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固體激光器
閱讀�42262時間�2010-10-21 14:15:21

  固體激光器是用固體激光材料作為工作物�(zhì)�1960�,T.H.梅曼�(fā)明了紅寶石固體激光器,是世界上臺激光器。固體激光器一般由5部分組成,分別為工作物質(zhì)、激勵源、聚光腔�諧振反射�電源等部��

簡介

  所謂固體激光器就是用固體激光材料作為工作物�(zhì)的激光器�1960�,T·H·梅曼�(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器,也是世界上臺激光器。雖然激光槍的概念自�1960年發(fā)明激光以來就不絕于�,但是傳�(tǒng)通過化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生激光的做法太過笨重,對于軍事用途來說很不現(xiàn)�。此次試驗中所采用的固�(tài)激光器裝置,在體積上要緊湊得多,并且是通過玻璃或陶瓷材料產(chǎn)生的�

  固體激光器的工作物�(zhì),主要由光學(xué)透明的晶體或玻璃作為基質(zhì)材料,摻以激活離子或其他激活物�(zhì)�(gòu)成。其�,玻璃激光工作物�(zhì)容易制成均勻的大尺寸材料,可用于高能量或高峰值功率激光器。但其熒光譜線較�,熱性能較差,不適于高平均功率下工作。而晶體激光工作物�(zhì)一般具有良好的熱性能和機(jī)械性能。自上世紀(jì)60年代以來,已�300種以上摻入各種稀土金屬或過渡金屬離子氧化物和氟化物晶體實�(xiàn)了激光振�,但是由于固體激光器光源的發(fā)射光譜中只有一部分為工作物�(zhì)所吸收,再加上其他損�,因而能量轉(zhuǎn)換效率不�,一般在千分之幾到百分之幾之�。直到最近,技�(shù)的發(fā)展才實現(xiàn)了讓固態(tài)激光裝置產(chǎn)生和化學(xué)反應(yīng)做法等量的能�。而這個重大問題的解決,相�(dāng)于將固體激光武器的�(fā)展一下子送上了快車道�

�(yīng)�

  固體激光器的特�(diǎn)大體上可歸納為:有較大的輸出功率和較緊湊的結(jié)�(gòu)。直�80年代末期,固體激光器的應(yīng)用主要集中在科研與開�(fā)、加�、醫(yī)療和軍用等四個方��

  在科研、開�(fā)方面,涉及面很廣,包括作核聚變研究的高峰值功率激光器系統(tǒng)、作光譜研究和新材料開發(fā)用的超短脈沖激光器和可�(diào)諧激光器以及由同體激光器泵浦的染料可�(diào)諧激光器、作脈沖全息攝影用的紅卞石激光器、作高速攝影用的超短脈沖激光器、測人造地�11星軌跡和)球表面用的高精度激光測距儀、遙感用的激光雷�(dá)等等�

  在加工方�,主要用Nd:YAG激光器,平均功率從瓦級至千瓦級,用于打�、切�、劃�、焊�、阻值微�(diào)、打�(biāo)和表面改性等。激光加工不僅極大地提高了工效和�(zhì)�,而且有些加工工藝非激光莫�。例如吉列牌剃須刀片,每個刀片厚度僅0.1毫米,要�13個焊�(diǎn)焊在0.2毫米的托架上,就是用一臺激光焊接饑在半秒鐘�(nèi)完成�。刀片焊�(diǎn)也不變形,其它廠藝很難做到。在微電廠工�(yè)中也有不少激光加�。在德國,近幾年在汽車工�(yè)中興起激光熱,特別是固體激光受到重�,因為它可用柔軟的光纖傳輸能�,容易同�(jī)器人�(jié)合,實多維空間的切割和焊��

  在醫(yī)療人�,主要用于外科手�(shù)、眼科治�,兼及皮膚科、牙�。近年來利用固體激光易于通過光纖傳輸?shù)�?yōu)�(diǎn),發(fā)展了�(nèi)窺鏡手術(shù)。激光醫(yī)療不僅減輕了患者的痛苦,而且許多手術(shù)比傳�(tǒng)手術(shù)簡便易行,不需住院,即可完�,因而可以節(jié)約大量醫(yī)療費(fèi)��

常用幾種分類

  一種固體激光器的核心在于增益介�(zhì)。對激光器的工作參�(shù),如波長、功�、Q開關(guān)、鎖模和光束�(zhì)量都有重大的影響。例如,可以作為含釹(Nd激光器工作介質(zhì)的晶體大約有 100�,但目前使用的含釹激光器,摻釹釔鋁石榴石(Nd-dopedY3A l5O12Nd∶YA G仍為材料。而其他大多數(shù)材料并不實用�

  Nd∶YA G晶體可生長出光學(xué)�(zhì)量高的增益截面,并具有抗熱斷裂等特�。但另一方面,Nd∶YA G熱透鏡效應(yīng)在許多激光系�(tǒng)中往往是有問題的Nd∶YLFLiYF4含釹激光器的另一種可供選擇的工作介質(zhì),Nd∶YLF熱透鏡效應(yīng)較Nd∶YA G�。另外一種摻釹的激光晶體是20年前就開始研制的Nd∶YVO4這種晶體的特殊性能是具有非常高的增益截面和低的閾值,但只能生長出尺寸相當(dāng)小的晶體。時�20年之�,激光二極管成為更加引人注目的產(chǎn)品,而Nd∶YVO4這樣小的晶體在二極管泵浦中找到用��

  除了含釹激光器之外,還有其他許多基�13種稀土離子和6種躍遷金屬離子的激光器,覆蓋了1707000nm波長范圍。而在幾百種已知的激光晶體中,通常大約只有幾十種被使用�

  1.可調(diào)諧近紅外固體激光器 1988年,Petricev等發(fā)�(xiàn)4價鉻(Cr可摻合到4配價的Mg2SiO4四方晶格中(Cr∶Mg2SiO4稱之為鎂橄欖�。鎂橄欖石通常被Nd∶YA G激光器泵浦,并且可�(diào)諧在1,1301,367nm之間,以鎖模方式輸出幾瓦的功�。Cr∶YA G也是不主動Q開關(guān)含釹激光器的良好介�(zhì)�

  Cr∶LiSA F1988年由Livemor實驗室研制成�,主要用于超短脈沖的�(fā)生和放大,具有從780nm990nm可調(diào)諧的�(yōu)�(diǎn),并有較好的熱力�(xué)性質(zhì)。為材料處理、組織消�、化�(xué)和生物過程的快速研究提供了重要的手�。Cr∶LiSA F也可通過腔內(nèi)倍頻�(lán)光輸出和Q開關(guān)用于遙感水蒸汽的檢測�

  2.可調(diào)諧紫外Ce3+激光器 Ce∶LiSA F由于其離特有性質(zhì),基本的激光物理性質(zhì)類似于染料激光器??杀�?cè)面泵浦和端面泵浦,波長在280320nm之間,可�(diào)諧平均功�>100mW

  3.可調(diào)諧中紅外Cr2+激光器 室溫條件�,可�(diào)諧中紅外固體激光器的發(fā)射,由于工作波長較長和頻帶較�,導(dǎo)致了非輻射延遲的增加(將泵浦光轉(zhuǎn)�?yōu)�?,而不是激光輻射)Cr2+∶ZnSe激光器首先獲得了室溫下的可�(diào)諧中紅外激光發(fā)�,并未受到非輻射延遲的晦氣影�。這種資料的吸收和�(fā)射光譜顯示可�1800nm二極管泵浦提�2,2003,000nm之間的可�(diào)諧發(fā)射波��

  4.鐿(Yb激光器 由于Yb∶YA G晶體具有非常低的熱載荷(大約是Nd∶YA G晶體�1/3�943nmInGaA 二極管端面泵浦就可得到大�150W功率。另外摻鐿的氟磷酸鍶Sr5PO43FYb∶S-FA P�900nm激光二極管泵浦可以�(chǎn)�1,047nm激光,輸出功率50WQ開關(guān)能量47mJ27n脈沖�

  5.摻鈦�(lán)寶石激光器 摻鈦�(lán)寶石激光器是以TiA l2O3晶體為激光介�(zhì)的激光器(簡稱Ti∶S激光器)具有調(diào)諧范圍寬�6701200nm輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)�(zhuǎn)方式多樣等特�(diǎn)。通過氬離子激光器、銅蒸汽激光器或YA G激光器泵浦均可獲得連續(xù)輸出功率�(dá)幾十瓦、轉(zhuǎn)換效率達(dá) 40[[[[[%]]]]]輸出。主動鎖模(如棱鏡式聲光�(diào)制器〕可獲得超短脈沖�100fs不主動鎖模(如采用DDI與HITCI染料做可飽和吸收體)已得�50100f脈寬�(jié)果。連續(xù)鈦寶石激光諧振腔中加1對或2對色散棱鏡即可實�(xiàn)鎖模�(yùn)�(zhuǎn),獲得飛秒量級的光脈沖。近年來特別是啁啾放大技�(shù)的發(fā)�,鈦寶石激光器已獲得峰值功率達(dá)1013W�(jié)��

  在軍用方�,主要用于測距和目標(biāo)指示。前者廣泛用于步�、炮兵、裝甲車�、飛�(jī)、艦�,不僅用于觀測目�(biāo)距離,更多的是成為火力控制系�(tǒng)的一部分,大大提高火炮的首發(fā)命中�。后者用于激光半主動制導(dǎo),成為精確制�(dǎo)武器的“眼睛�。例�1991年海灣戰(zhàn)爭中,多國部隊的飛機(jī)大量使用了激光制�(dǎo)的航�,高精度地摧毀廠伊拉克的許多重要軍事目�(biāo)�

  �(jìn)�90年代,隨著固體激光器性能的改�(jìn),不僅在原有的四個應(yīng)用領(lǐng)域的競爭力明顯增�(qiáng),而且開辟了一些新的重要應(yīng)用領(lǐng)域�

  首先是二極管泵浦的固體激光器�(jìn)入了信息傳輸�(lǐng)�。隨著有線電視(CATV)等活動圖像信息傳輸?shù)难杆僭鲩L,作為發(fā)射源的半�(dǎo)體激光器已滿足不了大功率和低失真的要�,轉(zhuǎn)而部分采用大功率(幾十毫瓦至一百多毫瓦)低噪聲的二極管泵浦的Nd:YAG激光器,其波長�1� 31微米,被傳輸?shù)男盘杽t用寬帶妮酸貍�(diào)制器�(jìn)行外�(diào)制加上去�

  其次是二極管泵浦的固體激光器�(jìn)入分�、制版等印刷行業(yè),開始在這新�(lǐng)域中占有一席之地�

  再次是隨著環(huán)境監(jiān)測的重要性日益提�,基于固體激光器的測�(fēng)雷達(dá)、測污雷�(dá)等傳感器有明顯的增長。高峰值功率固體激光器可用于產(chǎn)生調(diào)光激�。近年來這方面的工作也有重大�(jìn)�。用固體激光激勵產(chǎn)生的�(diào)光激光將逐漸廣泛地應(yīng)用于微細(xì)加工等領(lǐng)��

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