固体激光器-第一讲

第1章固体激光器的基本原理与特性,1.1引言,1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器,694.3nm红光,1.1引言,固体激光器应用：目前固体激光器在激光应用中占有极其重要的地位，可用于材料加工、激光测距、激光光谱学、激光医疗、激光化工、激光分离同位素及激光核聚变等。固体激光器主要特点：运行方式多样。可在连续、脉冲、调Q及锁模下运行，获得高平均功率、高重复频率、高单脉冲能量和高峰值功率；能实现激光运转的固体工作物质多达数百种，激光谱线数千条，多工作于可见光及红外光区，通过频率变换技术可到紫外区；固体激光器系统简单，工作容易，传输灵活，可接光纤；结构紧凑，牢固耐用，价格低廉，应用前景广泛。,1.2固体激光器的基本特性,固体激光器的基本组成：,激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔冷却与滤光,1.2固体激光器的基本特性,固体激光器的能量转换：泵浦源的电光转换效率与激光电源系统的结构、类型及灯的参数等有关，约50%；聚光腔的聚光效率聚光腔的类型、内表面反射情况、泵灯与激光棒尺寸匹配以及冷却滤光系统的光能损失有关，约80%；激活粒子的吸收效率取决于灯的发射、工作物质的吸收带、工作物质的体积及激活离子的浓度。对灯约20%，对半导体可达到80%90%；荧光量子效率粒子吸收光子到辐射光子之间的总量子效率。,1.2固体激光器的基本特性,荧光量子效率,1：泵浦能级向激光上能级无辐射跃迁的概率2：激光上能级的粒子通过自发辐射或受激辐射跃迁至激光下能级的概率,A21B12B21,E2,S32,E1,W13,E3,a)三能级,A31,1.2固体激光器的基本特性,优质红宝石可达0.7，普通红宝石0.5，钕玻璃0.4，Nd:YAG接近1,1.2固体激光器的基本特性,斯托克斯效率：,例如：对于808nm泵浦的1.06mNd:YAG激光器，其斯托克斯效率76%，相应的量子亏损为24%。,1.2固体激光器的基本特性,激光器的输出特性,激光器的输出功率（能量）,激光器的效率,固体激光器的阈值,1.3固体工作物质,工作物质是固体激光器的核心，是固体激光器领域一直在研究并且继续在发展的方向之一。对固体激光工作物质的一般要求：较高的荧光量子效率针对某一泵浦源有较强的光谱吸收光学质量好：杂质，气泡，条纹，内应力，光学不均匀少。良好的物理、化学性能：导热率高，热膨胀系数小，熔点高，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,1.3固体工作物质,固体激光工作物质是由激活离子和基质两部分组成。其中激活离子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定工作物质的物理、化学特性。,1.3固体工作物质,稀土离子钕（Nd3）实现了100多种基质中获得受激发射以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射铒（Er3）实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基质中的受激发射。1.531.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。常用的Er3:YAG经敏化，最易其振，输出波长为2.9um。钬（Ho3）掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长2um掺Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。,1.3固体工作物质,稀土离子铥（Tm3）与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出。二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输出镨Pr3，钆Gd3，铕Eu3，镱Yb3，铈Ce3二极管泵浦的Yb：YAG激光器二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器钐Sm2，镝diDy2，铥Tm2液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。,1.3固体工作物质,2.锕系离子掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。3.过渡金属铬（Cr3+)红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠绿宝石，Cr3：BeAl2O4）钛蓝宝石（钛宝石，Ti3：Al2O3）Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。,1.3固体工作物质,二、基质材料（为激活离子提供合适的配位场）：适合作为激光离子的基质晶体的选择原则：掺杂后晶体必须具有均匀的折射率晶体的机械、热性能容许高功率工作（热导率，硬度和抗裂强度）晶体的晶格能够接收掺杂离子，局部晶体场感应出期望光谱特性所需的强度。一般，截面接近1020cm2。生长出足够尺寸的高质量晶体。对于1300下可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术。,1.3固体工作物质,晶体：蓝宝石（Al2O3）质硬，导热率高Al容易被过渡金属离子取代，Al相对稀土离子较小，不可能得到高掺杂浓度。以红宝石（Cr:Al2O3)和钛宝石(Ti:Al2O3)为代表。石榴石（YAG）性能稳定，质硬，热导率高光学各向同性有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)，钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。Nd3:YAG，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位。YAG中也可掺铒Er3，铥Tm3，钬Ho3和镱Yb3。同时掺Cr3的Nd:GSGG，可显著提高对闪光灯的辐射。,1.3固体工作物质,3.铝酸钇YAlO3(YAP)Y2O3和Al2O3，1:1混合物，负单轴晶体可线偏振光输出生长快速物理和机械性质与YAG类似可选择不同的结晶方向，得到不同的光谱特性，实现高增益，低阈值或者调Q所需的低增益，大储能。可掺杂Nd3，Er3，Tm3，Ho3。4.硫氧化物稀土硫氧化物，如硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，均有相同晶体结构，为单轴晶体。稀土激活离子在稀土硫化物基质中可形成任意浓度的固体溶液硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，硫氧化钆可透过0.35um7um波长。Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波长处激光跃迁截面约为Nd:YAG的1/3。,1.3固体工作物质,玻璃：1）易于制备。可获得高透光性、光学均匀、大尺寸的激光工作物质，成本较低，是大功率和高能量激光的主要材料。2）基质玻璃的成分易于改变，可加入各种激活粒子，掺杂浓度亦可提高，可发展各种特性的激光玻璃。3）易于加工和成型。可制成棒状、板条状、片状，较晶体易于加工，适应于各种器件结构。常用的是硅酸盐和磷酸盐玻璃。,1.3固体工作物质,掺杂浓度在基质中掺入激活离子称为掺杂。掺杂浓度不同，工作物质的运行特性也不同。掺杂浓度高，吸收高，激光器的效率高；掺杂浓度过高，激光器效率反而下降，甚至出现浓度猝灭。因此，存在一最佳掺杂浓度。,1.3固体工作物质,工作物质的劣化与破坏劣化激光输出效率降低50以上色心吸收红宝石，粉红橙红棕红Nd:YAG，淡紫棕红钕玻璃，紫红棕红杂质离子变价破坏现象：端面，内部原因：介质本身，能量密度，表面污染，腔型，冷却,破坏阈值影响因素工作物质本身：内部，表面脉宽谐振腔是否有聚焦点,1.3固体工作物质,几种典型的激光工作物质红宝石,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,在蓝宝石中掺入少量Cr2O3，Cr3+取代部分Al3+,1.3固体工作物质,Cr3+的吸收光谱,吸收谱线：410nm，550nm发射谱线：694.3nm，692.9nm,1.3固体工作物质,红宝石晶体的优缺点：优点：机械强度高，承受的功率密度大；易加工成大尺寸，获得大脉冲能量；输出为可见光。缺点：阈值高性能随温度变化明显，（温度升高，输出向长波方向移动；荧光寿命是温度的函数；荧光量子效率随温度升高降低）,1.3固体工作物质,Nd：YAG由Al2O3、Y2O3、Nd2O3熔化结晶而成。部分Y3+被Nd3+所取代。YAG基质光学质量好，热导率高，各向同性；Nd：YAG激光器增益高，产生非偏振的激光；Nd：YAG激光器热退偏效应严重；Nd：YAG激光器产生的激光波长主要有946nm，1064nm，1342nm。,1.3固体工作物质,Nd3+:为激活离子激光波长：4F3/24I9/2：914nm4F3/24I11/2：1064nm4F3/24I13/2：1342nm,1.3固体工作物质,0.81m,0.75m,0.58m,1.3固体工作物质,Nd：YAG特点：具有优良的物理、化学性能，激光性能和热学性能。能制成连续和高重复频率器件，它是目前应用最广泛的固体工作物质。连续，脉冲，调Q，锁模可闪光灯泵浦也可二极管泵浦功率可大可小广泛应用于各行业,1.3固体工作物质,钕玻璃某种型号的玻璃掺入Nd2O3制成。,中心波长：0.92um，1.06um，1.37um,1.3固体工作物质,1.4工作物质的热效应,热效应的来源泵浦带与上激光能级之间的能量差以无辐射跃迁的形式转移到基质材料中，造成所谓的量子亏损发热，这是废热的主要来源；下激光能级与基态之间的能量差转化为热能；激光器产生的受激辐射，一部分被工作物质再吸收变为热能；激光跃迁的荧光过程的量子效率小于1，除了产生激光能量以外，其余的能量由于激光猝灭而产生热；泵浦光源的光谱中除部分与工作物质的吸收谱相匹配的光能转化为有用泵浦外，其他光谱波段能被基质材料吸收转化为热；ETU效应引起额外的废热。,1.4工作物质的热效应,激光棒内的温度分布,在热平衡状态下，忽略冷却介质沿轴向的微小温度变化认为热流主要沿棒的径向传导热传导方程：,T温度，Q单位体积内发热功率，r棒横截面内任一半径大小，K热导率。,1.4工作物质的热效应,棒内温度沿径向变化为抛物线型，棒中心温度最高，棒表面温度最低。,1.4工作物质的热效应,激光棒中的热应力热应力产生的主要原因是内部温度分布不均匀，内、外材料由于存在温差而产生机械应力。,热膨胀,线膨胀系数,1.4工作物质的热效应,假设具有自由端的各向同性的激光棒，无其它外来作用时，依据前述温度分布和热弹理论的结论，应力可用下式表示：,径向：,切向：,轴向：,1.4工作物质的热效应,棒内热应力分布与半径成抛物线关系，最大应力发生在棒中心和棒表面处。,1.4工作物质的热效应,激光棒的热应力双折射工作物质中温度分布不均匀会产生热应力，进而通过光弹性效应使折射率发生变化，使原来各向同性材料变为各向异性，即产生热应力双折射。激光棒的热透镜效应棒内各处的温度和热应力，导致各处的折射率不相同，若以棒中心的温度为标准，棒内折射率空间分布为：,温度差引起的折射率变化,热应力引起的折射率变化,1.4工作物质的热效应,激光棒的热效应导致折射率由中心向外逐渐减小，与半径r成抛物线关系，即当光通过激光工作物质时，通过棒中心的光线光程大，通过棒边缘的光线光程小。光通过激光棒的情况与通过透镜的情况相似，故这种由热引起的效应称为热透镜效应。,1.4工作物质的热效应,热效应的消除和补偿冷却光学补偿非圆柱工作物质,冷却液体冷却,气体冷却,传导冷却,1.4工作物质的热效应,1.4工作物质的热效应,气体冷却,传导冷却,1.4工作物质的热效应,1.4工作物质的热效应,光学补偿热透镜效应的补偿修磨端面热不灵敏腔（非稳腔、腔内加入负透镜等）热应力双折射补偿旋光将两支热致双折射效应相近的棒串接，中间置入石英旋光片，旋转角90度。互相补偿（抵消）两棒的热致双折射。,1.4工作物质的热效应,采用非圆柱工作物质首先是增大了散热面积，降低激光器的整体温度，其次是改变热流方向，使工作物质的内部温度梯度方向与激光传播方向一致。盘状激光器板条激光器管状激光器二极管泵浦的固体激光器,1.4工作物质的热效应,盘状激光器激光工作物质为圆片，增大了散热面积，使热能朝光传播方向流动，大大减轻了热效应。,1.4工作物质的热效应,1.4工作物质的热效应,板条激光器,1.4工作物质的热效应,1.4工作物质的热效应,二极管