1、固體激光器原理-固體激光器【各位讀友，本文僅供參考，望各位讀 者知悉，如若喜歡或者需要本文，可點(diǎn) 擊下載下載本文，謝謝！】祝大家工作順利】固體激光器發(fā)展歷程固體激光器發(fā)展歷程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，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(tái)激光器。固體激光器一般由 激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源、聚光腔、諧振 腔反射鏡和電源等部分構(gòu)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；（2）大多數(shù)鐲系金 屬離子；（3）軻系金屬離子。這些摻雜到

2、 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，深圳市 星鴻藝激光科技有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光 打標(biāo)機(jī)，激光焊接機(jī)，深圳激光打標(biāo)機(jī), 東莞激光打標(biāo)機(jī)比較高的熒光效率，比 較長(zhǎng)的熒光壽命和比較窄的熒光譜線， 因而易于產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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、鈕鋁石榴石、鴇酸鈣、氟化鈣等， 以及鋁酸鈕、鍍酸鋪I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 常用的鋼冕玻璃和鈣冕玻璃。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(duì)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；http:/具有 良好的光譜特

3、性、光學(xué)透射率特性和高 度的光學(xué)均勻性；具有適于長(zhǎng)期激光運(yùn) 轉(zhuǎn)的物理和化學(xué)特性。晶體激光器以紅 寶石和摻鉉鈕鋁石榴石為典型代表。玻 璃激光器則是以鉉玻璃激光器為典型代 表。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(gòu)成。這種工作 物質(zhì)一般應(yīng)具有良好的物理一化學(xué)性 質(zhì)、窄的熒光譜線、強(qiáng)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。但其熒光譜線較寬，熱性能 較差，不適于高平均功率下工作。常見(jiàn) 的鉞玻璃有硅酸鹽、磷酸鹽和氟磷酸鹽 度系數(shù)為負(fù)值的鉞玻璃，可用于高重復(fù) 頻率的中、小能量

4、激光器。晶體激光工作物質(zhì)一般具有良 好的熱性能和機(jī)械性能，窄的熒光譜線， 但獲得優(yōu)質(zhì)大尺寸材料的晶體生長(zhǎng)技術(shù) 復(fù)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(xiàn)了激光振蕩。常用的激 光晶體 有紅寶石（Cr:Al2O3，波長(zhǎng)6943 埃）、摻鉉鈕鋁石榴石、氟化鈕鋰（LiYF4, 簡(jiǎn)稱(chēng) YLF;Nd:YLF, 波長(zhǎng)或微 米;Ho:Er:Tm:YLF,波長(zhǎng)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(yuǎn)閾 值低。主要品種有五磷酸鉞（NdP5O14）、四磷酸鋰

5、鉞 （NdLiP4O12）和硼酸鋁鉉等。它們多用熔 鹽法生長(zhǎng)，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(diào)諧激光晶體，如終端聲子躍遷 的金綠寶石、摻饃氟化鎂、5d-4f躍遷 的摻鋪氟化鈕鋰和堿鹵化物的色心激光 晶體。激勵(lì)源固體激光器以光為激勵(lì)源。常用的 脈沖激勵(lì)源有充微閃光燈；連續(xù)激勵(lì)源 有氟弧燈、碘鴇燈、鉀鋤燈等。在小型 長(zhǎng)壽命激光器中，可用半導(dǎo)體發(fā)光二極管或太陽(yáng)光作激勵(lì)源。一些新的固體激 光器也有采用激光激勵(lì)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(zhuǎn)換效率不高，一般 在千分之幾到百分之幾之間。特性固體激光器可

6、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(dá)千焦耳級(jí)。經(jīng)調(diào)Q和多級(jí)放大的鉉 玻璃激光系統(tǒng)的最高脈沖功率達(dá)10瓦。 鈕鋁石榴石連續(xù)激光器的輸出功率達(dá)百 瓦級(jí)，多級(jí)串接可達(dá)千瓦。固體激光器運(yùn)用Q開(kāi)關(guān)技術(shù),可以得 到納秒至百納秒級(jí)的短脈沖，采用鎖模 技術(shù)可得到皮秒至百皮秒量級(jí)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(shè)計(jì)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。應(yīng)用和趨勢(shì)固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和 科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。它常用于 測(cè)距、跟蹤、

7、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、 半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大 氣檢測(cè)、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(diào) 諧染料激光器的激勵(lì)源。固體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是材料和器 件的多樣化，包括尋求新波長(zhǎng)和工作波 長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的 轉(zhuǎn)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(zhǎng) 工作壽命等。固體激光器原理及應(yīng)用固體激光器原理及應(yīng)用摘要：固體激光器目前是用最廣泛 的激光器之一，它有著一些非常突出的 優(yōu)點(diǎn)。本論文先從基本原理和結(jié)構(gòu)介紹 固體激光器，最后介紹其在監(jiān)測(cè)，檢測(cè), 制造業(yè)，醫(yī)學(xué)，航天等五個(gè)方面的應(yīng)用及未

8、來(lái)的發(fā)展方向?；驹黻P(guān)鍵詞：固體激光器 基本結(jié)構(gòu)應(yīng)用1激光與激光器激光 激光激光是在1960年正式問(wèn)世的。但是，激光的歷史卻已有 100多年。確切地說(shuō)，遠(yuǎn)在1893年，在波爾多一所中學(xué) 任教的物理教師布盧什就已經(jīng)指出，兩 面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線 隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化他雖然不能解釋這一點(diǎn)，但為未來(lái)發(fā)明 激光發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極為重要的現(xiàn)象。1917年愛(ài)因斯坦提出“受激輻射 ”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。激光，又 稱(chēng)鐳射，英文叫“LASER,是“LightAmplification by Stimu latad Emission of Radiation的縮寫(xiě)，意思是受激發(fā)射的

9、輻 射光放大”。激光的英文全名已完全表達(dá) 了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我 國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議將光受激發(fā) 射”改稱(chēng)檄光”。產(chǎn)生激光的條件產(chǎn)生激光有三個(gè)必要的條件：1）有提供放大作用的增益介質(zhì)作 為激光工作物質(zhì)，其激活粒子有適合于 產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；2）有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子 抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn) 生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；3）有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激活介質(zhì)的 工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向，選擇 被放大的受激輻射光頻率以提高單色 性。激光的特點(diǎn)與普通意義上的光源相比較，激光 主要有四個(gè)顯著的特點(diǎn)：方向性好、亮 度極高、單色性好、相干性好。激光器激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的

10、 一項(xiàng)重大成就。它使人們終于有能力駕 駛尺度極小、數(shù)量極大、運(yùn)動(dòng)極混亂的 分子和原子的發(fā)光過(guò)程，從而獲得產(chǎn)生放大相干的紅外線、可見(jiàn)光線和紫外線 的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類(lèi)對(duì) 光的認(rèn)識(shí)和利用達(dá)到了一個(gè)嶄新的水 平。2固體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)在固體激光器中，由泵浦系統(tǒng)輻射 的光能，經(jīng)過(guò)聚焦腔，使在固體工作物 質(zhì)中的激活粒子能夠有效的吸收光能， 讓工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過(guò)諧 振腔，從而輸出激光。如圖1所示，固體激光器的基本結(jié) 構(gòu)。固體激光器主要由工作物質(zhì)、泵浦 系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、光學(xué)諧振腔及冷卻與 濾光系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。圖1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)1）工作物質(zhì)工作物質(zhì)一一激光器的核心，是

11、由 激活粒子和基質(zhì)兩部分組成。激活粒子 的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了激光的光譜特性和熒 光壽命等激光特性，基質(zhì)主要決定了工 作物質(zhì)的理化性質(zhì)。根據(jù)激活粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)形式，可分為三能級(jí)系統(tǒng)與四能 級(jí)系統(tǒng)。工作物質(zhì)的形狀目前常用的主 要有四種：圓柱形、平板形、圓盤(pán)形及 管狀。2)泵浦系統(tǒng)泵浦源能夠提供能量使工作物質(zhì)中 上下能級(jí)間的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)，目前主要采 用光泵浦。泵浦光源需要滿足兩個(gè)基本 條件：有很高的發(fā)光效率和輻射光的光 譜特性應(yīng)與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹 配。常用的泵浦源主要有惰性氣體放電 燈、太陽(yáng)能及二極管激光器。其中惰性 氣體放電燈是當(dāng)前最常用的，太陽(yáng)能泵 浦常用在小功率器件，二極管(LD)泵浦 是目前

12、固體激光器的發(fā)展方向，它集合 眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，已成為當(dāng)前發(fā)展最快 的激光器之一。LD泵浦的方式可以分為兩類(lèi)，橫 向：同軸入射的端面泵浦；縱向：垂直入 射的側(cè)面泵浦。圖2 LD泵浦方式結(jié)構(gòu)示意LD泵浦的固體激光器有很多優(yōu)點(diǎn)， 壽命長(zhǎng)、頻率穩(wěn)定性好、熱光畸變小等 等，當(dāng)然最突出的優(yōu)點(diǎn)是泵浦效率高， 因?yàn)樗闷止獠ㄩL(zhǎng)與激光介質(zhì)吸收譜嚴(yán) 格匹配。3）聚光系統(tǒng)聚光腔的作用有兩個(gè)：一個(gè)是將泵 浦源與工作物質(zhì)有效的耦合；另一個(gè)是 決定激光物質(zhì)上泵浦光密度的分布，從 而影響到輸出光束的均勻性、發(fā)散度和 光學(xué)畸變。工作物質(zhì)和泵浦源都安裝在 聚光腔內(nèi)，因此聚光腔的優(yōu)劣直接影響 泵浦的效率及工作性能。如下圖 3所示

13、 為橢圓柱聚光腔，是目前小型固體激光 器最常采用的。圖3橢圓柱聚光腔4）光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔由全反射鏡和部分反射 鏡組成，是固體激光器的重要組成部分。 光學(xué)諧振腔除了提供光學(xué)正反饋維持激 光持續(xù)振蕩以形成受激發(fā)射，還對(duì)振蕩 光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光的高單色性和高定向性。最簡(jiǎn)單 常用的固體激光器的光學(xué)諧振腔是由相 向放置的兩平面鏡構(gòu)成。5）冷卻與濾光系統(tǒng)冷卻與濾光系統(tǒng)是激光器必不可少 的輔助裝置。固體激光器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重 的熱效應(yīng)，所以通常都要采取冷卻措施。 主要是對(duì)激光工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)和聚 光腔進(jìn)行冷卻，以保證激光器的正常使 用及器材的保護(hù)。冷卻方法有液體冷卻、 氣體冷

14、卻和傳導(dǎo)冷卻，但目前使用最廣 泛的是液體冷卻方法。要獲得高單色性的激光束，濾光系 統(tǒng)起了很大的作用。濾光系統(tǒng)能夠?qū)⒋?部分的泵浦光和其他一些干擾光過(guò)濾， 使得輸出的激光單色性非常好。固體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)固體激光器主要優(yōu)點(diǎn)：1）輸出能量大，峰值功率高。在固 體激光器中，由于中心粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu), 能夠輸出大能量，并且峰值功率高。這個(gè)是固體激光器非常突出的優(yōu)點(diǎn)。2）結(jié)構(gòu)緊湊耐用，價(jià)格適宜。和其 他類(lèi)型的激光器相比，固體激光器的結(jié) 構(gòu)非常簡(jiǎn)單并且非常耐用，同時(shí)價(jià)格相 對(duì)適宜。3）材料種類(lèi)數(shù)量多。固體激光器的 工作物質(zhì)的種類(lèi)非常多，到目前為止至 少有一百多種，而且大有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 大量高性能的材料的出現(xiàn)，

15、是固體激光 器的性能進(jìn)一步的提高。固體激光器的主要缺點(diǎn)：1）溫度效益比較嚴(yán)重，發(fā)熱量大。 正是由于輸出能量大，峰值功率高，導(dǎo) 致熱效應(yīng)非常明顯，因此固體激光器不 得不配置冷卻系統(tǒng)，才能保證固體激光 器的正常連續(xù)使用。2）轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。固體激光器 的總體效率非常低，例如紅寶石激光器 的為1%左右，YAG激光器的總體效 率為1%2%,在最好的情況下可接近 3%。可見(jiàn)固體激光器的效率提高還有很大的空間。3固體激光器的應(yīng)用固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和 科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。它常用于 測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、 半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大 氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、

16、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光 核聚變等方面。激光自其誕生之日來(lái)， 已對(duì)人類(lèi)生活產(chǎn)生了巨大影響。其應(yīng)用 已滲入到人類(lèi)生活的每個(gè)方面。比如監(jiān) 測(cè)，檢測(cè),制造業(yè)，醫(yī)學(xué)，航天等等。由于激 光應(yīng)用的廣泛性，這里我只能從廣面上 稍微介紹下其應(yīng)用。激光技術(shù)在監(jiān)測(cè)方面的一些應(yīng)用 三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪的應(yīng) 用三維激光掃描儀用于邊坡三維形狀 的獲取、加固方案設(shè)計(jì)、邊坡災(zāi)害對(duì)策 及安全檢測(cè)等，都具有獨(dú)到得方邊便性 及先進(jìn)性。測(cè)量設(shè)站靈活方便，測(cè)量效 率高，獲取的數(shù)據(jù)直接可以進(jìn)行處理以得到基礎(chǔ)信息和分析結(jié)果。在地形測(cè)繪 中，三維激光掃描儀及后處理軟件，只 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的幾個(gè)步驟就可以輕松獲取高 比例尺的地形圖

17、。激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的 應(yīng)用用于探測(cè)大氣氣溶膠和云的激光雷 達(dá)技術(shù)主要是米散射探測(cè)技術(shù)，使用這種 技術(shù)的激光雷達(dá)被稱(chēng)為米散射激光雷 達(dá)。激光雷達(dá)是一種重要的大氣環(huán)境探 測(cè)手段，由于其具有時(shí)空分辨率高、探測(cè) 靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此, 利用激光雷達(dá)對(duì)大氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集、分 析數(shù)據(jù)，建立大氣環(huán)境預(yù)測(cè)理論模型，將 為研究氣候變化和尋求治理環(huán)境的新途 徑提供科學(xué)的依據(jù)。激光技術(shù)檢測(cè)方面的應(yīng)用由于激光技術(shù)的精確性，在我們生 活中的的一些檢測(cè)越來(lái)越多都用到激光 檢測(cè)，既方便又安全精確。如激光散斑 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用，隨著人們 生活水平的提高，農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，發(fā)

18、展新穎的農(nóng)產(chǎn)品 快速檢測(cè)技術(shù)是提高農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 力、增加農(nóng)民收入的有效措施。激光散 斑技術(shù)靈敏度高，操作簡(jiǎn)單，作為一種 新穎的無(wú)損快速檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)受到越來(lái) 越多的關(guān)注。激光技術(shù)在制造業(yè)得應(yīng)用隨著激光制造技術(shù)的快速發(fā)展，激 光技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng) 用。利用激光來(lái)焊接金屬材料有許多優(yōu) 越性:方便快捷、焊縫小、焊接影響區(qū)域 小，對(duì)原材料性質(zhì)和形態(tài)的改變均很小 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控，可以焊接形狀特殊的工 件;激光能量集中、作用時(shí)間短，可以焊 接薄板、金屬絲等傳統(tǒng)焊接工藝難以加 工的材料以及精密、微小、排列密集、 受熱敏感的材料等等。激光加工技術(shù)具有無(wú)接觸、不需要 工模具、清潔、效率較高、便于實(shí)行數(shù)

19、 控、可進(jìn)行特殊加工等優(yōu)點(diǎn)，在切割、焊 接、表面熔覆與合金化、表面熱處理、 新材料制備等方面得到了廣泛應(yīng)用。激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用激光醫(yī)學(xué)在臨床上的應(yīng)用主要分為 三大部分，包括:激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究 中的應(yīng)用，主要是通過(guò)激光與人體器官組 織、細(xì)胞和生物分子的相互作用來(lái)研究 激光的生物效應(yīng)。激光診斷，是以激光 作為信息載體，利用激光單色性好的特點(diǎn) 對(duì)組織病理形態(tài)、病理情況下的功能及 找出某些致病因素等方面進(jìn)行光譜分 析。激光治療，是以激光作為能量載體 利用激光對(duì)組織的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行治療 多年來(lái)，激光技術(shù)已成為臨床治療的有效 手段,也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)， 包括：弱激光治療，高強(qiáng)度激光手術(shù)， 激

20、光動(dòng)力學(xué)療法（光化學(xué)療法），激光診 斷。激光技術(shù)在航天上的應(yīng)用航天技術(shù)作為一門(mén)綜合性科學(xué)技 術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度的綜合集成。 激光焊接技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)， 對(duì)航天技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。如 航天電源連接器和傳感器的焊接、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的焊接、飛機(jī)客體的焊 接等。隨著激光器研究的深入和大功率 激光器的產(chǎn)品化，激光焊接技術(shù)向大厚 板、高適應(yīng)性、高效率和低成本方向發(fā) 展，同時(shí)，隨著新材料、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn), 激光焊接技術(shù)將逐步替代一些傳統(tǒng)的焊 接工藝，在航天領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。4結(jié)束語(yǔ)固體激光器是以摻雜的玻璃、晶體 或透明陶瓷等固體材料為工作物質(zhì)的激 光器。從世界上第一臺(tái)激光器發(fā)明至今, 固體激光

21、技術(shù)取得了很大的發(fā)展，主要 表現(xiàn)三個(gè)方面：第一是工作物質(zhì)不斷改 進(jìn)。最初是紅寶石激光器，后來(lái)出現(xiàn)了 鉉玻璃和摻鉉鈕鋁石榴石激光器，現(xiàn)在 又有了摻鉉錢(qián)錢(qián)石榴石激光器。還有報(bào) 道稱(chēng)，目前出現(xiàn)了以陶瓷為基質(zhì)的新型 激光材料。第二是泵浦光源的改進(jìn)。最 初是閃光燈，后來(lái)發(fā)展為弧光燈，現(xiàn)在 出現(xiàn)了高功率激光二極管泵浦。第三是 工作物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。從最初的棒式結(jié) 構(gòu)發(fā)展成板條式，又到后來(lái)的光纖式結(jié) 構(gòu)。固體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是材料和器 件的多樣化，包括尋求新波長(zhǎng)和工作波 長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的 轉(zhuǎn)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(zhǎng) 工作壽命等。未來(lái)的固體激光器將朝

22、著以下幾個(gè) 方向發(fā)展：a）高功率及高能量b）超短脈沖激光c）高便攜性d）低成本高質(zhì)量總之，固體激光技術(shù)的發(fā)展過(guò)程是 一個(gè)不斷革新的過(guò)程，固體激光器發(fā)展 到今天，無(wú)論在結(jié)構(gòu)、輸出功率、轉(zhuǎn)換 效率還是光束質(zhì)量方面都有了很大進(jìn) 步。參考文獻(xiàn)丁志鵬.贛南師范學(xué)院學(xué)士學(xué)位論 文蔡樞,吳銘磊.大學(xué)物理（當(dāng)代物理 前沿部分專(zhuān)題）.北京：高等教育出版社,1996:2陳家壁，彭潤(rùn)玲.激光原理與應(yīng)用（第二版）.北京:電子工業(yè)出版社，：27固體 激光器的特點(diǎn)及應(yīng)用摘 要因?yàn)楣腆w激光器具有很多非常突出 的優(yōu)點(diǎn)，所以它是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的激 光器之一。通過(guò)對(duì)固體激光器的工作原 理和應(yīng)用的介紹，對(duì)它的了解更加深入。 本文先

23、介紹固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工 作原理，再列舉了幾種典型的固體激光 器，最后對(duì)固體激光器在工業(yè)加工、軍 事領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)等三個(gè)方面的應(yīng)用和 未來(lái)激光技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：固體激光器；激光器；工 作原理；基本結(jié)構(gòu)；應(yīng)用ABSTRACTSolid-state laser is one of the most widely used lasers for the moment,because it has many very obvious the working principle and application of solid-state laser,the understandin

24、g of it more paperfirst introduces the basic strcture and working principle of solid-state laser,then enumerates several typical solid-state lasers,the direction of development an the solid laser application in three aspectsof industrialprocessing,militaryfield,biomedical and future laser technology

25、 are introduced.Keywords:Solid-state laser;Laser;Working Principle;Basic Structure;Application目 錄第 一 章引言-1 -第二章 激光與激光 器-2 -激 光-2 -光-2 -激光產(chǎn)生的條件-2 -激 光 的 特性-2 -激光器的發(fā)明與發(fā)展-2 -激 光 器 的 類(lèi)-3 -第三章 固體激光器-5 -固體激光器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)-5 -第四章 固體激光器的應(yīng)用-12 -工業(yè)加工中的應(yīng)用-13 -第 五 章結(jié)論-17 - 參考文獻(xiàn)-18 -致謝-19 -第一章引言20世紀(jì)人類(lèi)做出的最偉大的發(fā)明之 一是激

26、光。從1960年休斯研究實(shí)驗(yàn)室的 科學(xué)家梅曼發(fā)明世界上第一臺(tái)激光器以 來(lái)，激光技術(shù)的發(fā)展日新月異，并逐步 滲透應(yīng)用到科研、國(guó)防、娛樂(lè)、工業(yè)和 醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。從固體激光器誕生至今，都是備受 人們的關(guān)注。因其具有峰值功率高，輸 出能量大，以及結(jié)構(gòu)緊湊耐用等特點(diǎn)， 所以在各方面都有廣大的用途，具有不 可估量的價(jià)值。依靠這些特點(diǎn)，固體激光器在科研、國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域 獲得了大量的應(yīng)用，使我們的生活越來(lái) 越便利。將來(lái)的固體激光器將會(huì)具有以下幾 個(gè)特點(diǎn)：a）能量及功率都相當(dāng)高b）激光的脈沖超級(jí)短c）便攜性能高d）質(zhì)量很高且成本較低如今，以激光高新科技為核心的相 關(guān)產(chǎn)業(yè)以成為信息時(shí)代的重要驅(qū)動(dòng)力 量，

27、并帶動(dòng)了整個(gè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā) 展。激光高新技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó) 防和科技領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作 用，是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性、全局性和引領(lǐng) 性的戰(zhàn)略高新技術(shù)。第二章激光與激光器激光激光激光指的是受激輻射放大所產(chǎn)生的 光，它的英文縮寫(xiě)為L(zhǎng)aser。激光產(chǎn)生的條件激光產(chǎn)生的條件有三個(gè)：1）有能夠?qū)崿F(xiàn)能級(jí)躍遷的工作介 質(zhì)作為激活介質(zhì)，使上能級(jí)和下能級(jí)之 間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；2）有提供光反饋的光學(xué)諧振腔，其 作用一是延長(zhǎng)工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，使工作 物 質(zhì)的受激輻射連續(xù)進(jìn)行，從而給光子 加速；二是限制激光輸出的方向；三是 選定激光輸出波長(zhǎng)；3）有能夠?yàn)楣ぷ魑镔|(zhì)提供能量的 泵浦源，即將原子由低能級(jí)發(fā)到高能級(jí) 所

28、需能量，從而使激光滿足激光振蕩的閾 值條件。激光的特性激光產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光 不同，所以激光具有不同于普通光的特 性：高度的方向性、單色性、相干性和 高亮度。單色性是指光強(qiáng)按照頻率的分布情 況。激光單色性的好壞可以用頻譜分布 的寬度來(lái)描述，即譜線越窄，單色性越好；方向性好表示光能集中在很小的空 間傳播，能在遠(yuǎn)距離獲得強(qiáng)度很大的光 束，良好的方向性使激光的傳播距離最 遠(yuǎn)；光源的單色亮度是表征光源定向發(fā) 光能力強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)，其定義為單位 截面、單位頻帶寬度和單位立體角內(nèi)發(fā) 射的功率；光的相干性是指不同時(shí)刻、不同空 間點(diǎn)上兩個(gè)光波長(zhǎng)的相關(guān)程度。相干性 包括空間相干性和時(shí)間相干性：空間相 干

29、性用以描述垂直于光束傳播方向上各 點(diǎn)之間的相位關(guān)系，而時(shí)間相干性則用 來(lái)描述沿光束傳播方向上各點(diǎn)的相位關(guān) 系.激光器的發(fā)明與發(fā)展1916年愛(ài)因斯坦提出的光子受激輻 射的概念是推動(dòng)激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)， 受激輻射，即：處于高能態(tài)的粒子受到 一個(gè)能量等于兩個(gè)能級(jí)之間能量差的光 子的作用，將轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個(gè)光子，與第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來(lái)。 受激輻射光受到了光放大，并且是相干 光，即具有相同的發(fā)射方向、位相、頻 率與偏振。1951年，湯斯提出了微波激 射器的概念。1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室 的湯斯和蘇聯(lián)的普羅霍羅夫、巴索夫分 別使氨分子束實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，隨即 發(fā)現(xiàn)了微波的受激發(fā)射，這是激光器

30、發(fā) 明的奠基。1956年，布隆伯根提出了一個(gè)新構(gòu) 思：利用光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒 子束反轉(zhuǎn)分布。1958年，肖洛和湯斯提出利用開(kāi)放式諧振腔實(shí)現(xiàn)激光器以及普羅霍羅夫和 巴索夫根據(jù)微波激射器和激光器原理研 制的振蕩器和放大器導(dǎo)致了激光器的發(fā) 明。1960年，美國(guó)人梅曼制成了世界上 第一臺(tái)激光器一一紅寶石激光器。1965年，第一臺(tái)二氧化碳激光器誕 生，它是第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器件。第一臺(tái)X射線激光器也于1967年研 制成功。如今，光學(xué)、醫(yī)學(xué)、原子能、 天文、地理、海洋、軍事等領(lǐng)域都廣泛 的應(yīng)用激光技術(shù)。在我國(guó)，第一臺(tái)激光器是1961年中 國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究的。我 國(guó)激光器的發(fā)展情況

31、如下表1所示：表1我國(guó)激光器的發(fā)展情況激光器的類(lèi)型自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器出現(xiàn) 至今50余年里，激光器件和激光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，使激光 技術(shù)成功滲透到近代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng) 域。激光器有很多種類(lèi)，可根據(jù)激光輸 出方式、發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分 類(lèi)。按工作物質(zhì)的不同來(lái)分類(lèi)，可分為 固體激光器、氣體激光器、液體激光器、 半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和自由電子 激光器；按激勵(lì)方式的不同來(lái)分類(lèi)，可分為 光泵式激光器、化學(xué)激光器和核泵浦激光器；按運(yùn)轉(zhuǎn)方式的不同來(lái)分類(lèi)，可分為 連續(xù)激光器、單次脈沖激光器、鎖模激 光器和可調(diào)諧激光器；按輸出波長(zhǎng)的不同來(lái)分類(lèi)，可分為 紅外激光器、可見(jiàn)激光器、紫外

32、激光器 和X射線激光器。如下表2所示：分類(lèi)方式工作物質(zhì)氣體激光器半導(dǎo)體激光器其他激光器激勵(lì)方式光泵式激光器化學(xué)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)激光器鎖模激光器輸出波長(zhǎng)紅外激光器紫外激光器表2激光器的分類(lèi)染料激光器固體激光器化學(xué)激光 器核泵浦激光器單次脈沖激光器可 調(diào)諧激光器可見(jiàn)激光器X射線激光器第三章固體激光器固體激光器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)在固體激光器中，工作物質(zhì)吸收外 來(lái)能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件，從而實(shí)現(xiàn)光放大， 輸出激光。固體激光器基本上都是由工作物 質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系 統(tǒng)構(gòu)成的。如圖1所示：圖1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖1）工作物質(zhì)激光器核心是工作物質(zhì)，包括

33、激活 粒子和基質(zhì)兩部分。激光的光譜特性和 熒光壽命等激光特性由激活粒子的能級(jí) 結(jié)構(gòu)決定，而基質(zhì)則主要決定了工作物 質(zhì)的理化性質(zhì)。按照激活粒子的能級(jí)結(jié) 構(gòu)的不同，我們可把它分為三能級(jí)系統(tǒng) 和四能級(jí)系統(tǒng)。當(dāng)前常用的工作物質(zhì)的形狀主要有4種：圓柱形、平板形、圓 盤(pán)形和管狀。2）泵浦系統(tǒng)泵浦系統(tǒng)的作用是提供能量，從而 使在工作物質(zhì)中上下能級(jí)的粒子數(shù)處于 反轉(zhuǎn)狀態(tài)，目前最主要采用的方式是光 泵浦。泵浦光源需要滿足兩個(gè)基本的必 要條件：發(fā)光效率很高以及輻射光的光 譜特性必須與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹 配。其他常用的泵浦源主要包括：惰性 氣體放電燈、太陽(yáng)能及二極管激光器。 目前最常用的是惰性氣體放電燈，而太

34、陽(yáng)能泵浦主要用在小功率器件，目前固 體激光器的發(fā)展方向是二極管泵浦，它 具有固體激光器和半導(dǎo)體激光器的雙重 特點(diǎn)：高光電轉(zhuǎn)換效率、高功率、高穩(wěn)定性、高 可靠性、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，已成 為固體激光發(fā)展中最具前景的方向之O按泵浦方式不同可把二極管泵浦的激光器分為端面泵浦、側(cè)面泵浦、邊面泵浦和混合泵浦等多種方式。如下圖 2 所示的端泵浦方式和圖2所示的側(cè)泵浦 方式。圖2二極管泵浦方式結(jié)果示意圖3）聚光系統(tǒng)聚光系統(tǒng)有兩個(gè)作用：一個(gè)是使泵 浦源與工作物質(zhì)有效的耦合；另一個(gè)是 決定激光物質(zhì)上泵浦光密度的分布，從 而影響輸出光束的均勻性、發(fā)散度和光 學(xué)畸變。工作物質(zhì)和泵浦源都安裝在聚 光腔內(nèi)，因此泵浦的

35、效率和工作性能由 聚光腔的優(yōu)劣決定。目前小型的固體激 光器最常采用的是橢圓形聚光腔，如圖3 所示：圖3橢圓形聚光腔4）光學(xué)諧振腔全反射鏡和部分反射鏡是固體激光 器的重要組成部分，它們組成了光學(xué)諧 振腔。光學(xué)諧振腔的作用是：提供光學(xué) 正反饋維持激光持續(xù)振蕩以形成受激發(fā) 射并且對(duì)振蕩光束的方向和頻率給予限制，從而保證輸出激光的高單色性和高 定向性。由相互放置的兩個(gè)平面鏡構(gòu)成 的光學(xué)諧振腔是目前固體激光器最常用 的。5）冷卻與濾光系統(tǒng)在激光器中最不可或缺的輔導(dǎo)裝置 是冷卻與濾光系統(tǒng)。由于固體激光器在 工作中容易產(chǎn)生非常嚴(yán)重的熱效應(yīng)，故 一般必須采取冷卻措施。為了保證能夠 正常使用激光器以及保護(hù)器材，

36、通常冷 卻激光工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)和聚光腔。 冷卻方法有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo) 冷卻，其中最常用的是液體冷卻。濾光 系統(tǒng)對(duì)獲取高單色性的激光束起到了非 常大的作用，它能過(guò)濾掉大多數(shù)的泵浦 光和一部分干擾光，從而獲得單色性非 常好的輸出激光。典型的固體激光器隨著固體激光器的器件和技術(shù)多年 來(lái)不斷發(fā)展與完善，固體激光器的種類(lèi) 更加多樣化，但最常用的有紅寶石激光器、摻鉉鈕鋁石榴石激光器、LD泵浦的 固體激光器和可調(diào)諧固體激光器四種。紅寶石激光器紅寶石是摻有少量 Cr3離子的藍(lán) 寶石，紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶 石晶體，其中Cr3是發(fā)光的激活粒子， 而A12O3是基質(zhì)晶體。Cr3 是三能級(jí)系 統(tǒng)，關(guān)

37、系著固體激光器的光譜特性。在 室溫條件下，紅寶石激光器通常輸出激 光波長(zhǎng)為的紅光。輸出激光的光譜線寬 一般為。由于紅寶石為單軸晶體，存 在雙折射現(xiàn)象，所以紅寶石激光器既可 輸出無(wú)偏振光，也可輸出線偏振光。如 下圖4為紅寶石中銘離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。圖1紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度和 化學(xué)穩(wěn)定性高，能承受很高的激光功率 密度，易生成較大尺寸；亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)， 儲(chǔ)能大，可獲得大能量輸出；熒光譜線 較寬，易獲得大能量單模輸出；低溫性 能優(yōu)良，輸出可見(jiàn)光。從應(yīng)用的觀點(diǎn)看， 紅寶石激光器輸出可見(jiàn)光極具吸引力。首先，因?yàn)楣怆娞綔y(cè)器件的響應(yīng)波長(zhǎng)大 多位于可見(jiàn)光區(qū)，而大多數(shù)稀土元素四 能級(jí)系統(tǒng)固體激光器工作波長(zhǎng)則位于

38、近 紅外光區(qū)域。其次，對(duì)于全息照相等應(yīng) 用需要使用可見(jiàn)光作為光源。紅寶石激光器也有一些缺點(diǎn)：能級(jí) 結(jié)構(gòu)屬于三能級(jí)，器件閾值高；晶體性 能隨溫度變化明顯，室溫下不適于做連 續(xù)高重頻器件；激發(fā)頻率較低，不適合 連續(xù)工作；輸出發(fā)散角較大，一般約為 310mrad。如下圖5所示為中國(guó)第一臺(tái)紅寶石 激光器-小球照明紅寶石”激光器，在當(dāng) 時(shí)激發(fā)方式上，比國(guó)外激光器具有更好 的激發(fā)效率。圖5中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器摻鉞鈕鋁石榴石激光器摻鉞鈕鋁石榴石激光器屬于四能級(jí) 系統(tǒng)，具有閾值低、效率高、壽命長(zhǎng)等 優(yōu)點(diǎn)，輸出波長(zhǎng)為 m是能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn) 轉(zhuǎn)的固體激光器件。摻鉞鈕鋁石榴石激光器與紅寶石激光器有相類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，即也是

39、由工作物 質(zhì)、泵浦光源、聚光腔和光學(xué)諧振腔組 成。由于選取了不同的工作物質(zhì)和與工 作物質(zhì)相匹配的光泵，使其能實(shí)現(xiàn)連續(xù) 運(yùn)轉(zhuǎn)。摻欽鈕鋁石榴石晶體是以鉆鋁石榴 石單晶為基質(zhì)材料，摻入適量的三價(jià)稀 土離子Nd3+所構(gòu)成，鉉離子為激光器的 激活粒子。Nd3+: YAG晶體具有：熱 導(dǎo)率高，有利于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；熔點(diǎn)較高， 為1970 C,能承受較高的輻射功率； 熒光線寬較小，約為，所以閾值低；熒 光量子效率高，一般大于0. 995,交接 近1,是目前固體激光器中較理想的工作 物質(zhì)。連續(xù)Nd3+: YAG激光器多采用連續(xù)氟燈或碘鴇燈作為泵浦光源。氟燈結(jié) 構(gòu)也微燈相似，但管內(nèi)充的是 24個(gè)大 氣壓的氟氣。一般電

40、流密度為102A/cm2 量級(jí)，其線狀譜在750nm和810nm處有 極強(qiáng)的發(fā)射譜線，這正好與Nd3+的吸收帶相匹配，是目前連續(xù) Nd3+: YAG激 光器件較理想的匹配光泵。摻鉞鈕鋁石榴石激光器屬四級(jí)系 統(tǒng)，其發(fā)射熒光，并由此產(chǎn)生激光，產(chǎn) 生激光的Nd3+。如下圖6是Nd3+:YAG 能級(jí)結(jié)構(gòu)圖。原來(lái)處于基態(tài) E1(4I9/2)的 粒子，在光泵照射下，被激發(fā)到高能級(jí) E4(4I3/2以上的能級(jí))上。通過(guò)無(wú)輻射躍 遷至U E3(4F3/2)上，處于 4F3/2能態(tài)的 Nd3+壽命較長(zhǎng)，而稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。該 能級(jí)將積累大量粒子，E3與下能級(jí)間將 形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在實(shí)現(xiàn)4F3/2-4I11/2

41、、4F3/24I13/2、4F3/24I9/2 能 級(jí)間躍遷時(shí)，產(chǎn)生中心波長(zhǎng)、和三條主 要熒光譜線，其中以譜線為最強(qiáng)。所以 首先達(dá)到閾值形成激光振蕩。圖6 Nd3 :YAG能級(jí)結(jié)構(gòu)摻銀鈕鋁石榴石激光器近年來(lái)，由于摻銀YAG固體激光器 具有獨(dú)特的波長(zhǎng)，引起了人們的重視， 并在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域非常有吸引力，應(yīng)用非常 廣泛，取得了重大的突破。摻銀鉆鋁石榴石激光器的基本結(jié)構(gòu)與Nd3 :YAG激光器基本結(jié)構(gòu)相似，通 常采用脈沖氤燈泵浦，聚光腔為鍍銀的 單橢圓柱腔或雙橢圓柱腔，但是其光學(xué) 元件必須與水蒸氣隔離，因此需要將激 光器密閉在干燥的容器之中。Er:YAG晶體具有很高的光學(xué)質(zhì)量, 較低的散射損耗，更高的激光

42、輸出，穩(wěn) 定的化學(xué)和機(jī)械特性，非常適合硬組織 去除應(yīng)用，摻銀鉆鋁石榴石晶體具有60000nm的泵浦范圍高摻雜的Er:YAG晶體發(fā)射微米激光，低摻雜的摻 餌鈕鋁石榴石晶體發(fā)射微米激光，廣泛 應(yīng)用于激光醫(yī)療，軍用激光領(lǐng)域。如下圖7為激光波長(zhǎng)為微米的Er:YAG激光躍 遷能級(jí)圖圖7Er:YAG激光躍遷能級(jí)圖可調(diào)諧固體激光器可調(diào)諧固體激光器有很多優(yōu)點(diǎn)：工 作壽命長(zhǎng)；能力存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)；閃光燈 泵浦或者二極管激光泵浦非常有效；在 調(diào)Q狀態(tài)下也能工作；諧波產(chǎn)生能力很 靈活并且光束質(zhì)量高。因此，近年來(lái)，可調(diào)諧固體激光器取得了重大的發(fā)展?？烧{(diào)諧固體激光器指的是在一定范 圍內(nèi)，能夠使輸出波長(zhǎng)連續(xù)改變的固體 激光器

43、。我們可以將它分為兩類(lèi)：一類(lèi) 是色心激光器；一類(lèi)是用摻過(guò)渡族金屬 離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。色心激光器指的是以具有色心的晶 體為工作物質(zhì)的激光器。色心是晶體中 正負(fù)離子缺位引起的缺陷。它屬于四能 級(jí)系統(tǒng)，由于晶體振動(dòng)的影響而有很寬 的熒光線寬。色心激光器調(diào)諧范圍寬 為微米，線寬窄，但是大部分都只能 在低溫下工作。相比較而言，摻過(guò)渡金 屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器 的性能更加優(yōu)越。激光晶體主要包括金 綠寶石、Cr:GSGG和摻鈦藍(lán)寶石等。其 中性能最好的固體可調(diào)諧材料是鈦藍(lán)寶 石。固體激光器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)固體激光器的優(yōu)點(diǎn)：1）輸出的能量非常大，峰值功率也 高。由于固體激光器中的中心粒

44、子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，可以獲得能量非常大、峰值功 率很高的輸出光。這個(gè)是固體激光器最 突出的優(yōu)點(diǎn)。2）結(jié)構(gòu)緊湊耐用，價(jià)格適宜。和其他 類(lèi)型的激光器相比，固體激光器的結(jié)構(gòu)非 常簡(jiǎn)單并且非常耐用，同時(shí)價(jià)格相對(duì)適 宜。3）材料種類(lèi)數(shù)量多。固體激光器的 工作物質(zhì)的種類(lèi)非常多，到目前為止至少 有一百多種，而且大有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。大量 高性能的材料的出現(xiàn)，使固體激光器的性 能進(jìn)一步的提高。固體激光器的主要缺點(diǎn)：1）溫度效益比較嚴(yán)重，發(fā)熱量大。正 是由于輸出能量大，峰值功率高，導(dǎo)致熱 效應(yīng)非常明顯，因此固體激光器不得不配 置冷卻系統(tǒng)，才能保證固體激光器的正常 連續(xù)使用。2）轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。固體激光器 的總體效率非常低

45、，例如紅寶石激光器的 為1%左右,YAG激光器的總體效率為 1%2%,在最好的情況下可接近3%。可 見(jiàn)固體激光器的效率提高還有很大的空 間。典型固體激光器的對(duì)比如下表3,根據(jù)工作物質(zhì)、輸出波長(zhǎng)、 能級(jí)結(jié)構(gòu)和常用泵浦方式四個(gè)方面來(lái)對(duì) 比幾種典型固體激光器。表3典型固體激光器的比較第四章固體激光器的應(yīng)用固體激光器具有輸出功率大和結(jié)構(gòu) 緊湊的特點(diǎn)，所以固體激光器在工業(yè)加 工、軍事領(lǐng)域、醫(yī)療器材和科研領(lǐng)域的 作用越來(lái)越明顯，在這些領(lǐng)域的應(yīng)用非 常廣泛。它常用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、 打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、 電子器件微加工、大氣檢測(cè)、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

46、光核聚變等方面在科研 與研發(fā)方面，涉及面很廣，包括作核聚變 研究的高峰值功率激光器系統(tǒng)、作光譜 研究和新材料開(kāi)發(fā)用的超短脈沖激光器 和可調(diào)諧激光器以及由同體激光器泵浦 的染料可調(diào)諧激光器、作脈沖全息攝影用的紅寶石激光器、作高速攝影用的超 短脈沖激光器、測(cè)人造地球星軌跡和地 球表面用的高精度激光測(cè)距儀、遙感用 的激光雷達(dá)等。如下圖8所示為用紅寶 石脈沖激光器拍攝的剛出殼的小雞的反 射全息圖，可以白光再現(xiàn)。圖8紅寶石激光器拍攝的剛出殼的 小雞的反射全息圖工業(yè)加工中的應(yīng)用在工業(yè)加工方面，激光加工是激光系 統(tǒng)最常用的應(yīng)用。根據(jù)激光束與材料相 互作用的機(jī)理，大體可將激光加工分為 激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加

47、工兩類(lèi)。激 光熱加工是指利用激光束投射到材料表 面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來(lái)完成加工過(guò)程，包括激 光焊接、激光切割、表面改性、激光打 標(biāo)、激光鉆孔和微加工等；光化學(xué)反應(yīng) 加工是指激光束照射到物體，借助高密 度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加 工過(guò)程。包括光化學(xué)沉積、立體光刻、 激光刻蝕等。采用激光加工技術(shù)能大幅 度提高制造精度、加工強(qiáng)度和生產(chǎn)效率。1）激光切割激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生高 功率密度能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在金屬與非金 屬材料的加工中，因?yàn)榧す馇懈钅軌虼?幅度減少加工時(shí)間，降低加工成本以及 提高工作質(zhì)量，獲得了廣泛的應(yīng)用。同 傳統(tǒng)的板材加工方法對(duì)比，激光切割的 切割質(zhì)量更高、切割速度更快、柔性更 高

48、，材料適應(yīng)性更廣泛。2）激光焊接激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用 的重要方面之一，焊接過(guò)程屬熱傳導(dǎo)型, 即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通 過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈 沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等 參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。 由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于微 小型零件焊接中。與其它焊接技術(shù)比較, 激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：激光焊接速度 快、深度大、變形小，能在室溫或特殊 的條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單C3）激光鉆孔隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化 的方向發(fā)展，越來(lái)越需求電路板小型化， 而提高電路板小型化水平的關(guān)鍵是越來(lái) 越窄的線寬和不同層面線路之間越來(lái)越 小的微型過(guò)孔和盲孔

49、。傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔 最小的尺寸僅為100”,已經(jīng)不能達(dá)到 要求了，因此激光微型過(guò)孔加工方式已 經(jīng)取而代之了，具有更大的商業(yè)價(jià)值。軍事領(lǐng)域的應(yīng)用固體激光器之間應(yīng)用于軍事領(lǐng)域也 顯示出了越來(lái)越旺盛的生命力。在激光 器軍事應(yīng)用的過(guò)程中，固體激光器算是 后起之秀。直到20世紀(jì)90年代，科學(xué) 家研制出大功率二極管激光器，固體激 光器才開(kāi)始在各種軍事應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭 角。固體激光器輸出波長(zhǎng)短、有利于大 氣傳輸、適合遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的要求，能夠方 便地按比例放大到高功率，還具有體積 小、使用靈活、轉(zhuǎn)化效率高、采用電驅(qū) 動(dòng)、后勤保障簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用 于各種平臺(tái)，是新一代激光器的杰出代 表。在應(yīng)用方面，中小功率固體激

50、光器通常應(yīng)用于常規(guī)武器中，例如：軍用激 光測(cè)距機(jī)、激光半主動(dòng)制導(dǎo)航空炸彈和 導(dǎo)彈等。而高功率固體激光器有潛力發(fā) 展成為定向武器激光器，用于彈道導(dǎo)彈防御、戰(zhàn)術(shù)防 空，艦船自衛(wèi)等。固體激光器將改變戰(zhàn) 場(chǎng)態(tài)勢(shì)，將來(lái)它可能模塊化生產(chǎn)，這樣 就非常方便地在各種作戰(zhàn)平臺(tái)上裝卸， 它甚至可以發(fā)展成便攜式裝備用于單邊 作戰(zhàn)。如下圖9所示為諾思羅普 格魯曼 公司研制出的高功率固體激光器。圖9諾思羅普格魯曼公司研制的高 功率固體激光器高能激光器是未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)的重要 組成部分，具有反監(jiān)視、主動(dòng)保護(hù)、防 空和清除暴露地雷的作用。如下圖10所 示，是美軍未來(lái)車(chē)載激光武器效果圖：圖10美軍未來(lái)車(chē)載激光武器效果圖紅寶石激光器早期在軍事上用于測(cè) 距和照明，1961年稱(chēng)為柯利達(dá)I型的世 界上第一臺(tái)紅寶石激光測(cè)距機(jī)在美國(guó)誕 生后，1962年第一臺(tái)軍用激光測(cè)距機(jī)便成功的進(jìn)行了示范表演。自90年代起， 調(diào)諧的激光器進(jìn)入使用階段，13歷m波 段的對(duì)人眼安全的激光器取代了對(duì) 目視危險(xiǎn)的紅寶石和鉉激光系統(tǒng)；可調(diào) 諧的可見(jiàn)光激光器和近紅外光激光器用 以改善固定頻率的紅寶石和鉉激光器的 抗干擾性能。生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用激光的首次在醫(yī)學(xué)上的成功是