固体激光器-第一讲.ppt

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1、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

2、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：①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%；②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%；③激活粒子的吸收效率取决于灯的发射、工作物质的

3、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%；④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η1：泵浦能级向激光上能级无辐射跃迁的概率η2：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A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A30A31§1.2固体激光器的基本特性A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能级

4、A31A30A31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1.06μmNd: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ηl：发光效率ηc：聚光器效率ηab：吸收效率v21：激光振荡频率vp：泵浦光频率T：输出镜透过率β：工作物质的内部损耗率σ21：受激发射截面α：工作物质的损耗系数l：工作物质的长度R：输出镜的反射率§1.3固体工

5、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

6、（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。1.53~1.66um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

7、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

8、+：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