激光讲义激光原理与激光器

激光讲义激光原理与激光器第1页，课件共91页，创作于2023年2月1.1 激光物理基础1.1.1

激光产生的机理1.1.1.1原子的能级 原子核外电子可在有限的轨道上绕核旋转，具有一定的能量（动能和位能）——谓之处在一定的能级.

电子可在能级之间跃迁：吸收外部能量（光子），从低能级跃迁到高能级；若从高能级跃迁到低能级，则发射光子；其能量为：

E2-E1=hn=

hc/l玻尔兹曼分布律——在热平衡状态下，低能级上的粒子数N1总是高于高能级上的粒子数N2第2页，课件共91页，创作于2023年2月1.1.1.2 受激辐射和自发辐射1）正常情况下，大多数粒子处于低能级（基态），通过注入外能（光照.电子碰撞.化学能.热能等）可使基态的粒子激发(泵浦.抽运）到高能级上去（激发态）2）处于激发态E2的粒子会自发地向低能级基态E1跃迁放出光子（自发辐射）hn=E2-E1；也可受光子hn的激发而发射相同的光子hn（受激辐射）它的频率.相位.传播方向和偏振态完全相同。第3页，课件共91页，创作于2023年2月3）能级的寿命——被激发到高能级上的粒子是不稳定的，会很快地自发辐射跃迁到低能级，即在激发态上的平均寿命很短，一般只10－8秒数量级。不同物质不同能级的平均寿命不同；有些介质的特定能级的平均寿命较长（叫亚稳态），即在亚稳态上粒子相对稳定。1.1.1.3激光的产生——光的受激辐射放大1）粒子数反转——当外界给介质提供能量（激励-泵浦），受激吸收占优势，可使高能级亚稳态上的粒子数大于低能级上的粒子数（激活介质）在此状态下，若有一束光通过介质，而光子的能量恰好等于高低能级的能量差hn=E2-E1

，就可以产生受激辐射，从而实现受激辐射光放大。激励的方式——光激励，电激励，化学能激励核能激励等。第4页，课件共91页，创作于2023年2月常用激光介质的能级系统——三能级，四能级系统2）激活介质的增益作用——光强随距离按指数增涨第5页，课件共91页，创作于2023年2月3）光学谐振腔——须在激活介质两端放置平行的反射镜，使垂直于镜面的初始光来回反射，多次光放大形成激光；其它方向的光则逸出腔外。a.谐振腔的形式：第6页，课件共91页，创作于2023年2月b.谐振腔的稳定性条件:谐振腔的g参数g1=1-L/r1g2=1-L/r2当0<g1g2<1

为稳定腔则近轴光线在腔内多次反射而不横向逸出腔外，几何损耗小当

g1g2<0或g1g2<1

为非稳腔近轴光线在腔内往返有限次而横向逸出腔外，几何损耗大当g1g2＝0或g1g2＝1

称为临介腔或介稳腔

平平腔

g1＝1

g2＝1即

g1g2＝1

为临介腔,对平行于腔轴的光线是稳定的；而稍有偏离的光，就会从腔侧逸出。属介稳腔。平凸腔平行于腔轴线的光线经凸镜反射后不再平行于腔轴线，多次反射后将逸出腔外；属非稳腔。只有轴线上的光线才是稳定的—相当于选基模。第7页，课件共91页，创作于2023年2月共焦腔

r1=r2=L

则g1＝0g2＝0，g1g2＝0

两凹面镜半径相同等于腔长，A镜伤任一点发出的光线经B镜反射后成象于A镜上，B镜也如次；为稳定腔,衍射损耗小。共心腔两个球面镜共心，r1+r2=L，通过公共球心的光线经腔镜反射后仍通过球心，而不通过球心的光线往返有限次后将逸出腔外。共心腔的稳定性处于临介状态，属介稳腔。第8页，课件共91页，创作于2023年2月c.谐振腔的谐振条件振辐条件——光在腔内往返一次，由激活介质所得到的增益大于损耗（吸收.散射.衍射.反射等损耗以及激光输出）相位条件——光在腔内往返一次相位的改变为2p的整数倍，即形成驻波才有稳定的输出激光器的阈值——激光器的泵浦必须超过某一限度，才能满足谐振条件输出激光，此限度称为激光器的阈值。第9页，课件共91页，创作于2023年2月d.谐振腔的振荡模式——能够在谐振腔内存在的稳定光波模式（振辐.相位.频率是稳定的）纵模——能在激光腔内形成稳定驻波的波长（或频率）：

2nL=ml(m=1,2,3…..)L为腔长，n为腔内介质折射率 相应的波长 lm=2nL/m两相邻激光纵模的间隔为Dn=nm-nm-1=c/2nL可见：纵模间隔与谐振腔长成反比再加上一定的振荡阈值条件，激光输出的纵模只是有限的几个第10页，课件共91页，创作于2023年2月横模

——光场在垂直腔轴的平面内的光强分布第11页，课件共91页，创作于2023年2月e.谐振腔的品质因数Q——描述腔储能和损耗的量谐振腔的Q值越大，即激光器损耗越小，则阈值越低，越容易形成激光振荡4)激光的产生三个要素：具有亚稳态能级结构的激活介质——激光工作物质；

外界泵浦源——提供能量以实现粒子数反转；

激光谐振腔——维持激光振荡；第12页，课件共91页，创作于2023年2月2.产生对振荡光束的控制作用改变腔的参数如：反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性好、方向性强的相干光可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率1.提供光学正反馈作用：使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。谐振腔的作用第13页，课件共91页，创作于2023年2月1.1.2激光光束的特性1）高强度——激光束发散角很小，光强度很高例如：太阳光亮度3x102W/(cm2

sr) 10mW的He-Ne激光器的光亮度106W/(cm2sr) 调Q的固体激光器的光亮度109W/(cm2sr)若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光强度2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。例如He-Ne激光器的发散角10-1mrad;固体激光器的发散角1－10mrad3）高单色性——激光的谱线宽度很窄；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度。4）高相干性——激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大，其时间相干性很好；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干，空间相干性很好。第14页，课件共91页，创作于2023年2月1.1.3激光器的输出特性及其对激光加工的影响1）激光波长——激光器输出准单色光，不存在色差;但不同激光器输出不同波长的准单色光，其聚焦特性.材料吸收特性不同，可作不同的激光加工。2）激光输出能量和功率连续激光用激光功率P来表述输出的激光强度脉冲激光的峰值功率Pm

=脉冲能量E/脉冲宽度T脉冲激光平均功率P

=脉冲能量Ex脉冲频率f3）空间分布特性基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布；将振幅值下降到1/e的光斑宽度定义为光斑半径；将强度下降到中心强度1/e2

点对应的全角宽度定义为发散角；为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法第15页，课件共91页，创作于2023年2月高斯光束的参数：束腰；等相位面；发散角；高斯光束经薄透镜聚焦：聚焦光斑（束腰）与透镜焦距.光束发散角.和激光波长成正比第16页，课件共91页，创作于2023年2月4）时间特性a.连续激光——以连续恒定的功率来描述；b.普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级）.脉冲能量与脉冲频率来描述；激光焊接常用脉宽1－10ms,能量1至数十焦尔；峰值功率数千瓦；打孔和切割常用脉宽0.1－2ms，能量为0.5－20j；峰值功率达万瓦c.调Q脉冲激光——用调Q技术压缩脉宽（纳秒量级），提高激光的峰值功率（声光调Q可达数百千瓦；电光调Q可至兆瓦以上）；d.超短脉冲激光——用锁模技术压缩脉宽到皮秒至飞秒量级，峰值功率达1012W,可作很多精密微加工；第17页，课件共91页，创作于2023年2月5）偏振特性光波是横向电磁波，若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向，称为线偏振光；若电矢量在传播过程中不改变大小而只改变方向，两相互垂直分量的振幅相等，而相位差是p/2，称为园偏振光；若电矢量在传播过程中既改变大小又改变方向，称为椭园偏振光；若电矢量作无规变化，振幅方向不确定的光，称为自然光；自然光与偏振光的混合光称为部分偏振光；激光的偏振态对材料加工的效率和质量有较大影响。第18页，课件共91页，创作于2023年2月1.1.4激光加工中常用的激光技术

1.1.4.1调Q技术——先将激光器运行在高损耗低Q值状态，激光不能振荡，但粒子不断地被泵浦到亚稳态，当亚稳态上粒子数足够高时，使激光腔的Q值突然增大，如同一个高速开关，腔内迅速建立很强的振荡，在极短的时间内输出一个很强的窄脉冲。全部激光能量压缩在很窄脉冲内释放出来，其峰值功率极高。电光调Q——电光晶体（KD*P,KDP,KTP,LN等）在外电场作用下，可使入射光的偏振方向发生变化，准确控制外电场来实现Q值从低到高的突变。电光调Q脉宽很窄（纳秒级），峰值功率高达数十兆瓦MW。第19页，课件共91页，创作于2023年2月声光调Q——当几十兆赫的射频电压驱动换能器，产生超声波，在超声介质中形成超声光栅；激光通过超声光栅时产生衍射，使激光偏离出谐振腔，造成腔内损耗大，Q值很低，不能形成激光振荡；而光泵不断，使工作物质上能级粒子数积累到最大值；调制讯号突然撤去超声场，则衍射效应消失，腔损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速恢复，能量以巨脉冲输出。声光Q开关可获得频率0－20KHz，脉宽100ns量级的高重复率巨脉冲；而所需调制电压很低，200V以下。第20页，课件共91页，创作于2023年2月1.1.4.2选模技术——从激光器多模振荡中选取需要的基模1）选横模——选取需要基模（TEM00)振荡，抑制其它高阶模原则：尽量减小激活介质的内部损耗及镜面损耗；相对增大高阶模的衍射损耗。a.

小孔光阑选模——孔径大小恰好通过基模而阻止高阶模(大小与位置）；但小孔也限制了基模体积，功率受限。b.

聚焦光阑选模——腔内聚焦的焦点处设置小孔光阑，加大了模体积；但腔内有聚焦不适合大功率大能量激光。第21页，课件共91页，创作于2023年2月c.

非稳腔选模——模体积大，有利于大功率大能量输出；对横模选择本领高；腔内光束均匀；输出易于调整。有双凸腔；平凸腔；虚共焦凸凹腔等第22页，课件共91页，创作于2023年2月2）选纵模——为了提高激光束的时间相干性（单色性）；在腔内插入一定的选择性损耗，增大各纵模间的增益差别，实现单纵模输出。短腔法——缩短腔长L，可增大纵模间隔，实现单纵模振荡输出。因为Dn=nm-nm-1=c/2nL

纵模间隔与谐振腔长成反比F-P标准具法——基于多光束干涉原理，满足标准具透过率极大值的纵模只有一个。选择标准具的厚度和反射率（一般角度很小），可实现单一纵模输出。第23页，课件共91页，创作于2023年2月1.1.4.3

锁模技术——激光器输出一般包含若干个超过阈值的纵模；采用一定的调制方法，使激光振荡不同频率的各纵模之间保持确定的相位关系；即相位差恒定，于是各纵模间相干叠加的结果产生超短脉冲。 1）主动锁模——腔内插入一个适当频率的电光（或声光）调制器，使其调制频率为f=c/(2L)，即损耗调制的周期恰为脉冲在腔内往返一次的时间，只有在损耗为零的时刻通过调制器的那个纵模能形成振荡，其余的纵模被抑制，形成周期为2L/c的超短脉冲输出。（为防止因标准具效应而干扰锁模，腔内各元件应切割成布儒斯特角并倾斜放置，腔反射镜作成楔形。）第24页，课件共91页，创作于2023年2月2）被动锁模——腔内插入一快速可饱和吸收体（染料盒）来调节腔内损耗，可饱和吸收染料的透过率随光强而变化，对强光脉冲的透过率大，弱光脉冲的损耗大；强光脉冲通过后透过率很快下降，使其它纵模损耗很大；仅强光脉冲损耗小形成稳定的振荡；且脉冲前后沿不断被削弱，使脉冲愈变愈窄，形成很窄的超短脉冲输出。 为消除标准具效应，腔内各元件应切割成布儒斯特角并倾斜放置，腔镜后表面作成楔形。第25页，课件共91页，创作于2023年2月3）自锁模——利用增益介质（掺钛兰宝石）自身的非线性效应实现自锁模，使脉冲前后沿的增益小，而脉冲中间部分的增益大，脉冲在腔内往返传播的过程，即是被整形放大的过程，直至脉宽被压窄，得到稳定的飞秒激光。掺钛兰宝石有很宽的调谐范围（670－1060nm)，较长的上能级寿命（微秒量级）和稳定的光学性质。自锁模掺钛兰宝石激光器结构简单，现在用二极管泵浦的倍频YAG激光取代氩离子激光作泵浦光，锁模脉宽为几十飞秒（极限可达3飞秒）。第26页，课件共91页，创作于2023年2月1.1.5激光加工的特点1）功率密度极高，可加工所有材料：金属.非金属.透明体等；2）非接触加工，速度快，效率高；3）加工时间短，热影响区小，热变形和加工变形小；4）激光束聚焦光斑小，可进行精细微加工；5）激光束易于传导与聚焦，功率与能量易控，可实现数控全自动化加工；第27页，课件共91页，创作于2023年2月1.2

激光与物质的相互作用

1.2.1

物理基础 1.2.1.1

激光与物质相互作用的能量转换当激光照射到材料上，存在光的反射.透射与吸收；有关的因素：激光波长.功率密度与激光作用时间；材料的密度.相变温度.熔点.气化点；材料表面对激光的吸收率.热导率等；激光功率密度103－104W/cm2——光子传能量给电子；材料被加热升温并由外向里传热；激光功率密度104－105

W/cm2——达到材料相变点，材料金相结构出现变化；可作激光相变硬化；激光功率密度105－106

W/cm2——材料熔化，形成熔池；可作激光熔焊.激光熔覆和表面合金化等；激光功率密度107

W/cm2

以上——材料汽化并形成等离子体；可作激光打孔.切割等加工。第28页，课件共91页，创作于2023年2月1.2.1.2吸收与反射1）吸收率 a=4ph/l h为消光系数，反映因材料吸收而使光强衰减2）各种材料的吸收差别很大，影响吸收率的主要因素——波长；温度；偏振态等 反射率 R=(n-1)2+h2/(n+1)2+h2材料折射率越高，反射损耗越大例如：光学玻璃n=1.5,则R=0.04红外材料ZnSen=2.4,R=0.17可见，在光学元件表面镀增透（减反）膜非常重要第29页，课件共91页，创作于2023年2月1.2.2金属材料对激光的吸收1.2.2.1金属表面的反射和吸收——强吸收和强反射，不透明1.2.2.2金属表面反射率与波长的关系1.2.2.3金属性质和表面状态的影响——粗糙表面或经表面处理吸收加大；第30页，课件共91页，创作于2023年2月1.2.3

非金属材料对激光的吸收一般，非金属材料对激光低反射，高吸收；而非金属材料熔点较低，导热性差，有利于激光加工1.2.3.1

绝缘体材料对激光的吸收——与波长有很大的关系；如石英SiO2，硅Si是常用激光材；又如玻璃.有机玻璃对YAG激光透明而对CO2激光是吸收的。

第31页，课件共91页，创作于2023年2月1.2.3.2半导体材料对激光的吸收1）半导体材料介于导体与绝缘体之间，载流子（电子与空穴）的能级扩展为能带。2）影响激光与半导体相互作用的因素有：激光波长功率等参数；半导体的晶体结构.导电性能等。且吸收率随温升增加很快。半导体的激光破坏阈值较低。 有些半导体对可见光不透明，而对红外光相对透明,可作CO2激光光学材料：如硅Si,锗Ge第32页，课件共91页，创作于2023年2月激光窗口和透镜材料：1）YAG激光窗口和透镜材料：石英，光学玻璃2）CO2激光窗口和透镜材料：ZnSe,Si,Ge,GaAs,CdTe等3）紫外激光窗口和透镜材料：紫外石英等1）对该波长激光的光学吸收率小选取激光窗口和透镜的要求：2）热导率和热稳定性高3）硬度和光洁度高4）化学稳定性高5）表面光学镀膜层性能高1.2.3.3

激光光学材料——谐振腔镜.聚焦系统的光学元件等；对于不同波长的激光，应选用不同的激光光学材料。要考查材料的反射率；吸收率；破坏阈值；热传导率等第33页，课件共91页，创作于2023年2月表面镀膜层：膜层材料要吸收率小,反射率稳定,激光破坏阈值高金属反射膜：金，银（+介质膜）多层介质反射膜：硬膜：TiO2,ZrO2,SiO2,Al2O3等；熔点高，硬度大，软膜:MgF2,NaF,ZnS,ZnSe,ThF4等；特别要注意所有表面膜层的清洁维护第34页，课件共91页，创作于2023年2月1.2.4

光致等离子体 物质有固态.液态和气态，这三态称为凝聚态。此外还有第四态，即部分或完全电离的气体，其中自由电子和离子所带的正.负电荷总合相等，通称为等离子体。它表现出大量带电粒子的集体效应。在激光照射（104－105W/cm2)下，材料表面汽化并离解成等离子体。它强烈地吸收激光并辐射紫外光，传递能量给被加工材料；但当激光强度很高（106－107W/cm2)，等离子体迅速膨涨并逆光照方向传播，将材料屏蔽，激光不能进入材料。当激光强度更高（>107W/cm2)，则材料完全被屏蔽；不利于加工。可加吹Ar，N2，He等气体来解决。 当激光强度再高（109－1010W/cm2)，足够热的等离子体对激光又透明了，激光能量又可传到材料上，又产生等离子体；出现周期性。等离子体对激光的吸收与电子密度.蒸汽密度.激光功率密度.作用时间.与激光波长的平方成正比。YAG激光波长较短，加工时等离子体的影响较小。第35页，课件共91页，创作于2023年2月激光辐射的危害：激光加工使用大功率.大能量的激光束，对人眼.皮肤可能造成严重的损伤；例如：仅仅几毫瓦的氦氖激光束直接射入人眼，聚焦到视网膜上的辐照度和辐照量可明显大于太阳光照射的结果。1.2.5激光防护其它危害：激光加工系统中往往使用高电压.大电流，可能造成触电事故；激光加工过程中产生的有害烟雾；电离辐射；闪光灯的强光辐射及等离子放电管的紫外辐射；

激光危害分类：1类——无危险； 2类——低危险； 3A类——低危险中功率；3B类——中危险中功率； 4类——高危险高功率；第36页，课件共91页，创作于2023年2月（１）国际激光安全防护标准国际电工委员会（IEC）激光设备技术委员会（TC-76）激光辐射安全工作组早在70年代就开始商议激光安全防护的标准；国际电工委员会1984年正式发布了国际标准IEC825（1984）《激光产品的辐射安全.设备分类.要求和用户指南》；TC-76技术委员会于1986年正式发布了国际标准IEC820（1986）《激光设备和设施的电气安全》。现在，中.德.法.美.英.日等国都引用此国际标准。国际电工委员会1993年9月发布了IEC825-2（1993）《国际标准激光产品安全第二部分光纤通讯系统安全》；后又发布了IEC825-1（1993）《国际标准激光产品安全第一部分设备分类.要求和用户指南》联合国世界卫生组织1982年发布了环境卫生标准23《激光和光幅射》提出了激光允许辐照阈值的标准。激光安全防护标准第37页，课件共91页，创作于2023年2月美国制定的有：美国国家标准ANSIZ136.1(1993)

激光器的安全使用；ANSIZ136.2(1988)

采用激光二极管和发光二极管的光纤通讯系统的安全使用；ANSI

136.3(1988)

医疗设备中激光器的安全使用。美国政府颁布的激光安全标准在法律上是强制性的。由卫生福利部的食品与药物管理局（FDA）下属的设备与辐射健康中心（CDRH）负责制定并监督执行激光产品安全标准；美国劳工部负责制定激光器用户的安全标准，由职业安全及卫生管理局（OSHA）和劳工标准局（BLS）具体执行。德.法.英等国的激光安全防护标准都重视采用国际标准。（２）外国激光安全防护标准第38页，课件共91页，创作于2023年2月国家标准GB7247-87《激光产品的辐射安全.设备分类.要求和用户指南》，国家标准局1987.2.9发布，1987.10.1实施；等效于国际标准IEC825(1984)。新的国家标准GB7247-1995已取代老的标准。国家标准GB10320-88《激光设备和设施的电气安全》于1988.12.30发布，1990.1.1实行；我国卫生部1989.2.24发布了国家标准GB10435-89

〈作业场所激光辐射卫生标准〉于1989.10.1实施；此三个激光安全标准适用于从事于激光加工设备制造和使用的单位和企业。另外，我国还制定了中国机械行业标准JB/T5524-91

〈实验室激光安全规则〉1991.7.16发布，1992.7.1实施。（３）我国激光安全防护标准第39页，课件共91页，创作于2023年2月1）防护罩：通常是将整个激光系统放置于一个不透激光的罩子中，或防护围封；只有在操作激光器或激光系统的工作必须时才可以进入。防护罩应有联锁。2）安全联锁装置：是为了在移开防护罩某部分时,能够避免人员接触3B类或4类激光产品辐射而设置的与该防护罩相联的自动装置,要保证警报机构.光束封罩.光闸和挡光片等装置的联锁与可靠.3)

遥控联锁连接器:国家标准规定3B类或4类激光产品必须带有遥控联锁连接器,操作者在激光危险区外进行控制.4)

钥匙开关:激光加工系统的总控台上必须有一个用钥匙操作的总开关,当取下钥匙时,激光器不能运转.激光危害的工程控制第40页，课件共91页，创作于2023年2月5)激光辐射发射警告:在激光器工作时,应使用一个听得见或看得见的警告装置（如信号.警告灯.铃.鸣笛）。6)光路:在激光加工作业场所,所有光路,包括激光的工作区域以及发射光束.反射光束的辐射区域,都要求予以封闭,并采用联锁装置.7)镜反射:在激光路径上的镜反射是危险的.磨毛的金属表面很可能也具有类似镜子的性质,更应注意其潜在的危险.8)光束的终止:激光加工系统工作时,应使激光束不超越受控的加工作业区;应使用光束终止器或光束衰减器,防止在场人员受到3A类.3B类或4类激光的照射.第41页，课件共91页，创作于2023年2月9)光学观察器:在封闭式激光加工系统中,常常设置光学观察器.观察窗,透过它们的激光辐照度必须低于相应的最大允许照射量限值.10)防止意外触发:显然,任何4类激光系统的意外点燃都可能造成严重损害,都应特别注意防止.11)应急断电开关:在危险情况下,应使激光加工设备立即与电源断开,尽可能迅速地使设备停止运转.所有激光加工系统都应装有应急断电开关,且应装在操作人员能快速接近的位置上.切断电源装置应确保全部电容器组在断电后自动放电.激光的个人防护：包括激光防护眼镜；激光防护面罩；激光防护手套；激光防护服等，根据需要选用。第42页，课件共91页，创作于2023年2月思考题：1）产生激光的基本条件2）简述激光的基本特性3）影响激光束聚焦光斑的因素有哪些？4）如何选取激光窗口与聚焦镜？5）简述材料吸收激光的几个过程。6）综述激光加工的特点。7）对比声光调Q与电光调Q的基本特点8）简述激光选横模的基本方法。第43页，课件共91页，创作于2023年2月1.3

激光加工用激光器第44页，课件共91页，创作于2023年2月第45页，课件共91页，创作于2023年2月1.3.1

Nd:YAG激光器

1.3.1.1

固体激光器的基本特性1）工作物质 2）泵浦源 3）聚光腔 4）光学谐振腔 5）冷却系统 6）激光电源一.主要特点

1）多种方式运行：连续.脉冲.调Q.锁模.多棒串联等 2）可用谱线多，可经倍频获得短波激光； 3）结构紧凑，牢固耐用，应用广泛； 4）导光系统简单，可与光纤耦和作柔性传输；二.固体激光器的基本组成1.3

激光加工用激光器第46页，课件共91页，创作于2023年2月改善激光器效率：

提高电光转换效率－减少回路电阻，改善放电波形，提高灯的品质提高聚光效率－改进聚光腔形，材料，灯棒匹配； 提高光泵浦效率－提高光泵光谱匹配；选择输出镜最佳透过率；三.固体激光器工作特性1）固体激光器总效率不高第47页，课件共91页，创作于2023年2月2）输出光束特性-固体激光往往是多模输出，光束衍射倍率因子M2

表征实际光束偏离衍射极限的程度，反映了激光束质量；基模的M2＝1，它的值越小越好3）激光光谱－固体激光器多纵模输出，虽能量大，但激光谱线较宽，相干性差些；4）偏振特性－取决于工作物质的种类，质量和运行状态；例如红宝石是各向异性晶体，其激光有明显的偏振特性；YAG属各向同性晶体，产生的激光是无规偏振；但如质量不好，或因热致双折射，使激光输出有部分偏振特性。也有用“实际光束腰斑直径x实际光束远场发散角”来表征固体激光器的光束特性。第48页，课件共91页，创作于2023年2月四.光泵激励1）气体放电灯泵浦- 选取光谱匹配的连续氪灯.脉冲氙灯作泵浦源; 由于闪光灯的内电阻很小，0.05-1欧姆，所以，一定要注意减小连接导线的接触电阻。第49页，课件共91页，创作于2023年2月选用适当的聚光腔:金属椭圆腔;第50页，课件共91页，创作于2023年2月陶瓷紧包腔：第51页，课件共91页，创作于2023年2月2）半导体激光二极管（LD)泵浦-光谱匹配，激光转换效率高；激光二极管泵浦全固态激光器（DPSL）总效率可达30%LD端泵—阈值低，效率高，但功率低LD侧泵—光谱匹配好，效率高，功率高第52页，课件共91页，创作于2023年2月

半导体LD端面泵浦固体激光器第53页，课件共91页，创作于2023年2月3）固体激光器的冷却灯泵浦Nd3+-YAG的总效率很低，<4%左右；半导体激光LD泵浦Nd3+-YAG的总效率可达30%；注入电功率的大部分能量都将转换成器件的热能，引起的热效应对激光器造成不良的后果，严重影响激光出光，甚至激光器破坏。必须对固体激光器作必需的冷却。热效应：热应力；热致双折射；热透镜效应；对水冷系统的要求：水质；水温；水压与水流量；均自动控制第54页，课件共91页，创作于2023年2月1.3.1.2Nd:YAG激光器（掺钕的镱铝石榴石）1）Nd:YAG激光器的特点： 激光波长1064nm，波长较短，金属耦合好，聚焦光斑小；可连续.脉冲.调Q.锁模方式运行，短脉冲.超短脉冲，峰值功率高；YAG激光束可耦合到光纤传输，分时或分功率多路传输； YAG激光器结构紧凑，特别全固态激光器 寿命长，质量好；一般为多模输出； 四能级系统；量子效率高；受激辐射截面大；热导率较高；阈值低。2）Nd:YAG激光器的工作原理：第55页，课件共91页，创作于2023年2月

Nd3+:YAG的光谱吸收特性氪灯发射光谱第56页，课件共91页，创作于2023年2月注意，当灯电流太大时，灯的发射光谱能量分布出现`短移`现象，有效光谱成分反而下降。氙灯发射光谱第57页，课件共91页，创作于2023年2月1）综述固体激光器的基本组成2）对比YAG激光器的灯泵与半导体泵浦的特点3）综述固体激光器对水冷系统的要求思考题第58页，课件共91页，创作于2023年2月1.3.2

CO2激光器一）气体激光器的特点工作物质均匀性好；单色性好；输出功率大；常用气体放电泵浦； 二）气体激光器的一般结构：内腔式；外腔式；半外腔式；第59页，课件共91页，创作于2023年2月工作物质——CO2，N2，He的混和气体；激光跃迁能级——CO2分子的振动－转动能级；

N2辅助提高上能级的泵浦效率，

He帮助下能级的抽空；激发机理——电子碰撞；级联跃迁；共振转移；复合激发；一）CO2激光器激发机理第60页，课件共91页，创作于2023年2月二）CO2激光器分类

1）封离型CO2激光器2）纵向慢流型CO2激光器结构简单.费用低；功率：50－70w/m模式稳定，光束质量好第61页，课件共91页，创作于2023年2月射频激励CO2激光器特点:1）结构紧凑，放电均匀，注入功率密度高；电抗镇流，效率高；

2）电容耦合，电极在外，无污染，寿命长；

3）放电稳定，激光模式恒定，光束质量好

4）射频激励，脉宽和频率易于调制，脉冲频率可达100kHz

常用于激光打标等第62页，课件共91页，创作于2023年2月激光功率高（1kw/m);电光效率高（>20％）;光束质量较好；3）纵向快流CO2激光器第63页，课件共91页，创作于2023年2月电光效率高；功率输出高(数千瓦/米）；光束质量较差；4）横向快流CO2激光器常用于激光热处理：激光淬火，表面熔覆等第64页，课件共91页，创作于2023年2月5）横向激励高气压CO2激光器（TEA）电极面积大，放电距离短；脉冲输出能量大（数千焦尔）；峰值功率高达1012w第65页，课件共91页，创作于2023年2月思考题：1）比较激光加工中的CO2激光器与YAG激光器 波长.功率.模式.发散角.倍频.传输.成本与维护等2）比较射频激励封离型CO2激光器.轴快流CO2激光器以及横流CO2激光器的特点（功率.模式.发散角.成本与维护等）第66页，课件共91页，创作于2023年2月1.3.3准分子激光器准分子—在激发态结合为不稳定分子，基态离解为原子1）准分子激光器的工作原理 激光跃迁发生在束缚的激发态与弱束缚的基态之间；常采用快速放电激励方式 2）准分子激光器的特点1.波长短（紫外193—351nm）；单光子能量高，作激光冷加工；激光微加工2.量子效率高，输出能量高；3.高频率短脉冲；峰值功率非常高；4.波长可调谐；第67页，课件共91页，创作于2023年2月一）半导体激光器的基本结构—在GaAs单晶片上外延生长掺杂Al.Ga.As单晶层，形成异质结；在N型与P型之间的电子与空穴结合时辐射激光。1.3.4

半导体激光器(GaAs,InP)器件小；电流直接注入泵浦；效率高；可集成大功率；可直接调制到很高频率；第68页，课件共91页，创作于2023年2月二）半导体激光器的工作原理三个基本条件：1）激活介质内要实现载流子的反转分布；在半导体两边形成P区与N区；P区过剩空穴（正电位）；N区过剩电子（负电位）；当电子与空穴结合就放出光子；

2）电流注入方式泵浦；激励源将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带；加正向电压（正极接P区）对有源层内注入非平衡载流子；促使N区向P区注入电子；从P区向N区注入空穴；使更多的载流子结合，就稳定出光；

3）合适的谐振腔：利用半导体晶体的自然解理面形成F-P谐振腔（解理面的反射率约R=30%）；当注入电流足够大，激活介质提供足够大的增益，增益大于损耗，形成稳定的激光输出。第69页，课件共91页，创作于2023年2月半导体激光器的结构与参数双异质结激光器能有效地把载流子和光场限制在P-GaAs薄层有源区内，光增益大，损耗小；第70页，课件共91页，创作于2023年2月1）阈值电流—当正向注入电流大于阈值电流，有源区内实现粒子数反转，受激辐射占优势，才能出激光。阈值电流随温升而加大。2）激光器的效率—功率效率与器件的材料．结构．脉冲频率．脉冲宽度等因数有关。效率随温升而减小。3）方向性—发光区很薄，衍射角很大，方向性很差；在垂直于结平面方向发散角达几十度；需要加光束整形系统。三）半导体激光器的基本特性第71页，课件共91页，创作于2023年2月例如：1cm宽的条形基质制造25个独立发射元，一条线阵可出百瓦。新垂直腔表面发射激光器功率不大，但可制造在同一晶片上成大规模二维阵列，是光通信与光二维计算机的重要器件。LD条形阵列第72页，课件共91页，创作于2023年2月1.3.5.

光纤激光器一）光纤激光器的特点（掺饵光纤放大器）1.光纤激光器结构简单，体积小巧，运行可靠，维护方便；2.光纤激光器可在低功率泵浦下实现连续稳定运转，耗能小，效率高；散热面积大，可风冷；3.光纤激光器的幅射波长由基质材料的稀土掺杂剂决定，选取泵浦效率高的短波长激光二极管作泵浦源，可实现红外激光输出；4.光纤激光器容易与光纤器件如调制器.耦合器.偏振器等相容；实现全光纤系统；5.光纤激光器输出功率高，光束模式好，接近衍射极限；第73页，课件共91页，创作于2023年2月二）光纤激光器工作原理三）双包层光纤激光器泵浦光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过纤芯，耦合效率高达70％第74页，课件共91页，创作于2023年2月掺镱Yb3+双包层光纤激光器光束质量好，转换效率高（80％），输出功率大（可达千瓦级），结构紧凑，稳定性极高，不受环境影响，长时间免维护；掺镱Yb3+光纤的光谱特性吸收谱很宽，发射谱也宽第75页，课件共91页，创作于2023年2月双包层光纤结构第76页，课件共91页，创作于2023年2月LDLDLDLDLDLD掺稀土离子光纤LDLDLDLDLDLD光栅1光栅2激光输出外界入射短波光作用纤芯，形成永久性折射率光栅，如同窄带滤光器或反射镜，起到选频.反馈和输出的作用。第77页，课件共91页，创作于2023年2月1）波长5mm,发散角小，聚焦能量密度比CO2激光高4倍;2）波长短，材料吸收率高，有利于激光加工;3）电效率高，比