固体激光器基本原理以及应用.ppt

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1、固体激光器原理及应用自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20世纪80年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器已有500余种，但从1998年开始，固体激光器中的Nd:YAG激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。传统的固体YAG激光器，通常由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。另一方面整个激光器需要庞大的制冷系统

2、，体积很大。泵浦灯的寿命约为300到1000小时，操作人员需花很多时间频繁的换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低，间接提高了生产成本。因此技术上没有大的发展空间。现在国际上的激光厂家已经淘汰了中小功率灯泵浦固体激光器的生产和研发，将来随着大功率的二极管、光纤激光器的研发和应用，成本的下降，灯泵浦固体激光器将会逐步淘汰。这是固体激光器的发展方向。一、三类固体激光器的特性比较特性光纤激光器二极管泵浦固体激光器灯泵浦固体激光器工作方式连续或脉冲连续或脉冲连续或脉冲辐射波长（纳米）532,1070,1800-2000532,10601060输出功率/能量高

3、达2KW/高达1mJ高达2KW/高达60mJ高达5KW/高100J电光转换效率高达20%高达20%低于6%光束质量基模光斑细基模或多阶模光斑较细基模或多阶模光斑粗功率/能量稳定性<1.5%<3%<3%冷却方式风冷风冷或水冷水冷可靠性最佳较好较差维护周期无需维护无需维护300小时使用寿命大于10万小时大于1.5万小时大于3百小时系统体积小巧紧凑较小较大光纤传输单模光纤多模光纤多模光纤设备成本较高较高较低运行成本较低一般较高技术最新新旧与传统灯泵浦固体激光器比较，全固化固体激光器具有以下优点：1)转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合

4、，加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达50％以上,光纤达80%，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而全固化固体激光器可省去笨重的水冷系统，体积小，重量轻，结构紧凑，易于系统集成，性能价格比高。2)性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达15000小时以上，而闪光灯的寿命只有300-1000小时。激光二极管的泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。3)输出光束质量好：由于二极管泵浦

5、激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近理论极限M2=1。二、全固化固体激光器结构及特点全固化固体激光器可分为两类：二极管泵浦固体激光器和光纤激光器。现将其结构和特点分别叙述如下。1.二极管泵浦固体激光器激光二极管泵浦固体激光器的种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状的。而泵浦的耦合方式又分为直接端面泵浦、光纤耦合端面泵浦和侧面泵浦三种结构。泵浦所用的激光二极管或激光二极管阵列出射的泵浦光，经由会聚光学系统将泵浦光耦合到晶体棒上，在晶体棒的泵

6、浦耦合面上为减少耦合损失而镀有对激光二极管波长的增透膜。同时，该端面也是固体激光器的谐振腔的全反端，因而端面的膜也是输出激光的谐振腔，起振后产生的激光束由输出镜耦合输出。二极管直接和光纤耦合端面泵浦固体激光器与灯泵浦和侧面泵浦两种泵浦方式相对比，端面泵浦的效率最高。其原因为：在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光的模式也比较好，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质用泵浦光的利用率也相对高一些。直接端面泵浦激光器然而，端面泵浦虽然效率高，但固体激光的输出功率受端面

7、限制，因为端面较小时只能采用单元的激光二极管，这就限制了泵浦光的最大功率。如果采用功率较大的激光二极管阵列作泵浦源，则由于阵列型二极管输出的泵浦光模式不好，因而不易将泵浦光有效地耦合到工作物质中，实际上降低了效率。而且由于泵浦光的模式较为复杂，泵浦后输出的1.06μm激光的光束质量也不易保证。针对这一弱点，人们又进一步发展了光纤耦合的端面泵浦和侧面泵浦方式。端面泵浦激光器由激光二极管、两个聚焦系统、耦合光纤、工作物质和输出反射镜组成。与直接端面泵浦不同，这种结构首先把激光二极管发射的光束质量很差的激光耦合到光纤中，经过一段光纤传输后，从光纤中出射的光束变成发散

8、角较小的、圆对称的、中间部分光强最大的