固体激光器原理及应用

赣 南 师 范 学 院 学 士 学 位 论 文

固体激光器原理及应用

教学学院 物理与电子信息学院 届 别 2010届 专 业 电子科学与技术 学 号 060803013 姓 名 丁志鹏 指导老师 邹万芳 完成日期 2010.5.10

目 录

摘要 ............................................................................................................... 1 关键词 ........................................................................................................... 1 Abstract ....................................................................................................... 1 Key words ..................................................................................................... 1 1 引用 ........................................................................................................ 2 2 激光与激光器 ........................................................................................ 2 2.1 2.2

激光 ................................................................................................... 2 激光器 ............................................................................................... 3

3 固体激光器 ............................................................................................ 5 3.1 3.2 3.3 3.4

工作原理和基本结构 ....................................................................... 5 典型的固体激光器 ........................................................................... 8 典型固体激光器的比较 ................................................................. 12 固体激光器的优缺点 ..................................................................... 13

4 固体激光器的应用 .............................................................................. 13 4.1 4.2 4.3

军事国防 ......................................................................................... 13 工业制造 ......................................................................................... 16 医疗美容 ......................................................................................... 18

5 结束语 .................................................................................................. 18 参考文献 ..................................................................................................... 20

摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。

关键词：固体激光器 基本原理 基本结构 应用

Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced.

Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application

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1 引用

世界上第一台激光器—红宝石激光器（固体激光器）于1960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。

固体激光器从其诞生开始至今，一直是备受关注。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。

未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展： a) 高功率及高能量 b) 超短脉冲激光 c) 高便携性 d) 低成本高质量

现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。

2 激光与激光器

2.1 激光

2.1.1 激光（LASER）

激光的英文名——LASER，是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写[1]。 2.1.2 产生激光的条件

产生激光有三个必要的条件[2]：

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1) 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（ 原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；

2) 有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能 级之间产生粒子数反转；

3) 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方 向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 2.1.3 激光的特点

与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。

2.2 激光器

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至χ射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。 2.2.1 激光器的诞生史

激光器的诞生史大致可以分为以下三个阶段[3]：理论基础阶段、粒子数反转阶段和激光器产生（竞赛）阶段。 2.2.2 激光器的分类

1960年，梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。

如下表1所示，分别从激光的工作物质、激励方式、运转方式和输出波长范围等四个方面进行分类。

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分类方式

工作物质

气体激光器

染料激光器

半导体激光器

固体激光器

其他激光器

激励方式

光泵式激光器

化学激光器

化学激光器

核泵浦激光器

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

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表1

3 固体激光器

3.1 工作原理和基本结构

在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。

如图1所示,固体激光器的基本结构（有部分结构没有画出）。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。

图1 固体激光器的基本结构

1) 工作物质

工作物质——激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质 两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系

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统（例如Er：YAG激光器）。工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状[5]。

2) 泵浦系统

泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目 前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。

常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件（尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源），二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。

LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦（如下图2 a）；纵向:垂直入射的侧面泵浦（如图2 b）。

图2 LD泵浦方式结构示意

LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。

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3) 聚光系统

聚光腔的作用有两个[6]：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合； 另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。如下图3所示为椭圆柱聚光腔，是目前小型固体激光器最常采用的。

图3 椭圆柱聚光腔

4) 光学谐振腔

光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要 组成部分。光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。

5) 冷却与滤光系统

冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。

固体激光器工作时会产生比较严重的热效应，所以通常都要采取 冷却措施。主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以

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保证激光器的正常使用及器材的保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。

要获得高单色性的激光束，滤光系统起了很大的作用。滤光系统 能够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。

3.2 典型的固体激光器

固体激光器从诞生之日至今，器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了许多种类,但是使用较多的主要是红宝石、掺钕钇铝石榴石、LD泵浦的固体激光器和可调谐固体激光器四种。 3.2.1 红宝石激光器（Cr3:Al2O3）

红宝石是由蓝宝石（Al2O3）中掺入少量的氧化铬（Cr3O2）而形成。红宝石激光器的工作物质是Cr3:Al2O3，其中，Al2O3作为基质晶体，Cr3是发光的激活粒子，光谱特性与Cr3的能级结构有关，它是三能级系统。如下图4所示为红宝石晶体Cr3能级图[7]。在室温情况下，红宝石激光器一般输出694.3nm的红光。

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图4 红宝石中铬离子的能级结构

红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好，高功率密度，大尺寸晶体，亚稳态寿命长，高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。

3.2.2 掺钕钇铝石榴石激光器（Nd3:YAG）

Nd3:YAG激光器是迄今为止使用最为广泛的固体激光器。在固

体基质中掺入了激活粒子Nd3，基质钇铝石榴石（英文缩写为YAG）具有优良的光学、力学和热学性能，是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质。如下图5所示，为Nd3:YAG能级图。在室 温下，Nd3:YAG一般输出的激光波长为1.064m。

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图5 Nd3:YAG能级结构

Nd3:YAG激光器几乎没有什么缺点，突出优点是阈值低和优良

的热学性能。目前对Nd3:YAG的应用远超过其他固体工作物质，可以说，Nd3:YAG出现至今，被大量使用，长盛不衰。 3.2.3 掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）

Er:YAG激光器的出现是激光在医疗领域的一大突破。

它的基本结构与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，但是其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[8]。 如下图6所示，为Er:YAG激光跃迁能级图，其输出的波长为2.94m。

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图6 Er:YAG激光跃迁能级图

现今，Er:YAG激光器的最大平均功率已达到3W，最大脉冲输出已达到5J，是迄今为止输出功率最大、效率最好的长波长固体激光器；加之交换输出波长为2.94m，这正是人体组织的吸收波长，这个也是

Er:YAG的一个非常突出的优点。因此在医疗方面（尤其是激光外科

和血管外科）有很大的应用潜力[9]。

目前，激光器并没有像上述两种激光器一样被广泛的应用，但是我们相信，在不久的将来它会在固体激光器当中占有一个非常重要的地位。

3.2.4 可调谐固体激光器

可调谐固体激光器的出现可以说是固体激光器的重大发展。

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它是指在一定范围内，可以连续改变输出波长的固体激光器。我们可以将它分为两类[10]：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。

色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。色心激光器的阈值较低，容易实现单模运转，并且光束质量好，特别是调谐范围覆盖0.8~3.9m。这是其他可调谐激光器难以达到的。但色心激光器大都只适合在低温下工作，且使用过程中，仍然不太稳定。与此相比，掺过过渡金属的激光晶体制作的可调谐激光器，性能更加优越。主要的激光晶体有金绿宝石、Cr：GSGG、掺钛蓝宝石等。其中钛蓝宝石是目前性能最好的固体可调谐材料[11]。

3.3 典型固体激光器的比较

如下表2所示，将从工作物质、输出波长、能级系统和常用泵浦方式等四个方面对上述固体激光器进行简单的比较。 内容 工作物质 激光器 红宝石 激光器 掺钕钇铝 石榴石激光器 掺铒固体 激光器 可调谐固体 激光器 Cr:Al2O3 3输出波长 0.6943m 0.6929m 1.06m 1.35m 2.94m 能级系统 常用泵浦 方式 光泵浦 三能级 Nd:YAG 3四能级 光泵浦 Er:YAG 四能级 光泵浦 钛蓝宝石 0.8~3.9m 四能级 光泵浦 12

表2 典型固体激光器的比较

3.4 固体激光器的优缺点

固体激光器主要优点：

1) 输出能量大，峰值功率高。在固体激光器中，由于中心粒子的 能级结构，能够输出大能量，并且峰值功率高。这个是固体激光器非常突出的优点。

2) 结构紧凑耐用，价格适宜。和其他类型的激光器相比，固 体激光器的结构非常简单并且非常耐用，同时价格相对适宜。

3) 材料种类数量多。固体激光器的工作物质的种类非常多，到目 前为止至少有一百多种，而且大有增长的趋势。大量高性能的材料的出现，是固体激光器的性能进一步的提高。

固体激光器的主要缺点：

1) 温度效益比较严重，发热量大。正是由于输出能量大，峰值功 率高，导致热效应非常明显，因此固体激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激光器的正常连续使用。

2) 转换效率相对较低。固体激光器的总体效率非常低，例如红宝 石激光器的为0.5%~1%左右，YAG激光器的总体效率为1%~2%，在最好的情况下可接近3%。可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。

4 固体激光器的应用

固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。

4.1 军事国防

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在激光器军事应用的过程中，固体激光器可算是后起之秀。直到20世纪90年代，由于激光技术的发展，固体激光器才在各种军事应用领域崭露头角，并成为绝对的主角。

1) 常规的固体激光武器

激光测距仪是部队中使用最普遍的激光系统，他们被装备在主站坦克、火炮和步兵战车上等。装备之后，可以大大的提高攻击命中率。相比传统的光学瞄准装备，命中率提高数倍。目前，服役的激光测距仪大多数是1.06m的掺钕钇铝石榴石（Nd3:YAG）激光测距仪。但由于长期使用该固体激光器容易让人眼膜损坏，目前正在转向对人眼安全的1.54m掺铒（Er）的磷酸玻璃激光器。当然，还有一些被大量使用的常规激光武器，例如激光目标指示器（LD泵浦的固体激光器），激光雷达等[12]。

2) 激光导弹防御系统

激光导弹防御或称激光反导的基本特征是：用由光速的高能激光 去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。我们可以说这方面是LD泵浦的固体激光器的天下，因为它有一些突出的优点。目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用LD泵浦的固体激光器[13]。

3) 未来的激光武器

未来的固体激光武器主要的方向是超高功率和高便携性。高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分，将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高，充分发挥每一个兵的作用，当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这两个目标发展，当然实现

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这两个目标还需很漫长的等待。如下图7所示，为美军未来车载激光武器效果图[14]：

图7 美军未来车载激光武器效果图

如下图8[15]所示为诺思罗普·格鲁曼公司研制出的高功率固体激光器，起功率达到100千瓦，可以说这个功率的出现是固体激光器向高功率方向发展迈出的非常有意义和非常重要的一步。

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图8 诺思罗普·格鲁曼公司研制出的高功率固体激光器

4.2 工业制造

激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。这里我们主要来看看固体激光器的加工应用。

1) 激光切割技术

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比，激

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光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。

目前常采用1.06m波长的YAG激光束。 2) 激光焊接技术

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功地应用于微小型零件焊接中。与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小，能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单[16]。

目前尽管CO2激光器为主导热源，但是Nd3:YAG激光器也有一席之地。

3) 激光清洗技术

激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒、锈斑或涂层等附着物发生瞬间蒸发或剥离，从而达到清洁净化的工艺过程。与普通的化学清洗法和机械清洗法相比，激光清洗有如下特征[17]：

a) 是一种完全的“绿色”清洗； b) 清洗的对象广泛；

c) 几乎能够清洗所有的固体基材且不损伤基材； d) 容易实现自动化基材。

目前的典型的设备主要是LD泵浦固体激光器和Nd3:YAG激光器。

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4.3 医疗美容

固体激光器医疗与美容方面的应用也是非常广泛的，但是在这方面可以说Nd3:YAG激光器“一家独大”。

Nd3:YAG激光器是医学中用得较多的固体激光器，它的转换率

高，输出功率大，单根晶体工作时输出功率可达百瓦，比CO2气体激光止血及凝固效果好，故在医学上常用来做手术刀，广泛应用于普外科、耳鼻喉科、泌尿科和骨科及整形科经皮椎间盘手术等，切割血管丰富的组织，大大减少出血。Nd3:YAG激光脉冲能量大，不易被水和血红蛋白吸收，故穿透组织较深[18]。

Nd3:YAG激光器采用倍频技术可输出532nm的绿色激光，即倍

频Nd3:YAG激光，光斑直径2~6mm，能量密度为5~12j/cm2。虽然血管中的氧合血红蛋白对波长为532nm的光的吸收次于585nm的光，但可选择532nm波长激光适当脉宽对血管性病变组织进行治疗。由于其穿透较浅，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[19]。

黑色素细胞对532nm的激光的吸收较强，加之皮肤组织对该波长的散射较强，照射在皮肤上的532nm激光能量被局限在皮肤表皮层，采用调Q技术后，可对表浅型黑色素细胞增生，如咖啡斑、老年斑、雀斑等达到较好的治疗效果[20]。

5 结束语

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固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激光器。从世界上第一台激光器发明至今，固体激光技术取得了很大的发展，主要表现三个方面：第一是工作物质不断改进。最初是红宝石激光器，后来出现了钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器，现在又有了掺钕镓钆石榴石激光器。还有报道称，目前出现了以陶瓷为基质的新型激光材料。第二是泵浦光源的改进。最初是闪光灯，后来发展为弧光灯，现在出现了高功率激光二极管泵浦。第三是工作物质结构的改变。从最初的棒式结构发展成板条式，又到后来的光纤式结构。 固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。

总之，固体激光技术的发展过程是一个不断革新的过程，固体激光器发展到今天，无论在结构、输出功率、转换效率还是光束质量方面都有了很大进步。

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