激光原理与技术课程设计
课题名称：固体激光器光路设计与计算
专业班级：2011级光信息
学生学号：**********
学生姓名：
学生成绩：
指导教师：********
课题工作时间：2014.6.4 至2014.6.13
武汉工程大学教务处
一、课程设计的任务和要求
要求：1、具备独立查阅激光原理、激光技术以及激光器件相关文献和资料；能提出并较好地的实施方案；具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
2、具备独立设计激光器的能力，能对基本激光应用系统的进行研究、分析及
比较的能力。
3、具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。
4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。
5、综述简练完整，立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术用
语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确。
6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。
7、内容不少于3000字，图和计算结果要求打印。
技术参数：1、9个808半导体激光器组成侧泵模块，功率180W，北京吉泰；
2、Nd:YVO4晶体尺寸3×65mm；激光器输出功率50Ｗ；
3、8倍扩束；
4、谐振腔长48厘米，侧泵模块放置腔中间，Q开关位于模块和全反射镜
中间；腔镜为平面反射镜，透射率为15%。
任务：1、简述半导体泵浦的激光器原理和应用
2、参照实验室原型，用solidworks软件画出激光器的设计图
3、侧泵激光器腔长480mm，输出镜曲率半径为5m，聚焦透镜离输出镜520mm，
焦距为45mm，计算经聚焦以后的激光光斑直径。用Matlab软件计算输
出（用Q参数方法计算，写出Matlab程序）
前言 (8)
第一章半导体泵浦激光器原理和应用 (8)
1.1 激光原理 (9)
1.2 半导体泵浦激光器的应用 (10)
第二章激光器的设计过程 (11)
2.1 半导体泵浦激光器设计方案 (11)
2.2 激光器的设计图 (11)
2.3 计算聚焦后激光光斑直径 (12)
2.4 聚焦透镜焦距与光斑半径的关系 (14)
第三章总结 (15)
参考文献 (15)
激光是二十世纪最重大、最实用的发明之一。1917年爱因斯坦提出受激辐射理论，1958年12月肖洛和汤斯发明激光原理，1960年7月梅曼制成世界第一台红宝石激光器。激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，应用领域十分广泛。半导体泵浦532nm绿光激光器具有波长短、光子能量高、在水中传输距离远和人眼敏感等优点，效率高、寿命长、体积小、可靠性好。近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济许多领域中展示出极为重要的应用，成为各国研究的重点。
自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20 直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20 世纪80 世纪80 年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器已有500 余种，但从1998 已有500 余种，但从1998 年开始，固体激光器中的Nd:YAG 中的Nd:YAG 激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。
传统的固体YAG 传统的固体YAG 激光器，通常由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。另一方面整个激光器需要庞大的制冷系统，体积很大。泵浦灯的寿命约为300 积很大。泵浦灯的寿命约为300 到1000 小时，操作人员需花很多时间频繁的换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低，工作，使自动化生产线的效率大大降低，间接提高了生产成本。因此技术上没有大的发展空间。现在国际上的激光厂家已经淘汰了中小功率灯泵浦固体激光器的生产和研发，将来随着大功率的二极管、光纤激光器的研发和应用，成本的下降，灯泵浦固体激光器将会逐步淘汰。这是固体激光器的发展方向。
第一章半导体泵浦激光器原理和应用
1.1 激光原理
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hv21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。在此过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级间隔E1-E2时才能被吸收。
图1-1 光与物质作用的吸收过程
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。
光与物质作用的自发辐射过程：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。
图1-2 光与物质作用的受激辐射过程
激光器主要由工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。
泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3、E3上的粒子通过无辐射跃迁，该过程粒从高能机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E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2上的粒子不断积累，E1上的粒子，又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1能级间的粒子数反转。
