激光器械与维护 文本材料 第4章 固体激光器.docVIP

第4章 固体激光器 4.1固体激光器的结构 4.1.1固体激光器工作物质特性（YAG、YVO4） 教学目标 1.掌握固体激光器工作物质（YAG）的特性 2.掌握固体激光器工作物质（YVO4 ）的特性 教学内容 1.固体激光器工作物质（YAG）的特性 2.固体激光器工作物质（YVO4 ）的特性 固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体、玻璃（纤维）或者特殊物质作为工作物质的激光器，是激光发展史上最早实现激光工作的激光器，目前已经实现激光振荡的固体工作物质有百余种，激光谱线有数千条，但是最常用的固体激光工作物质主要有红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石、半导体和光纤等。 一、固体激光器工作物质特性（YAG） YAG是固体激光器中典型的工作物质，俗称掺钕钇铝石榴石，它是将一定比例的A12O3、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3+)，其吸收光谱如下图所示： Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱 由图可知,在紫外、可见光和红外区内有几个很强的吸收带。YAG激光器中Nd3+离子与激光产生有关的四能级系统如下图所示，四能级系统结构中对应的荧光谱线的中心波长分别为1.35μm和1.06μm。由于1.06μm比1.35μm的荧光强约4倍，所以在激光振荡中，将只产生1.06μm的激光。 Nd3＋:YAG晶体的能级结构 总之，Nd3+:YAG晶体的优势主要有: 1.量子效率高。 2.荧光寿命短。 3.受激辐射截面大。 4.高增益、高效率、激光阈值低。 5.光学品质高，对1064nm光波吸收少。 6.优良的热学性能，机械强度好。 7.适用于连续、脉冲和多模等多种工作方式。 二、固体激光器工作物质特性（YVO4 ） 掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd3+:YAG相比，Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。激光二极管泵浦的Nd:YVO4晶体与LBO,BBO,KTP等高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率，可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。 纯（不掺杂）的YVO4晶体是近年来新开发出的优秀的双折射光学晶体，在可见及近红外很宽的波段范围内有良好的透光性，较大的折射率值及双折射率差。与其它重要的双折射晶体相比，YVO4晶体比冰洲石（CaCO3单晶）硬度高，机械加工性能好，不溶于水，并可人工生长（冰洲石需依赖天然资源）；YVO4晶体也比金红石（TiO2单晶）易于生长出大块优质晶体，价格大大低于金红石。这些优异特性使YVO4晶体迅速成为新型的双折射光学材料，在光电产业中得到广泛的应用。YVO4晶体与金红石等晶体组合，还可以得到理想的温度补偿效果，大大提高光通讯系统的温度稳定性。 总之，Nd:YVO4晶体的优势主要有: 1.在808nm左右的泵浦带宽内，Nd:YVO4的效率约为Nd3+:YAG的5倍。 2.Nd:YVO4晶体在1064nm处的受激发射截面是Nd3+:YAG的3倍。 3.Nd:YVO4晶体光损伤阈值低，效率高。 4.Nd:YVO4为单轴晶体，输出为线偏振光。 课程小结 本次课主要介绍了固体激光器工作物质YAG和YVO4的特性。 作业布置 1.常用的固体激光工作物质主要有哪些？ 2.简述固体激光器工作物质（YAG）的优势。 3.简述固体激光器工作物质（YVO4 ）的优势。 4.1.2固体激光器的工作机理 教学目标 1.理解微观粒子能级间的粒子数反转 2.掌握激光产生的三个基本条件 3.掌握激光产生的过程 教学内容 1.微观粒子能级间的粒子数反转 2.激光产生的三个基本条件 3.激光产生的过程 一、光与物质的相互作用 光与物质的相互作用有三种不同的过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。 光的自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子。 光的自发辐射 光的受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。 光的受激吸收 光的受激辐射：高能级E2上的原子当受到外来能量 的光照射时向低能级E1跃迁， 同时发射一个与外来光子完全相同的光子。 光的受激辐射 二、实现能级间粒子数反转产生激光的物理过程 实现上下能级之间粒子数反转产生激光的物理过程：三能级和四能级系统。 三能级系统： E1—基态能级，又是激光下能级，也是抽运能级。 E2—激光上能级，是亚稳态能级。 E3—抽运能级，非辐射跃迁几率大。 其主要特征是激光的下能级为基态， 发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量