1、哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:1第第1章章固体激光器的基本原理与特性固体激光器的基本原理与特性固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:21.1 引言引言694.3nm红光红光固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:31.1 引言引言u 固体激光器应用：固体激光器应用：u 固体激光器主要特点：固体激光器主要特点：固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:41.2 固体激光器的基本特性固体激光器的基本特性 固体激光器的基本组成：固体激
2、光器的基本组成：1.激光工作物质激光工作物质2.泵浦源泵浦源3.聚光腔聚光腔4.谐振腔谐振腔5.冷却与滤光冷却与滤光固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:51.2 固体激光器的基本特性固体激光器的基本特性固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:61.2 固体激光器的基本特性固体激光器的基本特性 荧光量子效率荧光量子效率012 亚稳态发射的荧光光子数量子效率工作物质从光泵吸收的光子数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A21 B12 B21
3、E2S32E1W13E3a)三能级A31A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A30A31固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:73213231SSA三能级=+1.2 固体激光器的基本特性固体激光器的基本特性321323031SSAA四能级=+2122121AASA21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21 B12 B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A30A31固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:81.2 固体激光器的基本特性固体激光器的基本特性
4、lpvv,lp激光频率泵浦光频率固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:91.2 固体激光器的基本特性固体激光器的基本特性 激光器的输出特性激光器的输出特性激光器的输出功率（能量）激光器的输出功率（能量）激光器的效率激光器的效率固体激光器的阈值固体激光器的阈值()2121inthlcabpTPPPT outoutl：发光效率：发光效率 c：聚光器效率：聚光器效率 ab：吸收效率：吸收效率 v21：激光振荡频率：激光振荡频率 vp：泵浦光频率：泵浦光频率 T：输出镜透过率：输出镜透过率：工作物质的内部损耗率：工作物质的内部损耗率(ln)21211112
5、ththgnlR21：受激发射截面：受激发射截面：工作物质的损耗系数：工作物质的损耗系数 l：工作物质的长度：工作物质的长度 R：输出镜的反射率：输出镜的反射率 固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:101.3 固体工作物质固体工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:111.3 固体工作物质固体工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:121.3 固体工作物质固体工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Pa
6、ge:131.3 固体工作物质固体工作物质1.稀土离子稀土离子固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:141.3 固体工作物质固体工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:151.3 固体工作物质固体工作物质二、基质材料（为激活离子提供合适的配位场）：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：适合作为激光离子的基质晶体的选择原则：固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:161.3 固体工作物质固体工作物质晶体：晶体：1
7、.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。2.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。固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术
8、系Page:171.3 固体工作物质固体工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:181.3 固体工作物质固体工作物质玻璃：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）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。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）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。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、
9、板条状、片状，较晶体易于）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。加工，适应于各种器件结构。常用的是硅酸盐和磷酸盐玻璃。常用的是硅酸盐和磷酸盐玻璃。固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:191.3 固体工作物质固体工作物质 掺杂浓度掺杂浓度 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。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。掺杂浓度过
10、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。因此，存在一最佳掺杂浓度。固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:201.3 固体工作物质固体工作物质工作物质的劣化与破坏工作物质的劣化与破坏固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:211.3 固体工作物质固体工作物质几种典型的激光工作物质几种典型的激光工作物质 红宝石红宝石在蓝宝石中掺入少量在蓝宝石中掺入少量Cr2O3，Cr3+取代部分取代部分Al3+固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:22
11、1.3 固体工作物质固体工作物质Cr3+的吸收光谱的吸收光谱吸收谱线：吸收谱线：410nm，550nm发射谱线：发射谱线：694.3nm，692.9nm固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:231.3 固体工作物质固体工作物质红宝石晶体的优缺点：红宝石晶体的优缺点：固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:241.3 固体工作物质固体工作物质Nd：YAG固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:251.3 固体工作物质固体工作物质Nd3+:为激活离子为激活离子激光波
12、长：激光波长：4F3/24I9/2：914nm4F3/24I11/2：1064nm4F3/24I13/2：1342nm固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:261.3 固体工作物质固体工作物质0.81m0.75m0.58m固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:271.3 固体工作物质固体工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:281.3 固体工作物质固体工作物质钕玻璃钕玻璃 某种型号的玻璃掺入某种型号的玻璃掺入Nd2O3制成。制成。中心波长：0.92u
13、m，1.06um，1.37um固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:291.3 固体工作物质固体工作物质红宝石红宝石Nd:YAGNd:Glass掺杂浓度掺杂浓度1.58E19(cm-3)1.38E20(cm-3)3E20(cm-3)受激辐射截面受激辐射截面2.5E-20(cm2)88E-20(cm2)3.0E-20(cm2)荧光峰值波长荧光峰值波长694.3nm1064nm1062.31062.4nm荧光寿命荧光寿命3.0ms230us0.60.9ms热导率热导率0.4210-6/K0.1310-6/K0.01210-6/K谱线线宽谱线线宽11(c
14、m-1)5.3(埃埃)4.5(埃埃)250cm-1280.9(埃）埃）固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:301.4 工作物质的热效应工作物质的热效应A21 B12 B21E2S32W03E3A30A31固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:311.4 工作物质的热效应工作物质的热效应激光棒内的温度分布激光棒内的温度分布在热平衡状态下，在热平衡状态下，忽略冷却介质沿轴向的微小温度变化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认为热流主要沿棒的径向传导热传导方程：热传导方程：2210d
15、 TdTQdrr drKT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。rr0固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:321.4 工作物质的热效应工作物质的热效应固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:331.4 工作物质的热效应工作物质的热效应 激光棒中的热应力激光棒中的热应力力力应应力力：面面积积ll应应变变：E虎虎克克定定律律：横横向向应应变变泊泊松松比比：纵纵向向应应变变ll T热膨胀线膨胀系数固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:34
16、1.4 工作物质的热效应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，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：依据前述温度分布和热弹理论的结论，应力可用下式表示：00220002200020011()()111()()()12()()1rrrrrrzET r rdrT r rdr rrET r rdrT r rdrT r rrET r rdrT r r径向：径向：切向：切向：轴向：轴向：固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:351.4 工作物质的热效应工作物质的热
17、效应固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:361.4 工作物质的热效应工作物质的热效应 激光棒的热应力双折射激光棒的热应力双折射 激光棒的热透镜效应激光棒的热透镜效应()(0)()()Tn rnn rn r温度差引起的温度差引起的折射率变化折射率变化热应力引起的热应力引起的折射率变化折射率变化固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:371.4 工作物质的热效应工作物质的热效应232220,1()(0)(0)1422(0)r nQ dnQn rnrnCrnrK dTKn固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学
18、与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:381.4 工作物质的热效应工作物质的热效应热效应的消除和补偿热效应的消除和补偿 冷却冷却 光学补偿光学补偿 非圆柱工作物质非圆柱工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:39 冷却冷却 液体冷却液体冷却,气体冷却气体冷却,传导冷却传导冷却1.4 工作物质的热效应工作物质的热效应固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:401.4 工作物质的热效应工作物质的热效应固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:411.4
19、工作物质的热效应工作物质的热效应固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:421.4 工作物质的热效应工作物质的热效应 光学补偿光学补偿固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:431.4 工作物质的热效应工作物质的热效应采用非圆柱工作物质采用非圆柱工作物质固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:441.4 工作物质的热效应工作物质的热效应 盘状激光器盘状激光器 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激光工作物质为圆片，增大了散热面积，使热能朝光传播方
20、向流动，大大减轻了热效应流动，大大减轻了热效应。固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:451.4 工作物质的热效应工作物质的热效应固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:461.4 工作物质的热效应工作物质的热效应Diode laserDiode laserNd:YLF LasercrystalCylinder lensLaserbeamPumpbeam 板条激光器板条激光器 固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:471.4 工作物质的热效应工作物质的热效应固
21、 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:481.4 工作物质的热效应工作物质的热效应二极管泵浦的固体激光器二极管泵浦的固体激光器 泵浦波长与吸收波长的匹配泵浦波长与吸收波长的匹配 闪光灯发射近紫外到红外的全谱光，激光工作物质的吸收线闪光灯发射近紫外到红外的全谱光，激光工作物质的吸收线宽往往很窄，因此，绝大部分泵浦光没有得到充分利用，这宽往往很窄，因此，绝大部分泵浦光没有得到充分利用，这也是灯泵激光器效率低的主要原因。未吸收的泵浦光对激光也是灯泵激光器效率低的主要原因。未吸收的泵浦光对激光工作物质加热。工作物质加热。二极管激光器发射激光线宽二极管激光器发
22、射激光线宽3nm，可与激光工作物质的吸，可与激光工作物质的吸收线宽很好的匹配，因此收线宽很好的匹配，因此LD泵浦的固体激光器效率高，产泵浦的固体激光器效率高，产生的废热少。生的废热少。振荡光与泵浦光的模式匹配。振荡光与泵浦光的模式匹配。灯泵浦固体激光器的转换效率只有3%6%，而LD泵浦固体激光器的光-光转换效率可高达50%以上；固 体 激 光 器哈工大光电子信息科学与技术系哈工大光电子信息科学与技术系Page:49关于光谱匹配关于光谱匹配87588088502000400060008000100001200014000160002.8nm Intensity(a.u.)Emitting wavelength of diode laser(nm)8708758808858908950510152.3 nm888.0 nm1.8 nm polarization polarizationabsorption coefficient(cm-1)wavelength(nm)879.4 nm 半导体激光器的发射光谱半导体激光器的发射光谱Nd:GdVO4晶体的吸收光谱晶体的吸收光谱
