激光器激励原理
—固体激光器
1311310黄汉青
1311343张旭日辅导老师：
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
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]：
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。
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。
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
3.2.1 红宝石激光器（+3Cr :32O Al ）
红宝石是由蓝宝石（32O Al ）中掺入少量的氧化铬（23Cr O ）而形成。红宝石激光器的工作物质是+3Cr :32O Al ，其中，32O Al 作为基质晶体，+3Cr 是发光的激活粒子，光谱特性与+3Cr 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+3Cr 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。
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。
3.3 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。
