固体激光器的特点及应用.docx
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固体激光器的特点及应用
第一章引言
激光是人类在上个世纪所创造的最杰出的技术成就之一。
自上世纪60年代，梅曼发明了全球首台激光器以来，激光技术的发展至今已经硕果累累，并且已经在人类社会的各行各业中普遍应用。
从固体激光器的出现到今天，一直都特别的备受大家的关注。
因为它具有峰值功率高，输出能量大，以及结构紧凑耐用等特点，所以在各个方面都有广大的用途，具有不可估量的价值。
有了这些优异的特点，固体激光器在科学研究、国防军工、工业生产、医疗健康等领域获得了大量的运用，使我们的日常生活越来越美好。
目前激光器的研究重点方向是使器件的体积愈来愈小、器件的重量愈来愈轻、效率愈来愈高、光束质量愈来愈好、可靠性愈来愈高、寿命愈来愈长、运转愈来愈敏捷的全固态激光器。
全固态激光器的应用扩展到了我们生活的各个领域，它是应用领域中基础的、特别重要的核心器件，已经成为了我们日常活动中不可或缺的帮手。
它的结构、输出功率、转换效率以及光束质量都取得了非常大的进步，具有强大的生命力。
全固态激光器汇聚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、运转灵便等优点，所以是前途光明的激光研究方向,它通过变频获得宽波段输出、便于模块化和电激励等应用优势，已经在科研、医疗、工业加工、军事等领域获得了广泛的应用，是新一代性能卓越的绿色、节能光源[1]。
现如今，激光技术在各个领域的广泛应用，已经是企业向信息化转型的不可缺少的推动力量，而且推动了一个完整的高新技术链条的有序成长。
根据国外的相关资料统计，国外的激光产业发展状况呈现出繁荣昌盛的景象，市场需求不断上涨，每年以百分之二十以上的速度上升。
如今，我国的激光市场发展稳定、增长速度飞快。
根据统计报告，我国的激光产品在1999年的市场销售额仅为14.13亿，2005年达到了47.75亿。
所以固体激光器的发展呈现出非常好的趋势，具有非常广阔的市场，有很大的发展空间。
第二章激光与激光器
2.1激光
2.1.1激光（LASER）
它是指在受激辐射的作用下把光变强的现象，英语称号为Laser。
2.1.2激光产生的条件
激光产生的条件有三个：
1）具备能够实现能级跃迁的工作介质，叫做激活介质，它能让上、下两个能级之间处于粒子数反转的状态；
2）有提供光反馈的光学谐振腔，其作用一是延长工作物质的长度，使工作物质进行持续的受激辐射，达到给光子加速这个目标；二是能够对于激光的发射方向进行干涉现象；三是对于输出的波长进行控制。
3）有能够使工作物质从低级向高级转化所需要的能量，从而能够使得激光达到发生的条件。
2.1.3激光的特性
激光产生的机理与普通光源的发光有区别，所以激光具备不同于普通光的特性：
高度的方向性、单色性、相干性和高亮度[2]。
单色性是指光的强度依照其频率进行排列的方式。
这个指标可以通过频谱分布的宽度进行衡量，频谱越宽，说明其性能越差。
方向性是指光能够按照要求在某个位置进行分布。
这样我们就可以使光在很远的距离也能够有很高的强度，这是光传播距离的指标，方向性越好，说明其照射的距离越远。
单色亮度是衡量光源的发光能力的指标，它的物理意义是单位截面、频宽和立体角内，光源的发射功率。
2.2激光器的发明与发展
上世纪20年代，AlbertEinstein的光子受激辐射原理为激光的出现提供了巨大的帮助，这个原理是指处于高能态的光子受到低能态的光子作用，转变成低能态，并且产生第二个，同之前的光子一起发射[3]。
1951年，汤斯提出了微波激射器的概念。
1954年，美国科学家汤斯和俄国科学家普罗霍罗夫得到了氨分子的粒子束发转现象，不久之后他们又发现了微波的受激发射。
1956年，荷兰物理学家Bloembergen创造了通过光泵浦三能级原子系统能够将粒子束进行反向排列的概念。
1958年，美国物理学家Schawlow和Townes通过谐振腔的作用得到了激光器以及俄国科学家普罗霍罗夫也研制成功了振荡器和放大器，这两个发明对于激光的发现提供了非常伟大的帮助。
1960年，在前人激光理论基础上，美国物理学家Maiman研发了全球首台激
1965年，人类历史上首台CO2激光器在美国被顺利研发成功，这是有史以来世界上首台可以生产大功率的激光器。
紧接着两年后X射线激光器也被顺利的研发出来。
现在我们生活的各个领域对激光技术基本上都有普遍的运用。
而对于我国激光器具体的研制成功的发展情况，由下表2.1可以清晰的看到：
2.3激光器的类型
自上世纪60年代激光器发明至今，有关这方面的科学技术已经得到了很大的进步，现在各行各业都有激光技术的成功运用。
激光器的类型较多，我们可以遵循以下的分类手段将其类别：
1）工作物质：
按照这种方式我们可以将其主要分为固体、气体、染料、半导体、光纤以及自由电力等六种激光器。
2）激励方式：
按照这种方式可以将其分为光泵式、化学以及核泵浦三种激光器[4]；
3）运转方式：
按照这种方式可以将其分为连续、单脉冲、锁模以及可调谐等四类激光器。
4）按输出波长的长度为标准来对其进行区别，包括红外激光器、可见激光器、紫外激光器和X射线激光器四类。
如下表2.2所示：
表2.2激光器的分类
分类方式
运转方式
连续激光器
单次脉冲激光器
锁模激光器
可调谐激光器
输出波长
红外激光器可见激光器
紫外激光器
X射线激光器
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作用原理是工作物质通过能量吸收后达到激发态，为了能够使得粒子束反转以及保持这种状态提供体检，进而使得光放大然后输出。
这类激光器的结构如下图3.1所示：
1）工作物质aa
工作物质是激光器能够产生作用不可缺少的关键构成成员，它包括激活粒子和基质两种构成成分。
激光中的很多重要的性能参数都是由激活粒子能级构造作用而成，基质主要是对物质的性能产生影响。
2）泵浦系统泵浦系统工作的时候需要的前提工作条件有两个必要条件：
一是泵浦的发光效率一定要满足系统的运行；二是对于受激辐射光的属性一定要和工作物质的光谱属性相一致。
我们还有经常使用的泵浦源有：
太阳能、惰性气体等和激光二极管等。
现在惰性气体是最经常使用的泵浦源，而在小型的功率器件中太阳能这类的泵浦源经常用到，现在我们在这方面的技术正在朝着LD泵浦的方向迈进，它的优良特点比较明显：
具有很强的光转换率、功率大、稳定性好、安全可靠、使用时间长以及体积小等，现在它已经是固体激光发展中最有发展前景的泵浦源。
LD激光器可以分为端面、侧面、边面以及混合泵等分类形式[5]，图3.2为端面和侧面的泵浦结构图。
3）聚光系统
该部分主要有以下两个功能：
首先是把工作物质和泵浦系统结合起来；第二个功能则是对于工作物质的光密度排列方式起着决定作用，进而可以对光束的各种参数性能指标进行干扰。
聚光腔内由工作物质以及泵浦源组成，所以泵浦的性能好坏影响程度主要受到聚光腔的影响。
现在一些比较小的固体激光器常常采用如图3.3所示的椭圆形腔
图3.3椭圆形聚光腔
4）光学谐振腔
反射镜是固体激光器非常重要的构成成员，反射镜的主要作用是通过保持激光的连续振荡形式来完成激光发生，而且对于光束的振动方向以及频率予以约束，从而达到激光的高性能指标参数。
5）冷却与滤光系统
这一部分是激光器中最不可或缺的辅导设备。
由于固体激光器在发生作用时容易造成非常剧烈的热效应，故一般必须使用冷却的方法。
为了使得激光器和其他构件的安全，我们一般都是通过对工作物质、泵浦系统以及聚光腔的降温冷却来实现对其的保护作用。
现在的冷却有液体、气体和传导三种方法，但是液体冷却法是现在最喜欢使用的一种。
在高单色性能的光获取过程中，滤光系统起了重要的作用，它的作用原理是能够把泵浦光中的大部分或者有影响的光能够成功的去除，从而能够获得高单色性能的光。
3.2典型的固体激光器随着这类技术多年的成长积累，现在固体激光器的类型更是各种各样都有，但是我们最经常使用的主要还是泵浦源为红宝石、掺钕钇铝石榴石和二极管的固体激光器以及可调谐固体激光器等这几类。
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+是发光的激活粒子，它属于三能级系统，决定着输出激光的光谱特性；而Al2O3是基质晶体[6]。
如下图3.4为红宝石中铬离子的能级结构。
这类激光器具有如下的优点：
1）激光器机械硬度大、稳定性较好，能够接受功率密度较大的激光，而且生产的光的尺寸也较大；
2）使用时间长，内存大，能够有大能量的激光发射；
3）激光频谱较大，能够轻易的获得高能量的单膜；
4）它的性能稳定、可以输出波长为400~760nm的光。
在我们实际的工程领域，这类激光器具有较好的市场，因为大多数的传感器能够响应的波长在可见光处，并且很多的稀土类四能级的工作波长也都是处于400~760nm附近。
当然任何事物都有两面性，它也难免会有缺点：
首先它是三能级的构造，因此它所需要构建的阈值较大；其次红宝石的特性目标对于温度非常的敏感；然后，对于它的激发频率比较低，这就导致了它能够长时间的工作；发散角输出通常在三到十毫弧这个范围内，稍微偏大。
如下图3.5所示，这是我国首台红宝石激光器，这台激光器在光的激发形式上，处于世界级领先水平。
3.2.2掺钕钇铝石榴石激光器（Nd3+:
YAG）
这类是四能级系统的激光器，它的工作效率较高，使用时间长以及工作的阈值较低，输出的波长较低，所以能够长时间的进行工作。
它的结构与前面那种激光器的构造根本上是一致的。
由于它的工作物质和与其对应的光泵不同，所以能够实现长时间的工作。
这类激光器的晶体是以YAG为基础材质，混入适当的Nd3+共同组成了晶体结构。
这种晶体有许多优良特性，例如：
热的传导效率较快，这样就对激光器的连续工作创造了非常好的基础；三价稀土离子的钇铝石榴石晶体具有1970℃的
熔点，能够承受较大的辐射；它的荧光宽度仅为6.5cm，所以它的工作阈值较小；荧光量子的工作效率可近似接近于1，成为了现在的固体激光器内极其优秀的工作物质。
它通常把氪灯当作是泵浦光源。
氪灯与氙灯的构造基本相同，区别是它的灯管内充有大气压为2到4的氪气。
该一类晶体是属于四级能系统，它能够通过荧光发射而产生激光以及三价的
稀土离子，图3.6所示为该类激光器的能级构造图
在实现4F3/2－4I11/2、4F3/2－4I13/2、4F3/2－4I9/2能级间跃迁时，生成了三条不同的荧光谱线，由下图3.6所示，其中1.06um的谱线能量要比其它两条的大。
所以1.06um首先达到阈值形成激光振荡。
图3.6Nd3:
YAG能级结构
3.2.3掺铒钇铝石榴石激光器（Er:
YAG）
最近几年，由于这类激光器的波长比较独特，引起了科学家的广泛关注，并且在医学应用方面也取得了较大的应用，对于未来的发展有很好的前景。
这类激光器的基本结构与Nd3+:
YAG激光器基本结构相似，通常采用脉冲氙灯泵浦，聚光腔为镀银的单椭圆柱腔或双椭圆柱腔，但是它的光学元件必须与水蒸气隔离（不隔离激光束将破坏），因此需要将激光器密闭在干燥的容器之中[7]。
它具有较高的光学性能、较小的损耗，而且激光输出方面比较的高，物理化学性能较稳定，能特别高效的去掉硬组织。
如下图3.7所示为激光输出波长为2.94微米的Er:
YAG激光跃迁能级图。
图3.7Er:
YAG激光跃迁能级图
3.2.4可调谐固体激光器
这一类激光器也具备了比较多的优异的特点：
它的内存较大，能够使储存时间较大；其使用时间长；闪光灯或者二极管泵浦时效果非常明显；在调Q的情形下也能够正常运转；产生光束性能好，并且谐波的产生能力也较好。
可调谐固体激光器指的是在一定范围内，能够使输出波长连续改变的固体激光器，我们可以将它分为两类[8]：
一类是色心激光器；一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。
前者是指工作物质为有色心的晶体，这种色心是由于正负离子的缺失造成的。
它的荧光线宽因为晶体振荡的干扰而使得其宽度较大。
色心激光器调谐范围宽为0.6～3.65微米，线宽窄，但是大部分都只能在低温下工作。
激光晶体主要包括金绿宝石、Cr:
GSGG和掺钛蓝宝石等，其中性能最好的固体可调谐材料是钛蓝宝石[9]。
3.2.5二极管泵浦的固体激光器
第一台二极管泵浦的固体激光器诞生于1962年，它不同于以往的以闪光灯作为泵浦源的固体激光器，它的泵浦源是LD，被称为全固态激光器，这主要是因为它的元器件都是“固态”的。
它的优点比较明显：
具有很强的光转换率、功率大、稳定性好、安全可靠、使用时间长以及体积小等。
全固态激光器种类很多，可以按照如下表3.1来分类：
3.3固体激光器的优点与缺点
固体激光器的优点：
1）它的能量输出较大，而且峰值处的功率也较大。
这主要是因为它的能级构造较特殊，所以能够输出能量和功率较大的激光。
这个是它最突出的优点。
2）它的物理机械强度较大，而且制造成本较低。
同另外的种类的相对照，这类激光器的构造更加简便且超级经用，而且它的生产成本还更加低。
3）所需要的材料种类繁多。
它的工作物质现在少说都有100多种，并且呈现出越来越猛烈的增长势头。
随着科学技术的发展，越来越多的特性优异的原材料被发明，以至于固体激光器的机能朝着越来越好的方向迈进。
固体激光器的主要缺点：
1）它的热稳定性较差，持续运行一段时间就生产出很大的热量。
由于它的功率和能量输出都比较大，就非常容易的导致系统发热量过大，所以必需要对其设置冷却系统，这样才能够使得激光器长时间的运行。
2）它的转换效率与另外的品种的激光器相对照，还比较低。
红宝石激光器工作转换效率一般在百分之零点五至百分之一之间的范围内，而掺钕钇铝石榴石激光器为百分之一至百分之二，百分之三已经是它的极限了。
3.4典型固体激光器的对比
类型不一致的激光器具有不同的特点，根据不同的参考角度来分析它们能够得到不同的结论。
如下表3.2，我们可以根据工作物质的不同、输出波长的长短、能级结构的差异以及不同的常用泵浦方式这四个方面来对比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
固体激光器由于功率能量较大而机械工作简单等特点，现在在各行各业都有很好的应用，并且朝着更加发展的方向迈进。
下文将对它在工业生产、军事领域和生物医学等三个领域的应用给出具体的介绍。
4.1工业加工中的应用
在工业加工领域，激光加工是最为常见的一种应用形式,我们一般将其分为光热和光化学反应两类激光加工,包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等[10]。
。
前者主要是指通过激光束的照射作用，让物体的表面发生热效应，进而达到我们想要的结果，这类有焊接、切割、性能改变、钻孔以及微小处理等。
而后者的作用原理则主要是指利用激光束投射，借助光子或者光化学反映的作用来对物体进行处理。
1）激光切割
这种方式是利用光在聚集以后产生非常强的能量，然后实现切割的功能。
在物体加工的过程中，由于这种方式能够大大的降低工人的劳动强度和成本，而且还可以保证加工物件的质量，所以得到了人们的普遍运用。
2）激光焊接这类技术是激光器用于物体加工过程中使用最频繁的一种方法。
整个过程是热传导型，即通过激光器产生的高热量激光对物体的表面进行加热，然后经过传导作用，最终使加工的物件达到我们想要的结果。
正是因为它的长处比较独特，现在已经被频繁的运用在小型的焊接工作中了。
与其它的焊接相比，它具有明显的焊接效率高、质量好以及能在常温条件下焊接的优点，而且设备构造也较简单。
3）激光钻孔
随着人们对电子产品向小型化的需求发展，就要求我们的电子线路向集成化的方向迈进，然而这种技术需要在线路板上安装越来越多的微型过孔以及盲孔。
而我们传统的手工加工方式肯定达不到想要的精度，而随之这种激光器钻孔技术的发展，很好的解决了这个问题，具有很好的应用前景。
4.2军事领域的应用
固体激光器如今在军工方面的应用也表现出了愈发强大的发展空间，它在军工方面的运用发展历程中算是激光器中的后来居上。
直到1990年，有专家研发了大功率的LD激光器，这才使得激光器在军事方面大显身手，如图4.1所示为诺思罗普·格鲁曼公司研制的高功率固体激光器。
由于激光器的输出的波长较小，这就很好的在空气中传输，进而可以达到长距离作战的使用要求，并且它的体积相对而言还较小，运用起来格外的便利，工作效率较高，对于后期的维护保障相当容易，可以在各种平台上操作。
在具体的使用方面，固体激光器在常规武器中比较受青睐，比如军事专用的测量距离的机器，有导航功能的炸弹等。
而且它还有非常大的可能向定向武器方面发展，可以用于导弹的防御、防控以及还是军舰的自我防卫等。
激光器在军事领域的成功运用，对于战场态势的转变有非常大的变化，而且随着技术的发展，它很能够实现模块化的批量生产，这就使得在军事领域更加的方面快捷，更有甚至可以成为单边作战的重要元器件。
a激光器在未来的作战使用中占据着非常重要额地位，那能够对反侦察、保护以及清楚障碍等有很好的作用，下图4.2为美国军队的激光武器理想效果图：
在早期的军事领域中，激光器主要是用来测量距离和作战时候的照明作用在上世界60年代红宝石激光测距机成功发明以后，随后的第二年就成功的运用到了军事领域。
4.3生物医学中的应用
在医学领域的成功运用还是从眼部手术开始的，1962年，人们第一次将人的视网膜和眼球利用激光进行连接，这样就可以做到不用对眼球进行切开就能达到治疗的效果。
固体激光器于生物医疗领域中的使用包括医学研究工具、激光诊断和激光治疗三大类。
1）医学研究工具
在研究医学病理、生理、生化的过程中，我们可以通过固体激光器的激光照射各个细胞，以便对细胞的生理开展探究，也可利用激光来做细胞手术。
现在固体激光器已经变成了科研人员研究遗传学和胚胎学实验非常重要的器材。
2）激光诊断
利用这种测试方法可以很好的对活体组织进行内部的检测。
所以在对人体的手指、牙齿以及小孩的脑积水方面都有很好的应用。
比如现在科学家正在研究利用能量为400J、输出宽度为半毫米的激光器对牙齿进行检测。
利用激光器来检测血药流动方面的内容的时候，在不需要血药进行扰乱的情况下就可以成功的测量。
当对生物的组织进行定量测试的时候，我们可以很简单的测定被测对象身体各个部位的细胞成分，来检查对象内的元素成分。
3）激光治疗在激光治疗的过程中，现在我们最为常用的方法就是利用激光器的凝结机。
在进行手术的时候，我们通过激光手术刀的作用就可以对身体内的手术部位进行治疗，这样就可以很好的减轻血量的流失，而且后期恢复较快，没有干扰等。
在视网膜、青光眼以及巩膜的手术上面红宝石激光器也非常方便，红宝石激光器不仅是全球第一台激光器，也是最早在医学治疗中使用的激光器[11]。
而且由于它的工作波长是可见光范围，不宜与血红蛋白进行作用，所以在各种色素引起的病变中非常的实用。
在生物医学治疗中使用越来越普及的固体激光器是Nd3+：
YAG激光器，由于这一类激光器具有多种优良特性：
转换的效率相当的高，超级大的激光输出功率，其中激光输出功率在单根的晶体工作时能够高达百瓦，与CO2气体激光器相比，具有更好的止血和凝固作用，因此在医学领域中经常起手术刀的作用，它的作用是在解剖血管饱满的组织时，使出血量极低。
这类激光器能够输出脉冲能量相当大的激光，并且激光在水和血红蛋白中时很难被吸收，因此能够渗透到很深的组织中。
由于Nd3+：
YAG激光器通过倍频技术可以得到波长为532nm的绿色激光，且其穿透较浅，因而一般仅限于对较浅的血管性病变进行治疗，另外，倍频Nd3+：
YAG激光也可广泛应用于胃出血、血管瘤的的治疗及显微外科手术，对于由红的染料颗粒所引起的文身、文唇等人为的皮肤色素变异亦具有一定的治疗效果[12]。
如下图4.3为激光手术示意图。
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、覆盖波段长，坚固耐用、激光加工方式多样、使用方便、输出功率大等多种优异的特点，它是以掺有少量激活离子的晶体、玻璃或陶瓷作为工作物质的激光器[13]。
从于1960年发明的世界上首台固体激光器到现在的高功率的全固态激光器，固体激光技术的成长日新月异，百花齐放，为了与新环境下对应用的要求同步，固体激光器就必须朝着实用、高效以及商品化的方向转移，即朝着全固化、输出激光的脉冲和波长及其短的方向发展，并且在当前已经得到了非常好的成绩。
第一，改进了增益介质。
最开始的增益介质是红宝石，接下来是钕玻璃、掺钕钇铝石榴石、掺钕镓钆石榴石，而如今的新型激光材料的基质是陶瓷。
第二，对于泵浦的光源我们已经改良了很多。
泵浦源从之前的闪光、弧光灯变化到现在的LD泵浦，获得的输出功率变得越来越大。
第三，对于增益介质的构造也有较大的改善，由原来传统的棒、板条式的构造更新为现在的盘片、光纤式的构造。
如今，虽然固体激光器已经获得了很多令人仰慕的成绩，但是很多技术还是不够成熟，可靠性还有待科研人员的进一步加强。
目前激光器市场前景最广阔的发展方向是使器件的体积愈来愈小、器件的重量愈来愈轻、效率愈来愈高、光束质量愈来愈好、可靠性愈来愈高、寿命愈来愈长、运转愈来愈敏捷的全固态激光器。
全固态激光器的应用扩展到了各个领域，它的结构、输出功率、转换效率以及光束质量都取得了非常大的进步，具有强大的生命力。
随着国家的相关政策对一些激光技术项目的大力支持，许多技术将从研究变为产业化，并最终运用到我们的日常活动中。
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