固体激光器原理(固体激光器的特点及应用)

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固体激光器原理(固体激光器的特性和应用)

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第一章导言

激光是人类在上个世纪发明的最杰出的技术成就之一。自20世纪60年代梅曼制造出世界上第一台激光器以来,激光技术的发展硕果累累,已经广泛应用于人类社会的各行各业。

从固体激光器出现到今天,一直特别引人关注。由于它具有峰值功率高、输出能量大、结构紧凑耐用等特点,在各方面都有广泛的用途,价值不可估量。凭借这些优异的特性,固体激光器被广泛应用于科学研究、国防军工、工业生产、医疗卫生等领域,使我们的日常生活越来越精彩。

目前激光器的研究方向是全固态激光器,器件越来越小,器件越来越轻,效率更高,光束质量更好,可靠性更高,寿命更长,运行速度更快。全固态激光器的应用已经扩展到我们生活的各个领域。它是应用领域中最基本、最特殊、最主要的核心器件,已经成为我们日常活动中不可或缺的好帮手。它的结构、输出功率、转换效率和光束质量都有了很大的提高,具有强大的生命力。

全固态激光器结合了半导体激光器和固体激光器的特点,具有体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、操作灵活等优点,是激光器研究和发展的光明前景。它已广泛应用于科研、医疗、工业加工、军事等领域,是性能卓越的新一代绿色节能光源[1]。

如今,激光技能在各个领域的广泛应用,已经成为企业向信息技术转型不可或缺的驱动力,也促进了一个完整的高科技技能链的有序成长。据国外相关数据统计,国外激光产业发展蒸蒸日上,市场需求不断攀升,年增长率超过20%。如今,中国的激光市场稳步发展,增长迅速。统计报告显示,1999年中国激光产品市场销售额仅为14.13亿,2005年达到47.75亿。所以固体激光器的发展呈现出非常好的趋势,市场非常广阔,发展很大空。

第二章激光和激光

2.1激光

激光器(激光)

是指光在受激辐射作用下变强的现象,英文名为Laser。

2.1.2激光产生的条件

激光的产生有三个条件:

1)有一种能实现能级跃迁的工作介质,称为激活介质,它能使上、下能级处于粒子数反转状态;

2)存在用于提供光学反馈的光学谐振腔,其功能是延伸工作材料的长度,使得工作材料

进行连续受激辐射以加速光子;二是可以干扰激光的发射方向;三是掌握输出波长。

3)有将工质由低能级转化为高能级所需的能量,使激光达到产生的条件。

2.1.3激光的特性

激光产生的机理不同于普通光源,因此激光具有不同于普通光的特性:高指向性、单色性、相关性和高亮度[2]。

单色是指光的强度按其频率排列的方法。这个指标可以用扩频的宽度来衡量。频谱越宽,其性能越差。

方向性是指光可以按照要求在某个位置传播。这样我们就可以让光即使在很远的距离上也有很高的强度,这是光传播距离的一个指标。指向性越好,发光越远。

单色亮度是衡量光源发光能力的指标,其物理意义是光源在单位截面、带宽和立体角内的发射功率。

2.2激光器的产生和发展

20世纪20年代,阿尔伯特·爱因斯坦的光子受激辐射原理为激光的出现提供了巨大的支持。这个原理是指高能态的光子受到低能态光子的影响,变成低能态,发生第二个,和前面的光子一起发射[3]。

1951年,唐斯提出了微波激射器的概念。1954年,美国科学家托马斯和俄罗斯科学家普罗霍罗夫得到了氨分子的粒子束旋转现象,不久后他们发明了微波受激发射。

1956年,荷兰物理学家布洛姆伯根(Bloembergen)发明了粒子束可以通过光学泵浦三能级原子系统而反向排列的概念。

1958年,美国物理学家肖洛和汤斯通过谐振腔的作用得到了激光,俄罗斯科学家普罗霍罗夫也研制并获得了振荡器和放大器。这两项发明为激光的发明提供了巨大的支持。

1960年,美国物理学家麦曼在前人激光理论的基础上,研制出世界上第一台激光器。

1965年,人类历史上第一台CO2激光器在美国研制成功,这是世界上第一台能产生高功率的激光器。然后两年后,x光激光研制成功。目前,激光技能广泛应用于我们职业生涯的各个领域。

关于中国激光器的具体成功发展,从下面的表2.1中可以清楚地看到:

2.3激光器的类型

自20世纪60年代发明激光以来,这一领域的科学技能有了很大提高,现在各行各业都成功应用了激光技能。激光的种类很多,我们可以按照下面的分类手腕来分类:

1)工作物质:按照这种方法,我们可以把它们分为固体、气体、染料、半导体、光纤、自由功率等六种激光器。

2)鼓励法:根据这种方法,可分为光泵、化学泵、核泵三种激光器[4];

3)操作方法:按照这种方法可以分为连续、单脉冲、锁模、可调谐四种激光。

4)根据输出波长的长短来区分,包括红外激光、可见光激光、紫外激光和X射线激光。

如下表2.2所示:

表2 .2激光器的分类

第三章固体激光器

3.1固体激光器的工作原理和基本结构

这种激光器的工作原理是工作物质接受能量后达到激发态。为了让粒子束反转,坚持这个条件,供给体检,然后光放大再输出。这种激光器的结构如下图3.1所示:

1)工作材料aa

工作物质是激光器发挥作用不可缺少的关键部件。它由两部分组成:活化颗粒和基质。激光的许多主要性能参数是由激活粒子的能级结构决定的,而基质对材料的性能有重要影响。

2)泵系统

泵系统工作有两个前提条件:一是泵的发光功效必须满足系统的运行;第二,受激辐射的性质必须与工作物质的光谱性质一致。

我们还经常使用泵源,如太阳能、惰性气体和激光二极管。目前,惰性气体是最常用的泵源,太阳能常用于小功率器件。现在我们在这方面的技术正在向ld泵浦迈进,其突出的特点是相当显著的:光转换率强、功率高、稳定性好、安全可靠、应用时间长、体积小等。现在它已成为固体激光器发展中最有前途的泵浦源。

LD激光器可分为端面、侧面、侧面和混合泵浦[5]。图3.2显示了泵的端面和侧面结构。

3)冷凝系统

这部分有以下两个作用:一是将工质与泵送系统结合起来;第二个作用是对工质光密度的排列方式起决定性作用,进而可以干扰光束的各种参数和性能指标。冷凝腔由工质和泵源组成,因此泵的性能受冷凝腔的影响程度很大。目前一些比较小的固体激光器往往采用椭圆腔,如技术资源网3.3所示。

图3.3椭圆形聚光腔

4)光学谐振器

反射镜是固体激光器的一个非常重要的部件。反射镜的重要作用是通过坚持激光器的连续振荡来完成激光的产生,并抑制光束的振动方向和频率,从而达到激光器的高性能指标参数。

5)冷却和过滤系统

这部分是激光中最不可缺少的辅导设备。由于固体激光器工作时容易引起非常强烈的热效应,一般需要应用冷却方法。为了保证激光器和其他元件的安全,我们通常通过冷却来屏蔽工作物质、泵浦系统和聚光腔。目前有三种冷却方式:液体、气体和传导,但液体冷却方式是最受欢迎的应用之一。在获得高单色光的过程中,滤光系统起着重要的作用。其原理是可以成功地去除大部分泵浦光或有影响的光,从而获得高单色光。

3.2典型固态激光器

随着这类技能多年的积累,固体激光器的类型也多种多样,但我们最常使用的最主要的还是红宝石、Nd: YAG和二极管掺杂的固体激光器和可调谐固体激光器。

3.2.1红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)

红宝石是掺有少量Cr3+离子的蓝宝石(Al2O3),红宝石激光器的工作物质是红宝石晶体(Cr3+:Al2O3),其中Cr3+是发光激活粒子,属于三能级系统,决定了输出激光的光谱特性。而Al2O3是基质晶体[6]。下图3.4显示了红宝石中铬离子的能级结构。

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这种激光器具有以下优点:

1)激光器机械硬度高,稳定性好,可以接收高功率密度的激光,产生的光尺寸也大;

2)应用时间长,内存大,高能激光发射;

3)激光光谱大,容易获得高能量的单层薄膜;

4)性能稳定,可输出波长为400~760nm的光。

在我们的实际工程领域,这种激光器有很好的市场,因为大部分传感器都可以在可见光波长响应,很多稀土四能级工作波长也在400~760nm左右。

当然,任何事物都有两面性,必然会有缺陷:一是三级结构,需要搭建更大的门槛;其次,红宝石的特性用途对温度非常敏感;然后,它的激励频率比较低,导致它不能长时间工作;发散角的输出通常在三至十毫弧范围内,略大。

如下图3.5所示,这是我国第一台红宝石激光器,在光激发情况下处于世界领先地位。

3.2.2掺钕钇铝石榴石激光器(Nd3+:YAG)

这种激光器是四能级系统,工作效率高,应用时间长,工作阈值低,输出波长低,因此可以长时间工作。

其结构与之前的激光器基本相同。因为它的工作材料与其对应的光泵不同,所以可以长时间工作。

这种激光器的晶体以YAG为基础,掺入适量的Nd3+形成晶体结构。这种晶体具有许多优良的特性,如:导热效率更快,为激光器的连续运转创造了非常好的基础;三价稀土离子的钇铝石榴石晶体,熔点1970℃,能承受更大的辐射。它的荧光宽度只有6.5厘米,所以它的工作阈值很小。荧光量子的工作效率可以近似接近1,已经成为当前固体激光器中一种优良的工作材料。

它通常以氪灯作为泵浦光源。氪灯和氙灯的结构基本相同,不同的是它的灯管内充有大气压为2到4的氪气。

这种晶体属于四能级系统,可以通过荧光发射产生激光和三价稀土离子。图3.6给出了这种激光器的能级结构图。

当实现4F3/2-4I11/2,4F3/2-4I13/2,4F3/2-4I9/2能级之间的跃迁时,产生了三条不同的荧光谱线。如下图3.6所示,1.06um的谱线能量大于另外两个。所以1.06um首先达到阈值形成激光振荡。

图3.6

能级结构

3.2.3铒钇铝石榴石激光器

近年来,这类激光器因其特有的波长而引起了科学家们的普遍关注,并在医学应用中得到了广泛的应用,具有良好的发展前景。

这种激光器的基本结构类似于Nd3+:YAG激光器,通常采用脉冲氙灯泵浦。聚光腔为镀银单椭圆柱腔或双椭圆柱腔,但其光学元件必须与水汽隔离(不隔离激光束会损坏),因此需要将激光器密封在干燥的容器中[7]。

它具有较高的光学性能、较小的损耗、相当高的激光输出、稳定的物理和化学性质,并能以特殊的效率去除硬组织。图3.7示出了激光输出波长为2.94微米的Er:YAG激光器的跃迁能级图。

图3.7 er:YAG激光跃迁的能级图

可调谐固态激光器

这种激光器还有很多优秀的特点:它的内存更大,可以使存储时间更长;其应用时间长;或者二极管泵浦,后果非常显著;即使开关Q也能正常工作;产生的光束性能良好,谐波产生能力也较好。

可调谐固体激光器是指能够在一定范围内连续改变输出波长的固体激光器。我们可以分为两类[8]:一类是色心激光;一种是由掺杂过渡金属离子的激光晶体制成的可调谐激光器。

前者指的是工作物质为色心的晶体,色心是由于正负离子的缺失造成的。由于晶体振荡的干扰,其荧光线宽较大。

色心激光器调谐范围宽,0.6 ~ 3.65微米,线宽较窄,但大多只能在低温下工作。激光晶体包括祖母绿、Cr:GSGG和掺钛蓝宝石,其中性能最好的固体可调谐材料是钛蓝宝石[9]。

二极管泵浦的固态激光器

第一台二极管泵浦的固体激光器诞生于1962年。它不同于以往以闪光灯为泵浦源的固体激光器。它的泵浦源是LD,称为全固态激光器。这很重要,因为它的组成部分都是“固体”。其优点是显著的:光转换率高、功率大、稳定性好、安全可靠、使用寿命长、体积小等。

全固态激光器有很多种,可根据下表3.1进行分类:

3.3固态激光器的优点和缺点

固态激光器的优点:

1)它的能量输出大,峰值的功率也大。这一点很重要,因为它能级结构特殊,可以输出高能量、高功率的激光。这是它最突出的优点。

2)具有较高的物理机械强度和较低的制造成本。与其他种类的激光器相比,这种激光器结构简单、经济,生产成本较低。

3)需要的材料种类很多。目前,它的工作材料有100多种,而且有不断增加的势头。

随着科技的发展,越来越多的具有优良特性的原材料被创造出来,使得固体激光器的功能越来越好。

固态激光器的重要缺陷:

1)其热稳定性差,运行一段时间后产生大量热量。因为它的功率和能量输出比较大,非常容易造成系统发热量过大,所以需要给它设置一个冷却系统,这样激光器才能长时间运行。

2)与其他种类的激光器相比,其转换效率相对较低。红宝石激光器的工作转换效率一般在0.5%-1%之间,而Nd: YAG激光器的工作转换效率在1%-2%之间,3%是其极限。

3.4典型固态激光器的比较

不同类型的激光器有不同的特性,从不同的参考角度分析可以得出不同的结论。如下表3.2所示,我们可以根据工作物质不同、输出波长长短、能级结构不同、常用泵浦方式不同这四个方面来比较前面介绍的几种典型的固体激光器。

第四章固体激光器的应用

固体激光器因其功率高、机械工作简单而广泛应用于各行各业,并朝着更加发展的方向发展。下面将详细介绍其在工业生产、军事领域和生物医学中的应用。

4.1在工业加工中的应用

在工业加工领域,激光加工是最常见的应用场合。我们一般将其分为两类激光加工:光热加工和光化学反应加工,包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等[10]。。前者重要,是指通过激光束的照射,使物体表面产生热效应,进而达到预期的效果,如焊接、切割、性能改变、钻孔和小处置等。后者的原理是利用激光束投射,通过光子或光化学反应来处置物体。

1)激光切割

这种方法是利用光线聚集后产生非常强的能量,进而实现切割效果。在物体加工过程中,由于这种方法可以大大降低工人的劳动强度和成本,保证加工物体的质量,因此得到了广泛的应用。

2)激光焊接

这种技巧是激光在物体加工过程中最常用的方法。整个过程属于热传导型,即通过激光器产生的高热激光加热物体表面,然后通过传导使被加工物体达到预期的效果。

由于其独特的优点,它已被频繁地用于小规模的焊接工作。与其他焊接方法相比,它具有焊接效率高、质量好、能在常温下焊接的显著优点,其设备结构也相对简单。

3)激光钻孔

随着人们对电子产品小型化需求的发展,要求我们的电子电路走向集成化。但是这个技能需要在电路板上安装越来越多的微过孔和盲孔。然而,我们传统的手工加工方法无法达到预期的精度,随着激光打孔技术的发展,这一问题得到了很好的解决,具有良好的应用前景。

4.2军事类别的应用

如今,固体激光器在军事工业中的应用也呈现出日益发展空的时期,被视为军事工业发展过程中的最后一个激光器。直到1990年,有专家研制出大功率LD激光器,使激光器在军事上大显身手。如图4.1所示,诺斯罗普公司的格鲁曼公司研制的高功率固体激光器。由于激光器的输出波长较小,在空气体中可以很好的传输,进而可以满足远距离作战的应用要求。而且它的体积比较小,应用起来特别方便,工作效率高,后期的保护和保障也相当容易,可以在各种平台上操作。在具体应用中,固态激光器比常规武器更受欢迎,比如军用专用测距仪、具有导航效果的炸弹等。

而且发展成定向武器的可能性很大,可用于导弹防御、防控、军舰自卫。

激光在军事领域的成功应用极大地改变了战场态势,并且随着技能的发展,可以实现模块化批量生产,这使得它在军事领域的应用速度更快,甚至可以成为单边作战的主要组成部分。

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激光在未来的作战应用中占有非常重要的地位,可以在反探测、掩护、清除障碍物等方面起到非常好的作用。下图4.2是美军激光武器的错觉后果图:

在早期的军事领域,激光被用于测量距离和战斗中的照明效果。红宝石激光测距仪在上世纪60年代制造成功后,次年成功应用于军事领域。

4.3在生物医学中的应用

在医学领域的成功应用始于眼科手术。1962年,人们第一次用激光将视网膜和眼球连接起来,这样不用切开眼球就能达到治疗效果。

固体激光器在生物医学领域的应用包括医学研究工具、激光诊断和激光治疗。

1)医学研究工具

在学习医学病理学、生理学、生物化学的过程中,我们可以用固态激光器的激光照射每一个细胞,从而探索细胞的生理,也可以用激光做细胞手术。现在固体激光器已经成为研究人员研究遗传学和胚胎学实验的一个非常重要的装置。

2)激光诊断

该试验方法可用于活体组织的内部检测。因此,它在人类手指、牙齿和儿童脑积水中有很好的应用。例如,现在科学家们正在讨论应用能量为400焦耳、输出宽度为半毫米的激光来检测牙齿。

用激光检测血流中的药物含量时,可以在不干扰血药的情况下成功测量。

在对生物组织进行定量测试时,我们可以简单地通过测量被测对象身体各部位的细胞成分来复习对象中的元素成分。

3)激光治疗

在激光治疗过程中,现在最常用的方法是使用激光凝固器。术中可以通过激光刀的作用对体内的手术部位进行处理,这样可以很好的减少血容量的流失,后期恢复更快,不受干扰等。红宝石激光对于视网膜、青光眼和巩膜的手术也非常方便。红宝石激光器不仅是世界上第一台激光器,也是最早用于医疗的激光器[11]。而且由于它的工作波长是可见光刻度,不适合与血红蛋白相互作用,所以非常适合各种色素引起的疾病。

Nd3+:YAG激光广泛应用于生物医学治疗。因为这种激光器具有很多优良的特性:转换效率高,激光输出功率超高,其中单晶工作时激光输出功率可高达100瓦,与CO2激光相比,具有更好的止血和凝血效果。所以在医学领域经常充当手术刀,其作用是在解剖血管丰富的组织时产生极低的血量。这种激光器可以输出脉冲能量相当大的激光,在水和血红蛋白中很难接收到激光,因此可以穿透到深层组织。

由于Nd3+:YAG激光通过倍频技术可以获得波长为532nm的绿光,且穿透力较浅,一般仅限于治疗较浅的血管病变。此外,倍频Nd3+:YAG激光还可广泛用于胃出血和血管瘤的治疗及显微外科手术,对红色染料颗粒引起的纹身、嘴唇等人工皮肤色素变异也有一定的治疗效果[12]。下图4.3是激光手术示意图。

图4.3激光手术示意图

第五章展望

固体激光器具有体积小、效率高、寿命长、覆盖带长、坚固耐用、激光加工方式多样、应用方便、输出功率高等优良特性。它是以掺有少量激活离子的晶体、玻璃或陶瓷为工作物质的激光器[13]。从1960年世界上第一台固体激光器诞生到现在的大功率全固态激光器,固体激光技术发展迅猛,百花齐放。为了跟上新环境下的应用要求,固体激光器必须向适用性、高效率、商品化方向转移,即向全固化、输出激光的脉冲和波长及其短方向转移,目前已经取得了非常好的成绩。首先,增益介质得到改善。第一种增益介质是红宝石,其次是钕玻璃、掺钕钇铝石榴石和掺钕镓钆石榴石,现在新型激光材料的基体是陶瓷。其次,我们对泵浦光源做了很多改进。泵浦源从以前的闪光灯、弧光灯变成了现在的LD泵浦,获得的输出功率越来越大。第三,增益介质的结构也有了很大的改进,从传统的棒条结构发展到现在的盘纤结构。

如今,虽然固体激光器已经取得了许多令人钦佩的成就,但许多技术仍不成熟,可靠性有待研究人员进一步增强。目前激光器市场最有前景的发展方向是器件越来越小,器件越来越轻,效率更高,光束质量更好,可靠性更高,寿命更长,运行速度更快的全固态激光器。

全固态激光器已经广泛应用于各个领域。它的结构、输出功率、转换效率和光束质量都有了很大的提高,具有强大的生命力。随着国家相关政策对一些激光技能的大力扶持,很多技能会从研究转化为产业化,最终应用到我们的日常运动中。

固体激光器原理(固体激光器的特点及应用)