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固體激光器工作原理及應用趨勢介紹

文章來(lái)源:深圳市眾聯(lián)激光智能裝備有限公司人氣:2877發(fā)表時(shí)間:2016-07-08

  OFweek激光網(wǎng)訊:固體激光器用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器。1960年,T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器,也是世界上第一臺激光器。固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構成。

  這類(lèi)激光器所采用的固體工作物質(zhì),是把具有能產(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子摻入晶體而制成的。在固體中能產(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子主要有三類(lèi):(1)過(guò)渡金屬離子(如Cr3+);(2)大多數鑭系金屬離子(如Nd3+、Sm2+、Dy2+等);(3)錒系金屬離子(如U3+)。這些摻雜到固體基質(zhì)中的金屬離子的主要特點(diǎn)是:具有比較寬的有效吸收光譜帶,比較高的熒光效率,比較長(cháng)的熒光壽命和比較窄的熒光譜線(xiàn),因而易于產(chǎn)生粒子數反轉和受激發(fā)射。用作晶體類(lèi)基質(zhì)的人工晶體主要有:剛玉(NaAlSi2O6)、釔鋁石榴石(Y3Al5,O12)、鎢酸鈣(CaWO4)、氟化鈣(CaF2)等,以及鋁酸釔(YAlO3)、鈹酸鑭(La2Be2O5)等。用作玻璃類(lèi)基質(zhì)的主要是優(yōu)質(zhì)硅酸鹽光學(xué)玻璃,例如常用的鋇冕玻璃和鈣冕玻璃。與晶體基質(zhì)相比,玻璃基質(zhì)的主要特點(diǎn)是制備方便和易于獲得大尺寸優(yōu)質(zhì)材料。對于晶體和玻璃基質(zhì)的主要要求是:易于摻入起激活作用的發(fā)光金屬離子;具有良好的光譜特性、光學(xué)透射率特性和高度的光學(xué)(折射率)均勻性;具有適于長(cháng)期激光運轉的物理和化學(xué)特性(如熱學(xué)特性、抗劣化特性、化學(xué)穩定性等)。晶體激光器以紅寶石(Al2O3:Cr3+)和摻釹釔鋁石榴石(簡(jiǎn)寫(xiě)為YAG:Nd3+)為典型代表。玻璃激光器則是以釹玻璃激光器為典型代表。


  固體激光器工作物質(zhì)

  固體激光器的工作物質(zhì),由光學(xué)透明的晶體或玻璃作為基質(zhì)材料,摻以激活離子或其他激活物質(zhì)構成。這種工作物質(zhì)一般應具有良好的物理-化學(xué)性質(zhì)、窄的熒光譜線(xiàn)、強而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。

  玻璃激光工作物質(zhì)容易制成均勻的大尺寸材料,可用于高能量或高峰值功率激光器。但其熒光譜線(xiàn)較寬,熱性能較差,不適于高平均功率下工作。常見(jiàn)的釹玻璃有硅酸鹽、磷酸鹽和氟磷酸鹽玻璃。80年代初期,研制成功折射率溫度系數為負值的釹玻璃,可用于高重復頻率的中、小能量激光器。

  晶體激光工作物質(zhì)一般具有良好的熱性能和機械性能,窄的熒光譜線(xiàn),但獲得優(yōu)質(zhì)大尺寸材料的晶體生長(cháng)技術(shù)復雜。60年代以來(lái)已有300種以上摻入各種稀土金屬或過(guò)渡金屬離子氧化物和氟化物晶體實(shí)現了激光振蕩。常用的激光晶體有紅寶石(Cr:Al2O3,波長(cháng)6943埃)、摻釹釔鋁石榴石(Nd:Y3Al5O12,簡(jiǎn)稱(chēng)Nd:YAG,波長(cháng)1.064微米)、氟化釔鋰(LiYF4,簡(jiǎn)稱(chēng)YLF;Nd:YLF,波長(cháng)1.047或1.05微米;Ho:Er:Tm:YLF,波長(cháng)2.06微米)等。

  1973年以來(lái)又有一類(lèi)自激活激光晶體。它的激活離子是晶體的一個(gè)化學(xué)組分,因而激活離子濃度高,不致產(chǎn)生熒光猝滅。這種晶體的激光增益高,抽遠閾值低。主要品種有五磷酸釹(NdP5O14)、四磷酸鋰釹(NdLiP4O12)和硼酸鋁釹(NdAl3(BO4)3)等。它們多用熔鹽法生長(cháng),晶體尺寸小,可用于小型固體激光器。

  已研制成的還有多種具有寬帶熒光特性的可調諧激光晶體,如終端聲子躍遷的金綠寶石(Cr:BeAl2O4,波長(cháng)0.701~0.815微米,室溫工作)、摻鎳氟化鎂(Ni:MgF2,波長(cháng)1.6~1.8微米,低溫工作)、5d→4f躍遷的摻鈰氟化釔鋰(Ce:YLF,波長(cháng)0.306~0.315微米,用準分子激光器激勵,室溫工作)和堿鹵化物的色心激光晶體(不摻雜或摻雜的氯化鉀、氟化鋰等,波長(cháng)0.8~3.9微米,大多在低溫下工作)。


  固體激光器激勵源

  固體激光器以光為激勵源。常用的脈沖激勵源有充氙閃光燈;連續激勵源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。在小型長(cháng)壽命激光器中,可用半導體發(fā)光二極管或太陽(yáng)光作激勵源。一些新的固體激光器也有采用激光激勵的。

  固體激光器由于光源的發(fā)射光譜中只有一部分為工作物質(zhì)所吸收,加上其他損耗,因而能量轉換效率不高,一般在千分之幾到百分之幾之間。


  固體激光器特性

  固體激光器可作大能量和高功率相干光源。紅寶石脈沖激光器的輸出能量可達千焦耳級。經(jīng)調Q和多級放大的釹玻璃激光系統的最高脈沖功率達10瓦。釔鋁石榴石連續激光器的輸出功率達百瓦級,多級串接可達千瓦。

  固體激光器運用Q開(kāi)關(guān)技術(shù)(見(jiàn)光調制),可以得到納秒至百納秒級的短脈沖,采用鎖模技術(shù)可得到皮秒至百皮秒量級的超短脈沖。

  由于工作物質(zhì)的光學(xué)不均勻性等原因,一般固體激光器的輸出為多模。若選用光學(xué)均勻性好的工作物質(zhì)和采取精心設計諧振腔等技術(shù)措施,可得到光束發(fā)散角接近衍射極限的基橫模(TEM00)激光,還可獲得單縱模激光。


  固體激光器應用和趨勢

  固體激光器在軍事、加工、醫療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。它常用于測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調諧染料激光器的激勵源。

  固體激光器的發(fā)展趨勢是材料和器件的多樣化,包括尋求新波長(cháng)和工作波長(cháng)可調諧的新工作物質(zhì),提高激光器的轉換效率,增大輸出功率,改善光束質(zhì)量,壓縮脈沖寬度,提高可靠性和延長(cháng)工作壽。

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