固体激光工作物质的热效应

半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应杨丽颖;李嘉强;张金玉;徐晓明;曹剑【摘要】为了验证复合晶体使用到半导体泵浦的固体激光器中与非复合晶体的区别,提高半导体泵浦的固体激光器的工作效率,开展了半导体激光泵浦YAP/Tm∶YAP复合晶体固体激光器的热效应的验证实验.采用有限元分析法,模拟了晶体温度及热应力的分布,并分析了热透镜长度的变化情况.结果发现,与非复合晶体相比,复合晶体的温度和热应力均有不同程度的下降,复合晶体工作时的最高温度降至其80%,热应力降至其70%.同时也验证了热透镜焦距不随非掺杂晶体长度的增大而改变,这也意味着复合晶体不能有效提高复合激光的光束质量,但是可以确保输出激光光束质量的稳定性.因此可以证实,使用复合晶体能够有效改善激光器的温度和力学特性,但不能优化固体激光器的光束质量.%In order to distinguish the characteristics of composite and traditional non-composite crystal used in the diode pumped solid state lasers (DPSSL)and improve the efficiency of DPSSL, the thermal effe ct of based on YAP/Tm∶YAP composite crystal was studied.The finite element method (FEM) was employed.The temperature and heat stress were simulated, and the relationship between the thermal lens and un-doped crystal length was analyzed.Experimental results indicate that the peak temperature and the thermal stress of YAP/Tm∶YAP composite crystal rod decrease to less than 80% and 70% comparing with the non-composite crystal.The length of thermal lens is still constant under the condition of the variation of un-doped crystal length, which verifies that using the composite crystal in the DPSSL can benefit for the laserproperties of temperature and mechanics.Nevertheless, the beam qualityof DPSSL can not be optimized using the composite crystal.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】5页(P742-746)【关键词】复合晶体;热效应;半导体泵浦固体激光器;有限元分析【作者】杨丽颖;李嘉强;张金玉;徐晓明;曹剑【作者单位】核工业理化工程研究院,天津 300180;核工业理化工程研究院,天津300180;核工业理化工程研究院,天津 300180;核工业理化工程研究院,天津300180;核工业理化工程研究院,天津 300180【正文语种】中文【中图分类】TN248.4半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)的热效应一直是影响其输出功率、光束质量和可靠性等工作特性的重要因素[1-7]。

固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。

1960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。

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。

这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。

在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。

这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。

用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。

用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。

与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。

对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。

晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。

玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

工作物质固体激光器的工作物质，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。

玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。

但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。

常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。

80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。

晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。

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。

详解固体激光器详解固体激光器详解固体激光器固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。

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。

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。

这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。

在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子（如Cr3+）；(2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；(3)锕系金属离子（如U3+）。

这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。

用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（NaAlSi2O6）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12）、钨酸钙（CaWO4）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。

用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。

与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。

对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。

晶体激光器以红宝石（Al2O3：Cr3+）和掺钕钇铝石榴石（简写为YAG：Nd3+）为典型代表。

玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

固体激光器的工作物质，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。

玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。

但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。

固体激光器原理及应用固体激光器原理及应用摘要：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。

本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五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激光与激光器1.1激光1.1.1激光（LASER）激光是在1960 年正式问世的。

但是，激光的历史却已有100多年。

确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。

他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。

1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。

激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。

激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。

1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

1.1.2产生激光的条件产生激光有三个必要的条件：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。

1.1.3激光的特点与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。

1.2激光器激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。

它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至χ射线和γ射线）的能力。

二极管泵浦固体热容激光器热效应探究引言：二极管泵浦固体热容激光器是一种基于固体材料的激光器，其主要特点是激光器晶体中的能级较高，具有较大的固体热容。

热效应是固体激光器中的一个重要问题，热效应会降低激光器的性能和输出功率稳定性。

因此，探究二极管泵浦固体热容激光器的热效应对激光器的优化设计和性能提升具有重要意义。

一、热效应的原理二极管泵浦固体热容激光器中的热效应是由于激光器晶体在光学泵浦过程中吸纳的部分能量被转化为热能而导致的。

晶体具有较大的热容，当光子能量被吸纳后，晶体温度会上升，从而导致晶体的热膨胀。

热膨胀会引起激光器光腔的尺寸变化，从而导致激光器输出功率的变化。

此外，激光腔的尺寸变化还会引起光腔模式的偏移，进一步影响激光器的性能。

二、热效应的影响1. 输出功率的变化：热效应会导致激光器的输出功率发生波动和变化。

当晶体温度提高时，激光器腔内的折射率也会发生变化，导致腔内光的传输特性发生改变，从而影响激光的输出功率。

此外，热膨胀还可能导致腔内激光模式的偏移，使得激光器的输出功率变得不稳定。

2. 光学泵浦效率的降低：在二极管泵浦固体热容激光器中，光子能量被吸纳后会被转化为热能，而不是完全转化为激光光子。

因此，晶体的温度提高会降低光学泵浦效率，导致激光器的发射效果不佳。

3. 激光腔的稳定性降低：由于热膨胀引起的激光腔尺寸变化，使得激光器的腔内模式产生偏移，导致激光输出功率的不稳定性增加。

这将给激光器的应用带来一些困扰，特殊是对于要求高稳定性的应用。

三、热效应的探究方法1. 温度测量：探究热效应的首要任务是对晶体温度进行准确测量。

目前常用的温度测量方法有红外热像仪和热电偶等。

通过对晶体表面的温度分布进行测量，可以了解热效应在激光器中的分布和变化状况。

2. 仿真模拟：借助计算机软件进行热效应的仿真模拟是一种常用的探究方法。

通过建立激光器的热传导方程和热光耦合方程，可以得到激光器晶体的温度分布和热效应对激光器性能的影响。

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。