c5.1固体激光器课件.ppt

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1、§5.4半导体激光器§5.3染料激光器§5.5其他激光器第五章典型激光器介绍§5.2气体激光器§5.1固体激光器1960年7月，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，标志了激光技术的诞生。694.3nm红光§5.1固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。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，

2、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。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。§5.1固体激光器§5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器的基本结构图5-1固体激光器的基本结构示意图激光工作物质泵浦系统谐振腔冷却系统滤光系统长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)固体激光器的基本结构激光二极管端面泵浦固体激光器结构示意图激光二极管侧面泵浦固体激光器结构示意图§5.1.1固体激光器的基本结构与工作物

3、质二、固体激光器的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。固体激光工作物质：在晶体、玻璃等固体基质材料中掺入少量金属离子（如Nd3+，Yb3+，Tm3+，Ho3+等）实现固体激光工作物质的组成：激活离子和基质激活离子决定固体激光的能级结构、荧光寿命和激光特性

4、，激光跃迁发生在激活离子的不同能级之间基质材料决定激光工作物质的光学、热学和机械性能固体激光器的工作物质固体激光器的工作物质1、红宝石晶体红宝石晶体是在Al2O3中掺入少量的Cr2O3由Cr3+部分取代Al3+而成，其激活离子是Cr3+（铬）化学表达式：Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体提拉法生长可以获得大尺寸晶体几种典型固体激光工作物质激光性质主要取决于Cr3+激光上能级：2E，能级寿命3ms（亚稳态）2E分裂成两个子能级和2，向基态跃迁时产生692.9nm(R2线)和694.3nm(R1线)的自发辐射激光下能级是基态能级，为三能级系统红宝石晶体能级结构图(5-

5、3)红宝石中铬离子的能级结构图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石晶体的吸收光谱吸收特性与光的偏振状态有关（各向异性导致）红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带：紫带（或称U带）：中心波长位于410nm附近，对应于4A2向4F1能级的跃迁绿带（或称Y带）：中心波长550nm附近，对应于4A2向4F2能级的跃迁图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构红宝石晶体的荧光光谱红宝石晶体有两条强荧光谱线：R1线,R2线R1线：中心波长694.3nm，对应于-4A2的自发辐射跃迁R2线：中心波长692.9nm，对应于2-4A2的自发辐射跃迁红宝石激光器通常只产生694.3nm的辐射，原

6、因激光上能级和2上的粒子数服从玻尔兹曼分布R1线的荧光强度高于R2线，使得R1线的受激辐射机率高于R2线红宝石晶体的主要特点优点：机械强度和化学稳定性高，可承受高功率密度；亚稳态寿命长，储能大，易获得大能量单模输出；荧光谱线宽；低温性能优良；输出可见光；缺点：三能级系统，阈值高；性能随温度变化明显，随着温度的升高，波长向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，室温下不适于连续和高重复频率运转。2、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)晶体将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。是在钇铝石榴石（Y3Al5O1

7、2）中掺少量的Nd2O3，由Nd3+取代Y3+得到。Nd3+是三价稀土离子中最早用于激光的。化学表达式：Nd3+:Y3Al5O12(Nd:YAG)各向同性晶体几种典型固体激光工作物质Nd3+:YAG晶体的吸收光谱在紫外、可见光和红外区内有5条强吸收带Nd3+:YAG晶体的能级结构四能级系统激光波长：4F3/2~4I9/2：946nm4F3/2~4I11/2：1064nm4F3/2~4I13/2：1319nmNd3+:YAG晶体的主要特点优点：四能级系统阈值低，优良的热学特性可用于连续和高重复频率工作3、掺钕钒酸钇(Nd3+:YVO4)晶体