固体激光器的基本结构与工作物质
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固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质的激光器,它通
过激发固体材料中的原子或离子,使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理主要包括激发、增益、反射和输出四个过程。
首先,固体激光器的工作原理涉及到激发过程。
在固体激光器中,通常采用激发源(如闪光灯、半导体激光二极管等)照射固体
材料,激发固体材料中的原子或离子,使其跃迁至高能级。
这种激
发过程会导致固体材料中的原子或离子处于一个高能级的激发态。
其次,固体激光器的工作原理还涉及到增益过程。
在激发过程中,固体材料中的原子或离子处于高能级的激发态,这时如果有入
射光子与其相互作用,就会引发受激辐射,从而产生激光。
这种受
激辐射会引起原子或离子从高能级跃迁到低能级,释放出更多的光子,使激光光子数目急剧增加,形成所谓的增益。
然后,固体激光器的工作原理还包括反射过程。
在固体激光器中,通常会设置一个光学反射器,用来反射激光。
这种光学反射器
可以将激光反射回固体材料中,使其在其中来回反射,增强激光的
增益效果。
最后,固体激光器的工作原理还涉及到输出过程。
在固体激光器中,设置一个输出镜,用来从激光腔中输出激光。
这种输出镜通常只透过一部分激光,反射大部分激光,使得激光可以从固体激光器中输出。
总的来说,固体激光器的工作原理是通过激发固体材料中的原子或离子,使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理涉及到激发、增益、反射和输出四个过程,这些过程共同作用,使得固体激光器能够产生高能、高亮度的激光,被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
板条激光器与光速质量测量试验实验目的1.了解板条固体激光器的结构和工作原理2.学会调整谐振腔3.了解光速质量的定义和多种测量方法1.板条激光器的特点激光工作物质为板条形状的固体激光器。
普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状,温度梯度的方向与光传播方向垂直,在热负荷条件下运转时,将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应,使得光束质量降低,并限制了激光功率的进一步提高。
在板条激光器中,温度梯度发生在板条厚度方向上(板条宽度方向上的两侧面被热绝缘),而光在厚度方向的两侧面(即泵浦面)上发生内全反射,呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播,光传播方向近似与温度梯度方向平行,可基本避免热透镜效应和热光畸变效应,大幅度提高了激光输出功率。
热透镜效应是指LD(半导体激光器)工作时产生的温度会使晶体表面发生热形变,造成了晶体各部分密度不同,而光在经过不同密度的分界线时发生不同程度的折射,因此就形成了像是光线通过普通透镜一样的折射效果。
2.激光器的组成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。
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: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。
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。
hv21(a) 2 1 (b) 2 E 1(c) 图1、光与物质作用的吸收过程Nd :YAG 固体激光器实验一、 实验内容与器件1、了解半导体激光器的工作原理和光电特性2、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法二、 实验原理概述1. 激光产生原理光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用,有三种过程:吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子,开始处于基态,在没有外来光子,它将保持不变,如果一个能量为hv 21的光子接近,则它吸收这个光子,处于激发态E 2。
在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收,只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。
激发态寿命很短,在不受外界影响时,它们会自发地返回到基态,并放出光子。
自发辐射过程与外界作用无关,由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的,因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
处于激发态的原子,在外的光子的影响下,会从高能态向低能态跃迁,并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。
只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时,才能引起受激辐射,且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
激光器主要有:工作物质、谐振腔、泵浦源组成。
工作物质主要提供粒子数反转。
hv 21 2 E 1(a) E 2E 1(b)hv 21 hv 21图2、光与物质作用的受激辐射过程泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3,E 3上的粒子通过无辐射跃迁(该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能,但不辐射光子),迅速转移到亚稳态E 2。
E 2是一个寿命较长的能级,这样处于E 2上的粒子不断积累,E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少,从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。
激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。
处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态,自发辐射产生的光子各个方向都有,偏离轴向的光子很快逸出腔外,只有沿轴向的光子,部分通过输出镜输出,部分被反射回工作物质,在两个反射镜间往返多次被放大,形成受激辐射的光放大即产生激光。
355固体激光器工作原理
固体激光器是一种利用固体材料产生激光的装置。
其工作原理
涉及激发态、受激辐射和光放大等过程。
首先,固体激光器的工作原理涉及能级结构。
固体材料中的原
子或离子具有不同的能级,当这些原子或离子受到外部能量激发时,会跃迁到较高的能级。
这种激发态的原子或离子被称为激发态。
其次,激光器利用受激辐射产生激光。
当激发态的原子或离子
受到外部辐射的刺激时,会发生受激辐射过程。
在受激辐射过程中,激发态的原子或离子会跃迁到较低能级,释放出与刺激辐射具有相
同频率、相干相位和同一方向传播的光子,这些光子就是激光。
最后,固体激光器利用光放大实现激光输出。
在固体激光器中,激光通过光学增益介质(通常是激光晶体)时会受到受激辐射的影
响而得到放大,形成高强度、单色、相干的激光输出。
综上所述,固体激光器的工作原理涉及能级结构、受激辐射和
光放大等过程。
通过这些过程,固体激光器能够产生高质量的激光
输出,广泛应用于科研、医疗、工业加工等领域。
编号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: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。
(1)关键词:固体激光器基本原理基本结构应用 (1)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 (1)Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application (1)1引用 (2)2激光与激光器 (2)2.1激光 (2)2.2激光器 (3)3固体激光器 (4)3.1工作原理和基本结构 (4)3.2典型的固体激光器 (8)3.3典型固体激光器的比较 (11)3.4固体激光器的优缺点 (12)4固体激光器的应用 (13)4.1军事国防 (13)4.2工业制造 (15)4.3医疗美容 (16)5结束语 (17)参考文献 (19)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。
激光器的工作原理激光器是一种产生激光的设备,它的工作原理基于受激辐射和光放大的过程。
激光器的关键组件包括激活介质、光腔和光源。
1.激活介质:激活介质是激光器中的工作物质,通过激发其内部原子或分子的能级跃迁来实现产生激光。
常见的激活介质包括气体、固体和液体。
2.光腔:激光器中的光腔起到存储和放大激射光的作用。
光腔通常由两个反射镜构成,一个是部分透明镜(输出镜),另一个是反射镜(输入镜)。
输入镜对激光光束具有高反射率,而输出镜对光束的反射率较低。
3.光源:激励激活介质产生光的光源可以是光电或电能。
常见的光源包括氙灯、氮气激光、半导体激光二极管等。
根据激光器的不同类型,其工作原理略有不同。
1.激光二极管:激光二极管利用电流对半导体中电子与空穴的复合作用产生光子。
当电流通入激光二极管时,通过激活介质发射出的光从一个反射镜反射回激光二极管,而另一个反射镜使部分光透射出来,形成激光束。
2.气体激光器:气体激光器的工作原理是在气体放电管内通入电流,并通过电流激发气体中的原子或分子,使其跃迁到高能级。
当这些原子或分子从高能级退回至低能级时,激光波长的光子被释放出来,并被两个反射镜之间的储存介质反射和放大,形成激光束。
3.固体激光器:固体激光器的激活介质是固体晶体(如Nd:YAG晶体),通过激光二极管或氙灯的激励发射激光。
当激光经过激活介质时,与其相互作用,使得激活介质中的电子被激发至高能级,并随后跃迁回低能级,放出激光光子。
这些光子通过两个反射镜(输入镜和输出镜)之间的激发介质来放大,并形成激光束。
无论是哪种类型的激光器,其工作原理的基本过程都是通过能量激发原子或分子的跃迁,随后利用反射和放大来产生高强度、高单色性和高聚束性的激光束。
激光器在医学、通信、测量、切割等领域都有广泛的应用。
固体激光器组成及工作原理固体激光器是一种利用固体材料来产生激光的装置,它由多种组成部分和复杂的工作原理构成。
在固体激光器的组成中,最核心的部分是工作物质、泵浦源、共振腔和输出镜。
而其工作原理主要包括受激辐射和光放大的过程。
在本文中,将详细介绍固体激光器的组成及工作原理。
固体激光器的核心部分是工作物质。
固体激光器的工作物质通常采用固体晶体或者玻璃材料,如氧化物晶体、掺杂晶体、玻璃体等。
这些材料受到光或电的激发后,能够发射激光。
固体激光器的性能和特性很大程度上取决于选用的工作物质,因此工作物质的选择至关重要。
固体激光器还需要泵浦源来提供能量。
泵浦源通常采用闪光灯、半导体激光二极管等,通过光或电的形式向工作物质提供激发能量,使其处于激发态。
泵浦源提供的激发能量将激发工作物质内的原子或分子跃迁至激发态,为固体激光器的激射提供能量。
固体激光器的第三个重要组成部分是共振腔。
共振腔由两个反射镜构成,其中一个是部分透明的输出镜,另一个是完全反射的输入镜。
这一腔体结构能够形成光波的多次反射,从而增强光的密集程度,促进激光产生。
输出镜是固体激光器输出激光的关键组成部分。
它具有一定的透过率,使得一部分激光能够逃逸出腔体形成输出激光。
固体激光器的工作原理主要包括受激辐射和光放大两个过程。
受激辐射是指利用泵浦源提供的能量,使得工作物质中的原子或分子跃迁至激发态。
而光放大是指激发态的原子或分子受到外界光的刺激后,向激光波长辐射能量,使得激光得以产生和放大。
固体激光器作为一种重要的激光器件,具有复杂的组成结构和工作原理。
通过对固体激光器的组成及工作原理的深入了解,可以更好地设计和应用激光器,从而推动激光技术在多个领域的应用和发展。
固体激光器的基本结构与工作物质摘要1960年,T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器,也是世界上第一台激光器。
到1960年底,人们分别在固体(掺铀氟化钙)和气体(氦氖)中实现了四能级激光器系统。
固体激光器的发明梅曼发明的红宝石激光器为激光技术的发展完全打开了新的大门。
本文就固体激光器的基本结构与工作物质进行阐释。
关键词固体激光器基本结构工作物质基本结构固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
工作物质,激光器的核心部分,由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料,掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理-化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
激励能源,固体激光器一般采用光激励源。
通常为光泵。
它的作用是给工作物质以能量,即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。
通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。
例如红宝石激光器,是利用大功率的闪光灯照射红宝石(工作物质)而实现粒子数反转,造成了产生激光的条件。
通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。
常用的脉冲激励源有充氙闪光灯;连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。
在小型长寿命激光器中,可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。
一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
聚光腔的作用有两个: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。
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。
受激辐射光通过反馈在其中形成放大与振荡, 并由部分反射镜输出。
激光原理与技术期末总复习激光原理与技术期末总复习考试题型一. 填空题(20分)二.选择题(30分)三.作图和简答题(30分)四.计算题(20分)第一章辐射理论概要与激光产生的条件1、激光与普通光源相比较的三个主要特点:方向性好,相干性好和亮度高2、光速、频率和波长三者之间的关系:线偏振光:如果光矢量始终只沿一个固定方向振动。
3、波面——相位相同的空间各点构成的面4、平波面——波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。
5、单色平波面——具有单一频率的平面波。
6、ε= h v v —光的频率 h —普朗克常数7、原子的能级和简并度(1)四个量子数:主量子数n、辅量子数l、磁量子数m和自旋磁量子数ms。
(2)电子具有的量子数不同,表示电子的运动状态不同。
(3)电子能级:电子在原子系统中运动时,可以处在一系列不同的壳层状态活不同的轨道状态,电子在一系列确定的分立状态运动时,相应地有一系列分立的不连续的能量值,这些能量通常叫做电子的能级,依次用E1,E2,…..En表示。
基态:原子处于最低的能级状态成为基态。
激发态:能量高于基态的其他能级状态成为激发态。
(4)简并能级:两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级,这样的能级叫做简并能级。
简并度:同一能级所对应的不同电子运动状态的数目,叫做简并度,用g表示。
8、热平衡状态下,原子数按能级分布服从波耳兹曼定律(1)处在基态的原子数最多,处于越高的激发能级的原子数越少;(2)能级越高原子数越少,能级越低原子数越多;(3)能级之间的能量间隔很小,粒子数基本相同。
9、跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程(1.)辐射跃迁:发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2-E1而由高能级跃迁至低能级;②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2-E1 而由低能级跃迁至高能级.(2)非辐射跃迁:原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收,而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量10、光和物质相互作用的三种基本过程:自发辐射、受激辐射和受激吸收(要求会画图,会说原理过程)(1)普通光源中自发辐射起主要作用(2)激光器工作中受激辐射起主要作用(3)自发辐射、受激辐射和受激吸收的定义(4)三者之间的关系:自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数11、光谱线增宽(1)光谱线的半宽度即光谱线宽度:相对光为最大值的1/2处的频率间隔(2)三种谱线增宽:自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽自然增宽:粒子的衰减碰撞增宽:发光原子间相互碰撞作用多普勒增宽:发光原子相对于观察者运动(3)均匀增宽:每一发光原子所发的光,对谱线宽度内任一频率都有贡献,而且这个贡献对每个原子都是相同的。
固体激光器的应用所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。
I960年,梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器,也是世界上第一台激光器。
距今已有整整五十年了,在这五十年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。
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。
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。
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我们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。
一、固体激光器的类别:固体激光器的工作物质,主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料,掺以激活离子或其他激活物质构成。
常见的有红宝石(掺铬的刚玉,Cr:AI2O3)、掺钛的磷酸盐玻璃(简称钕玻璃)、掺钛的忆铝石榴石(Nd: YAG、掺钛的铝酸忆(Nd: 丫ALO、掺钛的氟化忆锂(Nd: YLF)等多种。
它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子,如掺铬的红宝石,室温下的工作波长为694. 3纳米,深红色;又如掺钕的多种晶体和玻璃,工作波长为1微米多,为近红外。
二、固体激光器的构造及原理:在固体激光器中,能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。
激光工作物质由基质和激活离子两部分组成,基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境,而由激活离子完成激光产生过程。
常用的激活离子主要是过渡金属离子,如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子,如钕离子等。
固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质(如红宝石激光晶体)和反射腔镜片组成,反射镜表面镀有介质膜,一片为全反射镜,另一片为部分反射镜。
掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。