固體激光器光路設(shè)計(jì)-激光原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

./完美格式整理版激光原理與技術(shù)課程設(shè)計(jì)課題名稱：固體激光器光路設(shè)計(jì)與計(jì)算專業(yè)班級(jí)：2011級(jí)光信息學(xué)生學(xué)號(hào)：**********學(xué)生姓名：學(xué)生成績(jī)：指導(dǎo)教師：********課題工作時(shí)間：2014.6.4至2014.6.13XX工程大學(xué)教務(wù)處一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求要求：1、具備獨(dú)立查閱激光原理、激光技術(shù)以及激光器件相關(guān)文獻(xiàn)和資料；能提出并較好地的實(shí)施方案；具有收集、加工各種信息及獲得新知識(shí)的能力。2、具備獨(dú)立設(shè)計(jì)激光器的能力,能對(duì)基本激光應(yīng)用系統(tǒng)的進(jìn)行研究、分析及比較的能力。3、具備采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、仿真、繪圖等能力。4、工作努力,遵守紀(jì)律,工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí),按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)。5、綜述簡(jiǎn)練完整,立論正確,論述充分,結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；文字通順,技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確,符號(hào)統(tǒng)一,編號(hào)齊全,書寫工整規(guī)范,圖表完備、整潔、正確。6、工作中有創(chuàng)新意識(shí),對(duì)前人工作有一定改進(jìn)或獨(dú)特見解。7、內(nèi)容不少于3000字,圖和計(jì)算結(jié)果要求打印。技術(shù)參數(shù)：1、9個(gè)808半導(dǎo)體激光器組成側(cè)泵模塊,功率180W,北京吉泰；2、Nd:YVO4晶體尺寸3×65mm；激光器輸出功率50Ｗ；3、8倍擴(kuò)束；4、諧振腔長(zhǎng)48厘米,側(cè)泵模塊放置腔中間,Q開關(guān)位于模塊和全反射鏡中間；腔鏡為平面反射鏡,透射率為15%。任務(wù)：1、簡(jiǎn)述半導(dǎo)體泵浦的激光器原理和應(yīng)用2、參照實(shí)驗(yàn)室原型,用solidworks軟件畫出激光器的設(shè)計(jì)圖3、側(cè)泵激光器腔長(zhǎng)480mm,輸出鏡曲率半徑為5m,聚焦透鏡離輸出鏡520mm,焦距為45mm,計(jì)算經(jīng)聚焦以后的激光光斑直徑。用Matlab軟件計(jì)算輸出〔用Q參數(shù)方法計(jì)算,寫出Matlab程序R1=∝F=45mmL=48cmR2=5mT=15%L=100cm二、進(jìn)度安排1、2014.6.4-2014.6.4選題2、2014.6.4-2014.6.11分析資料、提出設(shè)計(jì)方案3、2014.6.10-2014.6.12討論、修改方案,寫出初稿4、2014.6.13定稿交稿三、參考資料或參考文獻(xiàn)1、《激光原理》第五版,周炳琨2、《激光器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》,赫光生、雷仕湛3、《激光器件與設(shè)計(jì)》,呂百達(dá)4、《固體激光工程》,孫文5、《激光光學(xué)—激光束的傳輸變換和光束質(zhì)量控制》,呂百達(dá)6、solidwork產(chǎn)品設(shè)計(jì)范例,清華大學(xué)出版社7、Matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用,高等教育出版社指導(dǎo)教師簽字：***2014年6月4日教研室主任簽字：2014年6月4日四、課程設(shè)計(jì)摘要〔中文摘要：激光是二十世紀(jì)最重大、最實(shí)用的發(fā)明之一,它在短短幾十年內(nèi)就推廣應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通信、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)方面。激光是光的受激輻射,因而它與自發(fā)輻射的普通光源不同,具有極好的方向性、極高的光亮度和相干性。自第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世,固體激光器就一直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位,特別是在20世紀(jì)80世紀(jì)80年代出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固化固體激光器更因?yàn)轶w積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述了半導(dǎo)體泵浦的激光器原理和應(yīng)用,參照實(shí)驗(yàn)室原型,用Solidworks軟件畫出了激光器的設(shè)計(jì)圖；根據(jù)設(shè)計(jì)基本參數(shù),使用Matlab軟件計(jì)算出了經(jīng)聚焦以后的光斑半徑與位置。關(guān)鍵詞：固體激光器；Solidworks；Matlab五、課程設(shè)計(jì)摘要〔英文Abstract：LaserisoneofthemostsignificantandmostusefulinventionintwentiethCentury.itisappliedtoeveryaspectofmodernindustry,agriculture,medicine,communication,nationaldefenseandscienceandtechnologyinjustafewdecades.Laserlightamplificationbystimulatedemissionofradiation,soitandthespontaneousradiationofcommonlightsourcesofdifferent,directional,highhasexcellentbrightnessandcoherence.Sincethefirstrubylaser,solidstatelaserhasbeendominatedthedevelopmentofthelaser,especiallythefullsolidifiedsolidlaserappearedintwentiethCenturyeightiethCentury80yearsofsemiconductorlasersandonthebasisofthemorebecausetheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiency,stableperformance,goodreliabilityandlongservicelife,photoelectricindustryhasgraduallybecomethemostpromisingfield.Thisdesignintroducestheprincipleandapplicationoflaserdiodepumped,referencelaboratoryprototype,usingSolidworkssoftwaretodrawadesignlaser;accordingtothebasicparametersofthedesign,useMatlabsoftwaretocalculatetheradiusandpositionfocusfuture.Keywords：solid-statelasers;Solidworks;Matlab六、指導(dǎo)教師評(píng)分評(píng)價(jià)內(nèi)容具體要求權(quán)重得分調(diào)查論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種信息及獲得新知識(shí)的能力。10實(shí)踐能力獨(dú)立設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖的能力〔課程設(shè)計(jì)；能正確選擇研究〔實(shí)驗(yàn)方法,獨(dú)立進(jìn)行研究的能力〔學(xué)年論文15分析解決問(wèn)題能力能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問(wèn)題〔課程設(shè)計(jì)；或能對(duì)課題進(jìn)行理論分析,得出有價(jià)值的結(jié)論〔學(xué)年論文。15工作量、工作態(tài)度按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù),工作量飽滿,難度較大,工作努力,遵守紀(jì)律；工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)。10質(zhì)量綜述簡(jiǎn)練完整,有見解；立論正確,論述充分,結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理〔或設(shè)計(jì)過(guò)程完整,設(shè)計(jì)內(nèi)容完全；文字通順,技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確,符號(hào)統(tǒng)一,編號(hào)齊全,書寫工整規(guī)范,圖表完備、整潔、正確；論文〔設(shè)計(jì)結(jié)果有參考價(jià)值。40外語(yǔ)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力在課程設(shè)計(jì)或?qū)W年論文中,能夠體現(xiàn)外語(yǔ)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力。5創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識(shí)；對(duì)前人工作有改進(jìn)或獨(dú)特見解。5綜合評(píng)語(yǔ)指導(dǎo)教師簽字：2014年6月12日七、答辯記錄記錄人〔簽字：2014年6月13日答辯意見及答辯成績(jī)答辯小組教師〔簽字：2014年6月13日課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī)：〔指導(dǎo)教師評(píng)分×80%+答辯成績(jī)×20%

目錄TOC\o"1-3"\h\u3020前言821033第一章半導(dǎo)體泵浦激光器原理和應(yīng)用8279281.1激光原理9265351.2半導(dǎo)體泵浦激光器的應(yīng)用105525第二章激光器的設(shè)計(jì)過(guò)程11296742.1半導(dǎo)體泵浦激光器設(shè)計(jì)方案1176182.2激光器的設(shè)計(jì)圖1166922.3計(jì)算聚焦后激光光斑直徑1276622.4聚焦透鏡焦距與光斑半徑的關(guān)系1413226第三章總結(jié)1511100參考文獻(xiàn)15前言激光是二十世紀(jì)最重大、最實(shí)用的發(fā)明之一。1917年愛因斯坦提出受激輻射理論,1958年12月肖洛和湯斯發(fā)明激光原理,1960年7月梅曼制成世界第一臺(tái)紅寶石激光器。激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。半導(dǎo)體泵浦532nm綠光激光器具有波長(zhǎng)短、光子能量高、在水中傳輸距離遠(yuǎn)和人眼敏感等優(yōu)點(diǎn),效率高、壽命長(zhǎng)、體積小、可靠性好。近幾年在光譜技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)、彩色打印、水下通訊、激光技術(shù)等科學(xué)研究及國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多領(lǐng)域中展示出極為重要的應(yīng)用,成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。自第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世,固體激光器就一直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位,特別是在20直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位,特別是在20世紀(jì)80世紀(jì)80年代出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固化固體激光器更因?yàn)轶w積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。目前世界范圍內(nèi)銷售的商品固體激光器已有500余種,但從1998已有500余種,但從1998年開始,固體激光器中的Nd:YAG中的Nd:YAG激光器的市場(chǎng)占有率和銷售額已升為第一位。

傳統(tǒng)的固體YAG傳統(tǒng)的固體YAG激光器,通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒、泵浦燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、電源及制冷系統(tǒng)組成,其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。電源及制冷系統(tǒng)組成,其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。另一方面整個(gè)激光器需要龐大的制冷系統(tǒng),體積很大。泵浦燈的壽命約為300積很大。泵浦燈的壽命約為300到1000小時(shí),操作人員需花很多時(shí)間頻繁的換燈,中斷系統(tǒng)工作,使自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率大大降低,工作,使自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率大大降低,間接提高了生產(chǎn)成本。因此技術(shù)上沒有大的發(fā)展空間?，F(xiàn)在國(guó)際上的激光廠家已經(jīng)淘汰了中小功率燈泵浦固體激光器的生產(chǎn)和研發(fā),將來(lái)隨著大功率的二極管、光纖激光器的研發(fā)和應(yīng)用,成本的下降,燈泵浦固體激光器將會(huì)逐步淘汰。這是固體激光器的發(fā)展方向。第一章半導(dǎo)體泵浦激光器原理和應(yīng)用1.1激光原理光與物質(zhì)的相互作用可以歸結(jié)為光與原子的相互作用,有三種過(guò)程：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。如果一個(gè)原子開始處于基態(tài),在沒有外來(lái)光子,它將保持不變,如果一個(gè)能量為hv21的光子接近,則它吸收這個(gè)光子,處于激發(fā)態(tài)E2。在此過(guò)程中不是所有的光子都能被原子吸收,只有光子的能量正好等于原子的能級(jí)間隔E1-E2時(shí)才能被吸收。圖1-1光與物質(zhì)作用的吸收過(guò)程

激發(fā)態(tài)壽命很短,在不受外界影響時(shí),它們會(huì)自發(fā)地返回到基態(tài),并放出光子。自發(fā)輻射過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān),由于各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的,因而不同原子發(fā)出來(lái)的光子的發(fā)射方向和初相位是不相同的。光與物質(zhì)作用的自發(fā)輻射過(guò)程：處于激發(fā)態(tài)的原子,在外的光子的影響下,會(huì)從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷,并兩個(gè)狀態(tài)間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去。只有外來(lái)光子的能量正好為激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差時(shí),才能引起受激輻射且受激輻射發(fā)出的光子與外來(lái)光子的頻率、發(fā)射方向、偏振態(tài)和相位完全相同。激光的產(chǎn)生主要依賴受激輻射過(guò)程。

圖1-2光與物質(zhì)作用的受激輻射過(guò)程激光器主要由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源組成。工作物質(zhì)主要提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦過(guò)程使粒子從基態(tài)E1抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3、E3上的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷,該過(guò)程粒從高能機(jī)級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚓Ц裾駝?dòng)能,但不輻射光子,迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2。E2是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的能級(jí),這樣處于E2上的粒子不斷積累,E1上的粒子,又由于抽運(yùn)過(guò)程而減少,從而實(shí)現(xiàn)E2與E1能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

圖1-3三能級(jí)系統(tǒng)示意圖激光產(chǎn)生必須有能提供光學(xué)正反饋的諧振腔。處于激發(fā)態(tài)的粒子由于不穩(wěn)定性而自發(fā)輻射到基態(tài)自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子各個(gè)方向都有偏離軸向的光子很快逸出腔外只有沿軸向的光子部分通過(guò)輸出鏡輸出部分被反射回工作物質(zhì)在兩個(gè)反射鏡間往返多次被放大形成受激輻射的光放大即產(chǎn)生激光。1.2半導(dǎo)體泵浦激光器的應(yīng)用國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體泵浦固體激光器市場(chǎng)化水平已經(jīng)達(dá)到數(shù)百瓦,實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)達(dá)到千瓦級(jí)。在應(yīng)用上,大功率半導(dǎo)體泵浦固體激光器以材料加工為主,包括了常規(guī)的激光加工：主要是材料加工,如激光標(biāo)記、激光焊接、激光切割和打孔等,結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、工作可靠的大功率半導(dǎo)體泵浦固體激光打標(biāo)機(jī)產(chǎn)品系列已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到了規(guī)模應(yīng)用,在國(guó)外,千瓦級(jí)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器已有產(chǎn)品,德國(guó)、美國(guó)汽車焊接就已經(jīng)用到了千瓦級(jí)半導(dǎo)體泵浦固體激光焊劑機(jī),在原理和技術(shù)方案上半導(dǎo)體泵浦固體激光器定標(biāo)到萬(wàn)瓦都是可行的,主要受限于成本和市場(chǎng)需求的限制。二倍頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器在微電子行業(yè)、三倍頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器在激光快速成型領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。除材料加工外,大功率半導(dǎo)體泵浦固體激光器還可以用于同位素分離〔二倍頻、綠光、激光核聚變、科學(xué)研究、醫(yī)療、檢測(cè)、分析、通訊、投影顯示以及軍事國(guó)防等領(lǐng)域,具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。第二章激光器的設(shè)計(jì)過(guò)程2.1半導(dǎo)體泵浦激光器設(shè)計(jì)方案在固體激光器中,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。本次設(shè)計(jì)半導(dǎo)體泵浦激光器參照實(shí)驗(yàn)室原型,用solidworks軟件畫出激光器的設(shè)計(jì)圖,該激光器的組成部分有紅外光源、腔鏡1、Q開關(guān)、泵浦系統(tǒng)、腔鏡2、8倍擴(kuò)束鏡、45°反射鏡。然后根據(jù)激光器的設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算出各個(gè)裝配體的合理擺放位置。最后根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)利用MATLAB計(jì)算出聚焦以后的激光光斑束腰半徑。2.2激光器的設(shè)計(jì)圖激光器的設(shè)計(jì)圖效果圖如圖2-1,諧振腔兩端的反射鏡為R1=∞的平面鏡和R2=5m的透鏡,其中R1為全反鏡,R2為透射率為15%的鏡片,兩鏡間距為48CM。泵浦源位于兩平面鏡中心處,激光晶體是Nd:YAG,可產(chǎn)生高增益、低閡值的激光作用。泵浦燈是LD,三列LD陣列互成1200角環(huán)繞在激光晶體周圍。Q開關(guān)位于泵浦源和全反鏡連線的中心處。激光出射鏡的外側(cè)有一個(gè)擴(kuò)束鏡,用來(lái)聚焦。圖2-1激光器的設(shè)計(jì)圖效果圖圖2-2激光器結(jié)構(gòu)正視圖圖2-3激光器結(jié)構(gòu)左視圖與尺寸標(biāo)注注：圖2-3從左到右依次為紅外光源、腔鏡1、Q開關(guān)、泵浦系統(tǒng)、腔鏡2、8倍擴(kuò)束鏡、45°反射鏡。2.3計(jì)算聚焦后激光光斑直徑圖2-4激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示,R1個(gè)R2構(gòu)成激光諧振腔,波長(zhǎng)為1064nm,激光從R2端輸出,經(jīng)焦距為F的透鏡聚焦。其中R1=∞；R2=5.0m；L12=0.48m；L=1.00m；F=0.045m。利用Q參數(shù)法計(jì)算來(lái)計(jì)算光斑半徑。由公式2-1中的計(jì)算可知共焦參數(shù)為<2-1>可看出本次設(shè)計(jì)的激光器諧振腔是平凹腔上式可簡(jiǎn)化為,代入數(shù)據(jù)得,。傳播距離變換矩陣為,平面反射鏡變換矩陣為,聚焦透鏡傳輸矩陣為?？倐鬏斁仃嚍椋?通過(guò)聚焦后的q參數(shù)參考公式2-2計(jì)算出〔2-2聚焦后光斑束腰半徑由公式2-3計(jì)算出〔2-3利用Matlab計(jì)算出聚焦后的光斑束腰與位置,程序如下：運(yùn)行結(jié)果如下：對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理,通過(guò)聚焦后的q參數(shù)：則,聚焦后光斑束腰半徑聚焦后光斑直徑與透鏡F的距離：。2.4聚焦透鏡焦距與光斑半徑的關(guān)系為了進(jìn)一步探索光斑半徑與聚焦透鏡半徑的