固體激光器簡介

5.3固體激光器Solidstatelaser1960年7月，美國休斯公司實驗室梅曼制成世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器問世，標志了激光技術的誕生。波長為694.3nm的激光。1961長春光機所RubyLaser

1964上海光機所成立1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)－－神光裝置，在中國科學院上海光學精密機械研究所研制成功。主要介紹固體工作物質(zhì)、光泵浦系統(tǒng)、工作物質(zhì)的熱效應等5.3.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)一、固體激光器結(jié)構(gòu)：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。下圖是長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。

固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖二、固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)基質(zhì)材料摻雜離子物理、化學性能光譜特性基質(zhì)材料玻璃晶體硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃氧化物晶體氟化物晶體各自又分為單一和混合兩類激活粒子可分為四類（1）三價稀土金屬離子（2）二價稀土金屬離子（3）過渡金屬離子（4）錒系金屬離子固體工作物質(zhì)達數(shù)百種，已獲得數(shù)千條激光光譜線摻雜離子濃度1025~1026m-3,比氣體工作物質(zhì)高3~4個數(shù)量級，且固體工作物質(zhì)激光上能級壽命也比較長，易于獲得大能量輸出，適合調(diào)Q1、紅寶石紅寶石晶體紅寶石的化學表示式為Cr3+:Al203,其激活離子是三價鉻離子Cr3+,基質(zhì)是剛玉晶體(化學成分是A12O3)。紅寶石屬六方晶系,是無色透明的負單軸晶體。紅寶石是在Al2O3中摻入適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相應的Cr3+密度為ntot=1.58x1019cm-3。

紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+。原子Cr的外層電子組態(tài)為3d54s1,摻入Al2O3后失去外層三個電子成為三價鉻離子Cr3+,Cr3+的最外層電子組態(tài)為3d3。紅寶石的光譜特性就是Cr3+的3d殼層上三個電子發(fā)生躍遷的結(jié)果。這三個d電子完全暴露在最外層,受基質(zhì)晶格場的影響很大。Cr3+在很強的晶格場作用下,其能級發(fā)生很大的變化,呈現(xiàn)出極為復雜的能級分裂和重新組成的情況。通過實驗和理論分析,已確定紅寶石中Cr3+的工作能級屬三能級系統(tǒng)。如圖5-3所示。4A2是基態(tài)又是激光下能級,其簡并度g1=4,2E是亞穩(wěn)態(tài),它是由能量差為29cm的2A和E二能級組成,其簡并度都為2。4F1和4F2是兩個吸收能帶。紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)Cr3+:Al2O3六方晶系，負單軸晶體,粉紅色提拉法生長,可以獲得大尺寸晶體紅寶石的吸收光譜如圖5-2所示。由4A2向4F1躍遷吸收紫藍光,峰值波長在0.41um附近,稱為紫帶或U帶。由4A2向4F2躍遷吸收黃綠光,峰值波長在0.55μm附近,稱為綠帶或Y帶。這是兩個很強很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約0.1um左右。由于紅寶石晶體的各向異性,它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關。在入射光的振動方向與晶體光軸C相垂直或平行這兩種情況下,其吸收曲線略有差別,見下圖。紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)

紅寶石有兩條強熒光譜線(R1和R2線),分別為E和2A能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的,室溫下對應的中心波長分別為0.6943um和0.6929um。通常紅寶石激光器中只有

R1=0.6943μm線才能形成激光輸出。應指出,紅寶石激光器通常只產(chǎn)生0.6943um的受激輻射。這是因為亞穩(wěn)態(tài)能級2E分裂成2A和E兩能級,躍遷到2E上的粒子按波爾茲曼分布規(guī)律分布于2A和E上,2A能級上約占47%,E能級上約占53%。這就是說E能級比2A能級有更多的粒子數(shù)。而且R1線熒光強度比R2線高,使得R1線的受激輻射幾率比R2線高。因此,R1線容易達到閾值而形成激光振蕩。同時,2A和E相距很近,一旦E上的粒子躍遷后,2A上的粒子便迅速地(約10ns)轉(zhuǎn)移到E上去,這就加強了R1線,而抑制了兒線。在激光脈沖持續(xù)時間遠大于10-9s時,亞穩(wěn)態(tài)上的位子均將通過R1線的受激輻射回到基態(tài),因此可把E,2A合并起來看成一個簡并度g2=4的能級。

紅寶石突出的缺點是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。但具有很多優(yōu)點,如:機械強度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達上千焦耳。單級調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進行了測距試驗)。多級放大器件的輸出峰值功率已達數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻比較大的一種晶體。紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡稱)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。一般含Nd3+量為1%原子比,此時Nd3+的密度為1.38×1020cm-3,顏色為淡紫色。實際制備時是將一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶系,是各向同性晶體。2、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子(Nd3＋)，其吸收光譜如圖所示Nd3＋:YAG晶體的吸收光譜Nd3＋:YAG的能級結(jié)構(gòu)YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生有關的能級結(jié)構(gòu)如圖所示。它屬于四能級系統(tǒng)。

1.06um比1.35um的熒光約強四倍,1.06um的譜線先起振,進而抑制1.35um譜線起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生1.06um激光。只有采取選頻措施，才能實現(xiàn)1.35um波長的激光振蕩。3、釹玻璃

繼1960年第一臺紅寶石激光器問世后,1961年便出現(xiàn)了釹玻璃激光器。釹玻璃是在某種成分的光學玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。最佳摻入Nd2O3量為1%~5%重量比。對應3%的摻入量,Nd3+的濃度為3×1020/cm3。Nd3+在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。玻璃的制備工藝比較成熟,易獲得良爭好的光學均勻性,玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達1~2m,直徑30~100mm,可用來制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路中的光放大或振蕩。

釹玻璃最大的缺點是導熱率太低,熱脹系數(shù)太大,因此不適于作連續(xù)器件和高頻運轉(zhuǎn)的器件,且在應用時要特別注意防止自身破壞。E4:含三個吸收帶(抽運能帶)*(吸收特定波長的光而躍遷到這三個吸收帶)(中心波長5900A)(...............7500A)(...............8000A)E3:三條激光譜線公共的激光上能級

E2:含二條激光譜線的二個激光下能級(四能級系統(tǒng)),即(,對應1.4μm

譜線)(,對應1.06μm譜線)

釹玻璃的能級結(jié)構(gòu)和躍遷光譜

E1:基態(tài),一條激光譜線的激光下能級(三能級系統(tǒng)):(

對應0.9μm譜線)

躍遷譜線:

①1.06μm:四能級系統(tǒng),躍遷幾率大,通?？捎^察到;

②1.4μm:四能級系統(tǒng),躍遷幾率較小,不一定可觀察到;③0.9μm:三能級系統(tǒng),難實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),一般不出現(xiàn).5.3.2固體激光器的泵浦系統(tǒng)

一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般采用光泵浦激勵。最常用的泵浦光源有惰性氣體放電燈(燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體)、金屬蒸氣燈(燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）、鹵化物燈(碘鎢燈、鑷鎢燈等)、半導體激光器、日光泵(用聚光鏡將日光會聚到激光棒中)等。脈沖氙燈的輻射強度和輻射效率較其他燈都高,是紅寶石釹玻璃和Nd:YAG脈沖激光器中應用最廣泛的一種燈.氪燈在低電流密度下工作時,其輻射光譜與Nd:YAG泵浦吸收帶相匹配,故在連續(xù)和小能量脈沖Nd:YAG器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用220V電壓即可,使用簡單、方便,在功率小于1OW的連續(xù)Nd:YAG器件中可以應用。砷化鎵半導體激光器體積小,產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配,可用于小型摻鐵激光器。日光泵適用于空間技術中的激光器。

在各種泵浦光源中,以惰性氣體放電燈應用最普遍。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和聚光器。

二、泵浦光源應當滿足兩個基本條件。①有很高的發(fā)光效率②輻射的光譜特性應與激光各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配.

1惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氣體組成。見圖

(a)。

電極是用高熔點、高電子發(fā)射率,又不易濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢,高功率燈的電極要設計成水冷結(jié)構(gòu),見圖(b),燈管用機械強度高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙(Xe)、氪(kr)氣體。

2惰性氣體放電燈的輻射特性氙燈在低電流密度放電(如連續(xù)燈放電和小能量脈沖燈放電)時,輻射的特征譜線的峰值波伏在0.84、0.9和1um附近。氪燈在低電流密度放電時,輻射的特征譜線的峰值波長在0.76、0.82和0.9um附近?？梢?氪燈的特征譜線與Nd:YAG的主要泵浦吸收帶相匹配,因此連續(xù)和小能量(<10J)脈沖Nd:YAG激光器用氪燈泵浦效率較高。實驗發(fā)現(xiàn)：充氣壓增高,特征譜線的線寬也增加。隨著放電流密度的增大,連續(xù)譜增加的份量比線譜多,當電流密度增加到一定值后,連續(xù)譜逐漸掩蓋了線光譜,與黑體輻射相接近,且短波部分的增長比長波快,光譜重心移向短波。因此,在高電流密度放電情況下,有利于紅寶石的吸收。大中型釹玻璃和Nd:YAG脈沖激光器,由于泵燈的放電電流密度高,燈輻射的特征譜線相對減弱,此時應采用輻射能量大、效率較高的脈沖氙燈。

3聚光器(或稱泵浦腔)

其作用是將泵浦光源輻射的光能最大限度地聚集到工作物質(zhì)上去聚光器設計得好壞直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率和激光性能。

（1）.聚光器的類型

①橢圓柱聚光器。這種聚光器的內(nèi)反射表面的橫截面是一橢圓。因為從橢圓一個焦點發(fā)出的所有光線,經(jīng)橢圓面反射后將會聚到另一焦點上。因此,如果把直管燈和棒分別置于橢圓柱聚光器的兩條焦線上(如圖a所示),則可以得到比較好的聚光效果。這種放置方法稱為“焦上放置”也可將泵燈和激光棒平行地安置在焦線和腔壁之間,這種放置稱為“焦外放置”。(如圖b所示),橢圓長輔上焦點外任意點發(fā)出的光,經(jīng)橢圓反射后必交于另一端焦點外的長袖上,因此,焦外放置的棒可以截獲焦外放置的泵燈所輻射的大部分能量。焦外放置不如焦上放置成象質(zhì)量好,但采用焦外放置,結(jié)構(gòu)設計上可以做得比較緊湊。

圖b橢圓腔的焦外幾何光路圖a橢圓柱聚光腔

設橢圓的長半軸為a,短半軸為b,焦距為2c,偏心率為e=c/a.理論和實驗分析發(fā)現(xiàn),在燈內(nèi)徑和激光工作物質(zhì)確定后,e越小,聚光器的聚光效率越高,因為e小,泵燈截面經(jīng)橢圓面反射后成象彌散小,光能被工作物質(zhì)截獲得多。但e太小,意味著a大或c小.a大則聚光器尺寸大。c小則二焦點靠得近,采用"焦點"放置時則燈和工作物質(zhì)靠得近,直照強,容易造成工作物質(zhì)光照不均勻,影響激光光斑質(zhì)量.因此,一般取e=0.4為宜。

為了盡可能利用沿軸向發(fā)射的泵燈光能,在橢圓柱的兩端應有反射端面。但當聚光器橫向尺寸較小,而軸向尺寸比棒、燈長得多時,兩端也可以不加反射面,因為此時可利用的軸向光能很少。

②圓柱聚光器.這種聚光器的內(nèi)反射表面是一個圓柱空腔,激光棒和泵燈置于軸線兩側(cè).由于圓相當于焦點重合的橢圓,因此圓柱聚光器內(nèi)棒、燈的放置相當于橢圓柱聚光器的"焦外放置"。

圓柱聚光器對泵浦光的聚焦能力不如橢圓柱聚光器強,而且在同樣棒、燈直徑情況下,圓柱聚光器橫截面積大,體積也大。但它具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便等優(yōu)點。

（2）聚光器的材料選擇制做聚光器時，常用的金屬材料石鋁、銅和不銹鋼，常用的非金屬材料有玻璃、陶瓷等。鋁通常用在輕型系統(tǒng)中；如果重量要求不嚴時，最好選用銅，這是因為銅的熱脹。熱導率高；不銹鋼具有不易生銹和拋光精度高等優(yōu)點，但熱導率很低，僅為銅的1／10。玻璃和陶瓷雖然易碎，導熱性差，但它們具有金屬所沒有的優(yōu)點，如不生銹，不易被腐蝕。陶瓷的漫反射性能也好，可制成反射率很高的漫反射激光器。三、固體激光器的熱效應固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻等，其中以液冷最為普遍。泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。五、LD泵浦固體激光器（DPL)1、優(yōu)勢光譜窄，與工作物質(zhì)吸收帶匹配可提高效率，減輕熱效應結(jié)構(gòu)緊湊壽命長，連續(xù)>104h，脈沖>109次波長630～680nmAlGaInP770～990nmGaAlAs900～1000nmInGaAs模塊化2、泵浦方式——A端面泵浦2、泵浦方式——B側(cè)面泵浦2、泵浦方式——C基于內(nèi)反射的泵浦Imagefrom:/repairfaq/sam/l54-101.gif

Diode-pumpedsolidstate(DPSS)5.3.3固體激光器的輸出特性1.固體激光器的激光脈沖特性2.轉(zhuǎn)換效率

總體效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對于連續(xù)激光器(用功率描述)和脈沖激光器(用能量描述)分別表示為：

一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩的短脈沖(或稱尖峰)組成的，各個短脈沖的持續(xù)時間約為(0.1

1)

m，各短脈沖之間的間隔約為(5

10)

s。泵浦光愈強，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡峰值并不增加。

固體激光器運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)換效率太低。紅寶石激光器的總體效率為0.5%～0.1%左右,YAG激光的總體效率為0.1%～0.2%左右.這是因為放電燈的發(fā)射光譜由連續(xù)譜和線狀譜組成,覆蓋很寬的波長范圍,其中只有與工作物質(zhì)吸收波長相匹配的波段的光可有效地用于激勵.

采用波長與激光工作物質(zhì)吸收波長相匹配的激光作激勵光源大大提高激光器效率.例如,Nd:YAG中寬約30nm的810nm泵浦吸收帶中含有多條吸收譜線,若用波長為810nm的半導體激光二極管輸出光泵浦可以準確對準2nm的810nm吸收譜線,半導體激光二極管激勵的固體激光器的總體效率可以做到20%～50%左右.5.4染料激光器

染料激光器采用溶于適當溶劑中的有機染料作激光工作物質(zhì)。

適用作激光工作物質(zhì)的染料是包含共輒雙鍵的有機化合物。一、染料分子能級

染料分子能級圖

染料分子的能級如圖所示,染料分子能級的特征可用“自由電子”模型說明。復雜的染料大分子中分布著電子云,電子云中的2n個電子與勢阱中的自由電子相似。當分子處于基態(tài)時,2n個電子填滿n個最低能級,每個能級為兩個自旋相反的電子所占據(jù),總自旋量子數(shù)為零,形成單重態(tài)S0。當分子處于激發(fā)態(tài)時,電子云中有一個電子處于較高能級。若此電子自旋方向不變,則總自旋量子數(shù)仍為零,形成S1、S2等單重激發(fā)態(tài)。若此電子自旋反轉(zhuǎn),則形成T1、T2等三重態(tài)。由選擇定則可知,單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍遷是禁戒的。每一個電子態(tài)都有一組振動——轉(zhuǎn)動能級。電子態(tài)之間的能量間隔為106m-1量級,同一電子態(tài)相鄰振動能級間的能量間隔為105m-1,而轉(zhuǎn)動子能級間的能量間隔僅為103m-1量級。實際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動引起的加寬,使得振動、轉(zhuǎn)動能級幾乎相連。因此每個電子態(tài)實際上對應一個準連續(xù)能帶。染料分子能級圖二、染料分子的光輻射過程染料分子能級圖

染料分子吸收了泵浦光能量由基態(tài)S0躍遷到S1的某一振轉(zhuǎn)能級后,在和溶劑分子頻繁的碰撞中迅速地將能量傳遞給溶劑分子并躍遷至S1的最低振轉(zhuǎn)能級。染料分子由此能級躍遷至S0的各振動能級時產(chǎn)生熒光。躍遷至S0的較高振轉(zhuǎn)能級的染料分子迅速通過無輻射躍遷過程返回S0的最低能級。由以上敘述可知,在S1的最低振轉(zhuǎn)能級和S0的較高振轉(zhuǎn)能級間極易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。產(chǎn)生激光。由于S0和S1都是準連續(xù)帶,吸收譜和熒光發(fā)射譜都是連續(xù)的,所以染料激光器有很寬的調(diào)諧范圍。三、染料分子的三重態(tài)“陷阱”

處于S1態(tài)的分子還可通過碰撞容易地向T1態(tài)躍遷,這一過程稱作系際交叉,其速率KST一般為10-2ns-l左右,雖然這一速率較S1態(tài)的自發(fā)輻射速率(≈ns-1)小得多,但由于T1態(tài)的壽命τT較長(10-4~10-3s),分子較易積聚在T1態(tài),所以T1態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當一個“陷阱”。一方面，T1占有S1上部分分子，減少了S1對S0的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面，積累在T1中的大量分子又會吸收光能，由T1躍遷到T2，并且而T1→T2躍遷的吸收波長又恰好與S1→S0躍遷熒光波長重疊,這意味著T1態(tài)積聚的染料分子可吸收受激輻射光子而向T2態(tài)躍遷,因此染料分子在T1態(tài)集聚不利于激光運轉(zhuǎn)。顯然,只有在S1→S0受激輻射產(chǎn)生的增益大于T1→T2躍遷造成的吸收損耗時才能形成激光振蕩。染料分子能級圖5.4.2染料激光器的泵浦

通常采用閃光燈、N2分子激光器、準分子激光器或倍頻Nd3+:YAG激光器發(fā)射的532nm激光等作脈沖染料激光器的泵浦光源,而連續(xù)染料激光器則常用氬或氪離子激光器作泵浦源。顯然,泵浦光的波長必須小于染料激光器的輸出激光波長。可以采用光柵、棱鏡、標準具及雙折射濾光片等波長選擇元件對染料激光器進行波長調(diào)諧。一、閃光燈脈沖泵浦

泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。

二、激光脈沖泵浦

能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器(0.337

m)，紅寶石激光器(0.6943

m)，釹玻璃激光器(1.06

m)，銅蒸氣激光器(0.5106

m、0.5782

m)，準分子激光器(主要在紫外區(qū))以及這些激光的二次、三次諧波等。三鏡腔式染料激光器是目前經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖。