激光元器件的选择课件

1、激光元器件的选择,1,激光器元器件选材,固体激光实验室,激光元器件的选择,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,Main content,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,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：/10

2、 632.8nm 平行度：10 侧 垂：5 波前畸变： /8 632.8nm,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,工作物质 Laser Crystal,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

3、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,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,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,946nm 1064nm 1319nm,激光元器件的选择,High gain 高增益系数 Low threshold 阈

4、值低 Low loss at 1.06 m & High efficiency 1064nm光波吸收少，功率高 Mechanical strength & High optical quality 机械性能和光学质量好 Material characteristics that allow for various modes of operation (CW, pulsed, Q-switched, mode locked) 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,激光元器件的选择,Nd:YAG吸收光谱,Nd:YAG在300K时的吸收光

5、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,激光元器件的选择,棒套,两端面镀有1064nm的增透膜，防止自激振荡,激光元器件的选择,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:YVO4,914nm 1064nm 1342nm,激光元器件的

6、选择,Nd:YVO4吸收光谱,中心波长分别在585nm、750nm、810nm附近,激光元器件的选择,Nd:YVO4s advantages over Nd:YAG,As high as about five times larger absorption efficient over a wide pumping bandwidth around 808 nm 在808nm左右的泵浦带宽，约为Nd:YAG的5倍 As large as three times larger stimulated emission cross-section at the lasing wavelength o

7、f 1064nm 在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍 Lower lasing threshold and higher slope efficiency 光损伤阈值低，高斜率效率 As a uniaxial crystal with a large birefringence, the emission is a linearly polarized. 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,激光元器件的选择,Other Cr

8、ystals,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

9、优良的固体 Raman 介质,激光元器件的选择,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 Pump source,激光元器件的选择,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

10、研究所,脉冲氙灯,890220,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,氙灯发射光谱,Nd:YAG吸收光谱,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,氪灯光谱特性,峰值波长位于760nm, 820nm和900nm附近，与Nd3+:YAG的吸

11、收谱带相匹配对连续和小能量输出(10 J)的脉冲YAG激光器采用氪灯激发效率比较高，对大型激光器，宜采用辐射能量较大，效率较高的脉冲氙灯激发,激光元器件的选择,谐振腔Resonant cavity,谐振腔作用 输出激光 形成正反馈 限制模式数目（开放式） 压缩频宽 延长光子寿命,光学谐振腔是激光器的重要组成部分，常见的谐振腔是由两个球面镜或平面镜构成，其形式与结构参数直接影响激光器的功率输出，光束发散角、光束质量、激光模式、光斑大小和谐振频率。合理选择谐振腔的结构参数是固体激光器技术中的重要问题,激光元器件的选择,介质膜反射镜,BK7是一种硼硅酸光学玻璃，化学性质稳定，材质均匀，用于小尺寸的反

12、射镜的基板和透过型光学件，在3002000nm波长范围内，都有较高透过率,金属反射膜和电介质反射膜,激光元器件的选择,平凹腔,平面反射镜,凹面反射镜,激光元器件的选择,介质膜反射率曲线,HR532nm,HR1064nm,激光元器件的选择,调Q技术元器件,调Q原理 在激光腔内引入一个开关，若开关关闭，低Q，激光作用就不会出现，因而粒子数反转可以达到非常高的值。若突然打开开关，高Q，激光器就会拥有远超过损耗的增益，所贮存的能量将以短（ns）而强的光脉冲形式释放,对工作物质的要求 增益大：不须太长的形成时间 亚稳态寿命长：便于积累粒子 荧光谱线宽：充分利用泵浦光的光谱成分,各种调Q技术 电光调Q 某

13、些晶体的电光效应做成电光开关，对激光器调Q 特点：开关时间短，同步精度高，系统稳定可靠，输出脉冲窄 被动调Q 对激光波长的光强烈吸收，随入射光强增加，吸收系数减小 声光调Q 光通过介质中超声场时，由于衍射造成的偏折来控制激光器的Q值，重复率高(KHz/s)，输出稳定中等功率，高重复率,激光元器件的选择,电光调Q,特点 开关时间短，同步精度高，系统稳定可靠，输出脉冲窄 晶体要求 在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和热性能好、半波电压低等,激光元器件的选择,Good UV transmission 有优越的紫外透过 High damage thre

14、shold 高损伤阈值 High birefringence 双折射系数高 Used for doubling, tripling and quadrupling of a Nd:YAG laser at the room temperature 用于做Nd:YAG激光器的二、三、四倍频器 件（室温条件下） High electro-optic coefficients , widely used as Q-switches 具有电光系数高的特点，用于制作Q开关,磷酸二氘钾(KD*P,激光元器件的选择,基本特性(Basic Properties,激光元器件的选择,铌酸锂（LiNbO3,Larg

15、e Electro-Optic and Acousto-Optic coefficients 大的电光和声光系数 Commonly used material for Pockel Cells and Q-switch 大量应用于泡克尔斯盒和电光调Q Widely used as frequency doublers for wavelength 1000nm and OPO pumped at 1064nm as well as QPM devices 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,激光元器件的选择,铌酸锂的结构属性及光学特性,激光元器

16、件的选择,Difference between KD*P and LN,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,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,激光元器件的选择,被动调Q,在激光腔内使用可饱和吸收晶体可以得到被动

17、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,激光元器件的选择,被动调Q,掺铬钇铝石榴石(Cr4+:YAG,Good thermal conductivity an

18、d high damage threshold 良好的导热性和高损伤阈值 Its chemically stable, durable, UV resistant 化学性能稳定，耐用，抗紫外 It will replace traditional materials, such as LiF, organic Dye and color centers 取代通常使用的LiF和染料 An excellent crystal for passively Q-switching diode pumped or lamp-pumped Nd:YAG, Nd:YVO4 or other Nd and Y

19、b doped lasers at wavelength from 0.9 to 1.2 m 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,激光元器件的选择,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

20、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,激光元器件的选择,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

21、效率；物化性能稳定，硬度大，不潮解温度稳定性好,激光元器件的选择,磷酸氧钛钾(KTP,Large nonlinear optical coefficient 非线性光学系数大 Broad temperature and spectral bandwidth 宽的温度和光谱带宽 Wide angular bandwidth and small walk-off angle 接收角大，走离角小 Nonhydroscopic, chemically and mechanically stable 不吸水,化学、机械性能稳定 High electro-optic coefficient and low

22、 dielectric constant 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,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,激光元器件的选择,相偏硼酸钡晶体(-BaB2O4,High optical homogeneity 光学均匀性好 High dama

23、ge threshold 损伤阈值高 Wide temperature-bandwidth of about 55C 温度接收角宽约55左右 Wide transmission region from 190 nm to 3500 可透过波段范围宽(1903500nm) Broad phase matchable range from 409.6 nm to 3500 nm 可实现相位匹配的波段范围宽(409.63500nm) Large effective second-harmonic-generation coefficient about 6 times greater than th

24、at of KDP crystal 倍频转换效率高，相当于KDP晶体的6倍,激光元器件的选择,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,激光元器件的选择,BBO透射率曲线,激光元器件的选择,Others NLO Crystals,三硼酸锂 LiB3O5 or LBO 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-Nonlinear Optics(非线性光学,激光元器件的选择,KTP&LBO&BBO,LBO有效非线性系数最小，但走离角约为KTP