的温度和光谱带宽Wideangularbandwidthandsmallwalk-offangle接收角大，走离角小Nonhydroscopic,chemicallyandmechanicallystable不吸水,化学、机械性能稳定Highelectro-opticcoefficientandlowdielectricconstant光电系数高和介电常数低,KTP(KTiOPO4)在商业和军用激光里被广泛使用，包括实验室和医学系统，射程探测器，激光雷达，光通信和工业激光系统,KTP最常用于倍频Nd:YAG及其他掺Nd晶体的激光，特别是在中低功率密度激光器中。利用KTP进行腔内与腔外倍频的掺Nd晶体的激光器，在逐步取代可见光染料激光和可调蓝宝石激光器。在许多的工业研究中，该种激光器被广泛用做绿光光源。,KTP晶体特性,相偏硼酸钡晶体(-BaB2O4),Highopticalhomogeneity光学均匀性好Highdamagethreshold损伤阈值高Widetemperature-bandwidthofabout55C温度接收角宽约55左右Widetransmissionregionfrom190nmto3500可透过波段范围宽(1903500nm)Broadphasematchablerangefrom409.6nmto3500nm可实现相位匹配的波段范围宽(409.63500nm)Largeeffectivesecond-harmonic-generationcoefficientabout6timesgreaterthanthatofKDPcrystal倍频转换效率高，相当于KDP晶体的6倍,BBO晶体特性,结构和物理特性,非线性光学特性,BBO晶体在Nd:YAG激光二、三、四倍频上的性能优异，是213nm光五倍频的最佳选择。二倍频的转换效率大于70，三倍频60，四倍频50，213nm光五倍频的输出功率可达200mW。,BBO透射率曲线,OthersNLOCrystals,三硼酸锂LiB3O5orLBO一种极佳的非线性光学晶体，LBO的光损伤阈值是常用无机非线性光学晶体中最高的，它是高功率二次谐波发生器和其他非线性光学应用的最佳选择,硼酸铋BIBO一种新开发的非线性光学晶体。它具有较大的有效非线性光学系数，高损伤阈值及不易潮解等特性。其非线性光学系数大概是LBO的3.54倍，BBO的1.52倍，是一种可用来产生蓝光的优良倍频晶体。,NLO-NonlinearOptics(非线性光学),KTP&LBO&BBO,LBO有效非线性系数最小，但走离角约为KTP的1/10，允许角约为KTP的10倍，价格比较昂贵BBO允许角非常小，对实验装置要求很高KTP晶体价格比较便宜，目前应用广泛，适合试验研究,其他元器件,聚光腔作用提高泵浦源泵浦转换效率及泵浦的辐射均匀性，使泵