1、聚光腔的作用聚光腔的作用 第二章第二章 固体激光器的设计固体激光器的设计（一）（一）聚光腔聚光腔 从泵浦光源发出的辐射能传输到激光工作物质上的效率，从泵浦光源发出的辐射能传输到激光工作物质上的效率，在很大程度上决定了激光系统的总效率。在很大程度上决定了激光系统的总效率。聚光腔除了给泵浦光聚光腔除了给泵浦光源和工作物质之间提供良好耦合之外，还决定激光物质上泵浦源和工作物质之间提供良好耦合之外，还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。畸变。由于激光工作物质和泵浦灯都安装在聚光腔内，合理设由于激光工作物质和
2、泵浦灯都安装在聚光腔内，合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。但计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。但并非并非所有的固体激光器都需要聚光腔。所有的固体激光器都需要聚光腔。1.1.椭圆聚光腔椭圆聚光腔高反射率椭圆柱体，激光棒和泵浦灯分别配置在椭圆柱的高反射率椭圆柱体，激光棒和泵浦灯分别配置在椭圆柱的两条焦线上。由椭圆的一个焦点发出的光将反射到另一个两条焦线上。由椭圆的一个焦点发出的光将反射到另一个焦点。因此，椭圆腔中的能量传递，是从一条焦线上的直焦点。因此，椭圆腔中的能量传递，是从一条焦线上的直管光源传输到另一条焦线上的棒状吸收体。管光源传输到另一条焦线上的棒状吸收体
3、。一、聚光腔的基本类型一、聚光腔的基本类型2.2.漫反射聚光腔漫反射聚光腔最简单的聚光腔是一种陶瓷圆柱体。其中激光棒和泵浦灯最简单的聚光腔是一种陶瓷圆柱体。其中激光棒和泵浦灯紧靠在一起。陶瓷材料具有不会腐蚀或生锈的优点。紧靠在一起。陶瓷材料具有不会腐蚀或生锈的优点。几何传输效率分析几何传输效率分析几点假设几点假设 灯在圆截面上对称均匀发光；灯在圆截面上对称均匀发光；不考虑轴向倾斜光线；不考虑轴向倾斜光线；只考虑一次反射光线，焦点上泵浦；只考虑一次反射光线，焦点上泵浦；不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损耗；不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损耗；灯作为黑体对待。灯作为黑体对待。RrRlLrLl2a2b
4、2c聚光腔各部分的几何参数聚光腔各部分的几何参数灯通过椭圆上的任一点在棒端成像灯通过椭圆上的任一点在棒端成像LrLrRlLl LRLLllrrP000P P0 0点灯像半径等于棒半径点灯像半径等于棒半径 RLrr P2 p 为棒接收经为棒接收经P点反射光能的比例点反射光能的比例100 PRLrr P110 RLLRLRPRLllrrrrrr 待求待求E为总光能为总光能聚光腔的几何传输系数，可通过计算灯辐射能在灯转给晶聚光腔的几何传输系数，可通过计算灯辐射能在灯转给晶体张角体张角dd内的那部分能量得到，对所有张角积分便导出内的那部分能量得到，对所有张角积分便导出 0000020112/1dllr
5、rdddEERLLRPPPgeBAddlLlR待求待求 000110 LRRLLRgerrdllrr dlldLR/P0点的确定点的确定00RlLlP0FFacecllclllrrallLRLLRLRRL 44cos22220 0020sinsin12111cos RLLRrrrreee 001 LRgerr0020sinsin12111cos RLLRrrrree灯的遮挡灯的遮挡P01aerL2sin1 式中式中 1001 LRgerrLampRod考虑灯背后的光线被灯本身遮挡的部分，实际的几何转换效率考虑灯背后的光线被灯本身遮挡的部分，实际的几何转换效率上面一组曲线不考虑灯遮挡的情况，左侧
6、标尺为相应的效率上面一组曲线不考虑灯遮挡的情况，左侧标尺为相应的效率 ge；下面一组曲线和右侧标尺表示由于灯遮挡而造成损耗。下面一组曲线和右侧标尺表示由于灯遮挡而造成损耗。由上面曲线的值减去下面曲线的值乘以由上面曲线的值减去下面曲线的值乘以rR/rL，可得，可得 ge的大小。的大小。单椭圆聚光腔的效率单椭圆聚光腔的效率单椭圆聚光腔转换效率的变化规律单椭圆聚光腔转换效率的变化规律v转换效率随转换效率随rR/rL增加而增加，并随偏心率增加而增加，并随偏心率e的的减小而增加，即泵浦源的放大率随椭圆的偏心减小而增加，即泵浦源的放大率随椭圆的偏心率增大，因此用几乎是圆形的聚光腔和尽可能率增大，因此用几乎
7、是圆形的聚光腔和尽可能细的泵浦灯，可以获得最好的转换效率。细的泵浦灯，可以获得最好的转换效率。漫反射腔的效率漫反射腔的效率漫反射壁的漫反射壁的表面积表面积吸吸收收率率灯的表灯的表面积面积吸吸收收率率腔壁上的腔壁上的开孔面积开孔面积激光棒的吸收率激光棒的吸收率（俘获系数）（俘获系数）激光棒的表激光棒的表面积面积433221111SASASASAS 漫反射腔的俘获效率漫反射腔的俘获效率A1圆柱激光棒对各向同性光的俘获效率。圆柱激光棒对各向同性光的俘获效率。参变量参变量n,rR,分别是棒的折射率、半径和吸收系数。分别是棒的折射率、半径和吸收系数。泵浦光在激光棒内分布泵浦光在激光棒内分布v增益和温度分
8、布不均增益和温度分布不均v 起振不均起振不均v 光斑强度不均光斑强度不均v 光学畸变光学畸变v 激光效率和发散角变坏激光效率和发散角变坏v影响泵浦光分布的因素影响泵浦光分布的因素 聚光器的聚光特性聚光器的聚光特性 聚焦或漫反射聚焦或漫反射 激光棒表面情况激光棒表面情况 抛光或磨毛抛光或磨毛 激光棒吸收系数与棒半径之积激光棒吸收系数与棒半径之积 直照情况直照情况均匀光场中棒内光能的分布均匀光场中棒内光能的分布椭圆柱聚光腔的泵浦光分布椭圆柱聚光腔的泵浦光分布abcdef灯灯P1P2P3P4)1/()1(2)1/()1(2)1/()1(222eerefeercdeerabLLL 聚光腔的设计步骤聚光
9、腔的设计步骤S1S2S32c2a2b2rR2rLDRDL1)确定灯棒尺寸确定灯棒尺寸rR、rL2)确定确定DR、DLmmrDRR642 mmrDLL642 3)确定椭圆腔焦点距离确定椭圆腔焦点距离221LRDDSC 4)确定椭圆腔长轴确定椭圆腔长轴LRDDSSa 21225)确定椭圆腔短轴确定椭圆腔短轴2122)(Cab 聚光腔常用材料的反射率聚光腔常用材料的反射率光学谐振腔是固体激光器的重要组成部分，不同类型的腔型光学谐振腔是固体激光器的重要组成部分，不同类型的腔型结构，对激光输出的特性，诸如功率、模式、光束发散角等结构，对激光输出的特性，诸如功率、模式、光束发散角等都有直接的影响。都有直接
10、的影响。（二）（二）谐振腔参数的选择与设计谐振腔参数的选择与设计无源谐振腔的基模参数无源谐振腔的基模参数 镜面上基模光束半径镜面上基模光束半径 LRRLLRLRRWLRRLLRLRRW2121224221122141)()()(束腰半径束腰半径 2212121240)2()()(LRRLRRLRLRLW LRRLRLtLRRLRLt2)(,2)(21122121 束腰与镜面间的距离束腰与镜面间的距离t1和和t2各种谐振腔结构各种谐振腔结构大曲率半径腔大曲率半径腔共焦腔共焦腔共心腔共心腔凸凹腔凸凹腔半共心腔半共心腔平行平面腔平行平面腔(1)等曲率半径腔等曲率半径腔当当RL(2)共心腔共心腔 L=
11、R1+R22122,12 LRLRW 2120)2(2LRLW 212022,12 RLWW 22,1W020 W(3)等曲率共焦腔腔等曲率共焦腔腔212,1 RW22,10WW R1=R2=R(4)(4)平凹腔平凹腔 R1=2122021)(LRLWW 212222 LRLRW 束腰束腰W0在平面镜上（即在平面镜上（即t1=0，t2=L），是平凹腔的一个重），是平凹腔的一个重要特点。要特点。二、谐振腔的稳定性二、谐振腔的稳定性特点：光线在腔内能往返无限特点：光线在腔内能往返无限多次而不逸出腔外多次而不逸出腔外特点：光线在腔内经有限次往特点：光线在腔内经有限次往返后会从侧面逸出腔外返后会从侧面
12、逸出腔外谐振腔稳定条件谐振腔稳定条件111021 RLRL稳定条件稳定条件稳区图稳区图111RLg 221RLg 11RR 21211221)1(ggggLw 22RR 21212122)1(ggggLw 镜面镜面1上的等相位面曲率半径上的等相位面曲率半径镜面镜面2上的等相位面曲率半径上的等相位面曲率半径镜面镜面1上的基模光斑半径上的基模光斑半径镜面镜面2上的基模光斑半径上的基模光斑半径34镜面上的光束参数镜面上的光束参数多元件腔的多元件腔的G参数等价腔参数等价腔腔内光线往返一周的光束变换矩阵腔内光线往返一周的光束变换矩阵 000020000112011201dcbaRacbdRDCBAM 1
13、11122220000dcbadcbadcbadcbammmmM1M2R1R2a1b1c1d1a2b2c2d2ambmcmdm.a0b0c c0d0M2R2M1R1谐振腔稳定条件谐振腔稳定条件10200100 RbdRba1001RbaG 2002RbdG 1021 GGG参数参数21211201)1(GGGGbP21212102)1(GGGGbP121Pw 222Pw 2121211201RPRPw 2222222202RPRPw 212112101RPRPL 211212120122201RPPRw 22222222222202RPPRw 37镜面上的瑞利范围镜面上的瑞利范围腔内的光束分布
14、腔内的光束分布222222202RPRPL 束腰到镜面的距离束腰到镜面的距离远场发散角远场发散角固体激光器的动态工作特性固体激光器的动态工作特性PPPrPFfD21 1011101DfMrodnlh2(1)Nd:YAG棒的几何传输矩阵棒的几何传输矩阵H1泵浦功率泵浦功率H2屈光度屈光度传输矩阵传输矩阵主面位置主面位置Nd:YAG厚透镜厚透镜h不同不同YAG棒的屈光度与泵浦功率的关系棒的屈光度与泵浦功率的关系 456789101.52.02.53.03.54.04.55.0 7mm,Nd doping 1%6mm,Nd doping 0.8%8mm,Nd doping 1%Refracting
15、power(m-1)Pump power(KW)(2)球面谐振腔的球面谐振腔的动态工作特性动态工作特性M1M2R1R2L1hhL2d1d2H1H2l DdDDddddDddMddcbaMrod1212121211101101腔内光线单程传输矩阵腔内光线单程传输矩阵G参数参数 11222211011022dRRddRRdgGgG 221011Rddg 121021Rddg DdRddRddRbdG 1221221221DdRddRddRbaG 2121121111（x1)G参数图上工作点的运动曲线参数图上工作点的运动曲线(D2)01D4D3D2D1G1*G2D(D3)G1G2乘积乘积工作点从工作
16、点从D=0位置位置a开始，随着功率增加开始，随着功率增加按公式按公式(x1)作直线运动。作直线运动。直线斜率直线斜率k01120221gddgddk kg02/g01，为图中曲线，为图中曲线I，反之曲线，反之曲线II。两个稳定区两个稳定区 D1-D2/D3 D3/D2-D42211111RdRdD 112211RddD 221311RddD 21411ddD 222341211RddDDDDD b点点(G1G2=1):c点点(G1=0):d点点(G2=0):e点点(G1G2=1):111241311RddDDDDD 稳区范围稳区范围临界点屈光度临界点屈光度或者或者G1G2EBAC(D)01D4
17、D2(D3)D1G1*G2DRdD 21RddDD 1132dD24 RddDDDBE11214 A.对称球面谐振腔的对称球面谐振腔的动态工作特性动态工作特性 R1=R2=R，d1=d2=d 动态曲线动态曲线G1G2乘积乘积B点点:C(D)点点:E点点:稳区范围稳区范围G1G2DABCIII011/d1+1/d21/d11/d2 G1*G2DB.平行平面腔的平行平面腔的动态工作特性动态工作特性 R1=R2=动态曲线动态曲线G1G2乘积乘积01 D221dD 131dD 21411ddD 21dD 11dD 或或(d2d1)(d2d1)DdG211 DdG121 01 DdDD132 dDDD2
18、14 C.对称平行平面腔的对称平行平面腔的动态工作特性动态工作特性d1=d2=d 动态曲线动态曲线G1G2乘积乘积A点点:B(C)点点:D点点:稳区范围稳区范围G1G2B(C)AD012/d1/d G1*G2DdD24 G1=G2=1-dD 失调角度对激光输出功率影响的实验研究失调角度对激光输出功率影响的实验研究(a)谐振腔失调角度谐振腔失调角度 (b)棒相对谐振腔轴线的失调角度棒相对谐振腔轴线的失调角度 0246810050100150200250300350400 11.2KW 9.6KW 8.0KW 6.4KWOutput power(W)Misalignment angle(mrad)
19、输出功率随失调角度的变化曲线输出功率随失调角度的变化曲线 棒倾斜角度对输出功率的影响棒倾斜角度对输出功率的影响 02468220240260280300 Output power(W)Tilt angle(mrad)输出光束参数的研究输出光束参数的研究.3,2,1,0,1200 mMmm .3,2,1,0,1200 mMmm 112 mM 2002)(MMBPPmmm阶横模，其腰斑半径、远场发散角为阶横模，其腰斑半径、远场发散角为 光束质量参数光束质量参数 50M1M2R1R2op022m2L02d2mTH1H2谐振腔光束参数示意图谐振腔光束参数示意图 51222Pw 21212102)1(G
20、GGGbP2222222202RPRPw 222222202RPRPL 22222222222)(PdRdRPwop 镜面镜面2上基模光斑半径上基模光斑半径P参数参数基模腰斑位置基模腰斑位置基模腰斑半径基模腰斑半径棒主面上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径52 222222222222222RddRPRPrm 2222222222222422222PRRddRPRPrwmT 222222222222222rDrRddRPRPBPP 2222222222222222)(RddRPRPrwm 镜面2上多模光斑半径多模光束发散角多模腰斑半径光束质量参数53-2-10120123W2-2-1012012
21、3Wop-2-10120246WmT-2-10120510Wm2-2-1012246thetam-2-101201020BPP-2-10120123W2-2-10120123Wop-2-10120246WmT-2-10120510Wm2-2-10122345thetam-2-101201020BPP球面谐振腔的光束参数计算球面谐振腔的光束参数计算(R1=R2=3m，r=5mm)(a)d2=1m，d1=1.2m(b)d2=1.2m，d1=1m 54对称球面腔的光束参数计算(R1=R2=3m,d1=d2=1m，r=5mm)-2-101230123W2-2-101230123Wop-2-101230
22、246WmT-2-101230510Wm2-2-10123246thetam-2-1012301020BPP55DGbGPww21220222 1222222PdPwop 22222222222dPPrwrwmmT 22222222211ddPrm 222222222222rDdrdPrPwBPPmTm 镜面镜面2上基模光斑半径上基模光斑半径1）平行平面腔 棒主面上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径多模腰斑半径多模腰斑半径多模光束发散角多模光束发散角光束质量参数光束质量参数5600.511.520123W200.511.520123Wop00.511.520246WmT00.511.520246
23、Wm200.511.520246thetam00.511.52051015BPP00.511.520123W200.511.520123Wop00.511.520246WmT00.511.520246Wm200.511.520246thetam00.511.52051015BPP平行平面腔的光束参数计算(r=5mm)(a)d2=1m，d1=1.2m(b)d2=1.2m，d1=1m 57 DdDdww 22122 dDdDdwop 222 2122222222dDdPPrwrwmmT dDdPrm2122222 422422DdDrwmTm 2）对称的平行平面腔）对称的平行平面腔 镜面镜面2上基
24、模光斑半径上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径棒主面上基模光斑半径多模腰斑半径多模腰斑半径多模光束发散角多模光束发散角光束质量参数光束质量参数0120123W20120123Wop0120246WmT0120246Wm20120246thetam012051015BPP对称平行平面腔参数计算对称平行平面腔参数计算(d1=d2=1m，r=5mm)rwwmmT 20drm 20 drBPPdD2,12max 时时对称平行平面腔不同腔长时的对称平行平面腔不同腔长时的光束质量比较光束质量比较 相同腔长时对称谐振腔的相同腔长时对称谐振腔的光束质量比较光束质量比较 a.双凹腔双凹腔R=4m b.双凹腔双凹腔
25、R=10m c.平行平面腔平行平面腔d.双凸腔双凸腔R=-10m e.双凸腔双凸腔R=-4ma.d1=d2=2m;b.d1=d2=1m;c.d1=d2=0.5mm双棒串接谐振腔的动态工作特性 M1M2R1R2hhd1dmH1H2lhhH1H2ld2 101101101101111120000dDdDddcbaMm腔内光线单程传输矩阵61 21121221112110011211DRdddDRddddRdRdddRbaGmmmm 22212112222120021211DRdddDRddddRdRdddRbdGmmmm G参数62-4-2024-4-2024AR1=R2=3m,d1=0.6md2
26、=0.3m,dm=1mG2G1-1012345-1-0.500.511.522.5D(1/m)G1*G2动态曲线G1G2乘积63-5-4-3-2-1012345-5-4-3-2-1012345DG2G1CBAk1=1 动态曲线(1)对称结构的谐振腔 kkdRddDD2 dRkkdRddDB221RddDDBDDB 11 )(2211dRdkdDC kddm d1=d2=d R1=R2=R 稳区范围折返点屈光度64动态曲线(2)平行平面腔-5-4-3-2-1012345-5-4-3-2-1012345AG2G1baa:k1=0.6 k2=3b:k1=0.3 k2=3d2=k1d1 dm=k2d1
27、 65动态曲线(3)对称结构的平行平面腔dkdm2d1=d2=d-5-4-3-2-1012345-5-4-3-2-1012345DG2G1CBAk1=1 2220kkdDA 221kdDB2222kkdDC dDDBAAB1 稳区范围折返点屈光度66(3)对称结构的平行平面腔且k2=2,即ddm2 20AdD1 BdDdDABA2 00.511.522.500.20.40.60.811.21.4dDG1*G2G1G2乘积稳区范围67(4)双棒热效应不一致-4-2024-4-2024AG2G1 D2=0.7D1k1=1 k2=222012)3(1DddDaG 22022)31(1DddDdG 动
28、态曲线D2=D1 68三棒串接谐振腔的动态工作特性 腔内光线单程传输矩阵M1R1hhd1d2H1H2lhhH1H2d3M2R2hhH1H2d4ll 10110110110110110110112340000dDdDdDddcbaM69-5-4-3-2-1012345-5-4-3-2-1012345AG2G1k1=3k2=2k3=0.9三棒非对称平行平面谐振腔的动态工作曲线 70动态曲线(1)对称结构的平行平面腔d1=d4=d-4-2024-4-2024k3=1G2EDCBAG1d2=d3=kd kkkdDA130 9232192321122kkkkkkkkkdDBkdD11 kdkkkD292
29、322 kdkkkD292123 稳区范围71312DDD kkkkdDDC3734312,三个稳区的关系C,D两折返点的屈光度72-4-2024-4-2024B(C)A(D)G1G2M1D1hhd2dH1H2lD2hhH1H22dM2R2D3hhH1H2dll当k=2动态曲线稳区范围dD273(2)三棒热效应不一致动态曲线D2=D1,D3=D1-3-2-10123-3-2-10123G2G1BA 1)153()426(41)53()642(4232231xxxGxxxG74 n棒串接谐振腔的动态工作特性 M1D1hhd2dH1H2lD2hhH1H2M2DnhhH1H2dlldA反射镜M1到A
30、平面处的光束传播矩阵 dDDDdddDdDddcbaM12110110110121111175由Sylvester理论，从M1到M2的单程传输矩阵则为 1sinsinsinsin1sinsinsin11111111100001nndncnbnnadcbadcbaMMnnn)1arccos(arccos2arccos111dDada1sinsinsin11021nnaaGG76 22123231212221221455452101453nG=1G=0G=-1101220，2130，40，1，250,2,2,1,1各临界点的dD值7700.511.522.500.20.40.60.811.21.4
31、1.61.8dDG1*G200.511.522.500.511.522.5dDG1*G25棒串接 4棒串接78*79多棒串接的高功率固体激光器实验研究 45678910110100200300400500600700800900 d1=d2=160mmdm=2d1=320mm输出功率(W)单棒泵浦功率(KW)双棒串接的输出功率曲线 7934567891 01 102 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 021 d1=d2=d3=d4=3 0 0 m m d2=d3=2 d1=2 d4=4 0 0 m m输出功率(W)单 棒 泵 浦 功 率(kW)三棒串接的输出功率曲线 80不同间距
32、对输出功率的影响(三棒串接）8101214161820222426283002004006008001000 d2=d3=2d1=2d4=300m m d2=d3=2d1=2d4=340m m d2=d3=2d1=2d4=400m m输出功率(W)电流(A)81调整电流对输出功率的影响1012141618202224262802004006008001000 d2=d3=2d1=2d4=300mm 三腔工作电流一致 调整各棒工作电流输出功率(W)电流(A)8283对称结构的平行平面腔，d1=d2=200mm,dm=600mm,求各临界点及折返点的屈光度，并求出稳区范围。（三）泵浦源（三）泵浦源
33、泵浦源的作用泵浦源的作用泵浦激光器使用光源的主要目的是将电能有效地转泵浦激光器使用光源的主要目的是将电能有效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量。最有效的激光泵浦灯将使激光材料在激发荧光量。最有效的激光泵浦灯将使激光材料在激发荧光的波长上产生最大的发射，而在有效吸收带之外的的波长上产生最大的发射，而在有效吸收带之外的所有光谱范围内产生最小的发射所有光谱范围内产生最小的发射。常用的泵浦源：氙灯、氪灯、半导体激光器常用的泵浦源：氙灯、氪灯、半导体激光器脉冲氙灯脉冲氙灯一种一种在极短时间内发在极短时间内发生高强度闪光的氙灯生高强度闪光的氙灯。
34、能把足够。能把足够的电能转换为能够激活离子吸收的电能转换为能够激活离子吸收的光能辐射。氙气化学性质不活的光能辐射。氙气化学性质不活泼，不燃烧，也不助燃。天然稀泼，不燃烧，也不助燃。天然稀有气体中分子量最大、密度最高。有气体中分子量最大、密度最高。22090外85着火电压（V）工作电压（V）负载因子(J S-1/2)单次储能为100J时的频率（Hz）最大瞬时电流（A）推荐单次储能（J）单次储能为100J时的寿命（次）自然冷却强迫空冷水冷400 500 64.82.5 5 50 1500100130106脉冲氙灯脉冲氙灯22090外85890220氙灯发射光谱氙灯发射的光谱如图所示，它的峰值波长分
35、别在氙灯发射的光谱如图所示，它的峰值波长分别在800nm和和900nm附附近，对应近，对应Nd:YAG吸收宽带，氙灯在这一波段具有较强的发射光谱吸收宽带，氙灯在这一波段具有较强的发射光谱Nd:YAG的的吸收光谱吸收光谱氪灯氪灯是固体激光器的泵浦光源。因是固体激光器的泵浦光源。因其发光光谱与其发光光谱与Nd3+:YAG晶体的吸收晶体的吸收带相匹配，相对光能利用比例较高，带相匹配，相对光能利用比例较高，是目前国内最主要的是目前国内最主要的YAG连续连续固体固体激光器光泵光源激光器光泵光源。连续氪灯连续氪灯一般圆头的表示正，用红色的电源线；尖头的表示负，一般用黑色的电源线一般圆头的表示正，用红色的电
36、源线；尖头的表示负，一般用黑色的电源线 氪灯光谱特性氪灯光谱特性峰值波长位于峰值波长位于760nm,820nm和和900nm附近，与附近，与Nd3+:YAG的吸收谱带相匹配，对连续和小能量输出的吸收谱带相匹配，对连续和小能量输出(10 J)的脉冲的脉冲YAG激光器采用氪灯激发效率比较高。对大型激光器，宜激光器采用氪灯激发效率比较高。对大型激光器，宜采用辐射能量较大，效率较高的脉冲氙灯激发。采用辐射能量较大，效率较高的脉冲氙灯激发。1、脉冲氙灯的结构、脉冲氙灯的结构壁厚壁厚12mm，内径，内径319mm，长，长5cm1m。闪光灯。闪光灯室温下的典型充气压为室温下的典型充气压为41049.3104
37、Pa。一般选。一般选氙气作为闪光灯的充入气体，氙气作为闪光灯的充入气体，脉冲灯的发光特性脉冲灯的发光特性在低电流密度下氙的发射光谱，充氙在低电流密度下氙的发射光谱，充氙1.75105Pa,氙灯在红外部分发射很氙灯在红外部分发射很强的线状光谱强的线状光谱 气体放电灯的辐射输出由几个气体放电灯的辐射输出由几个不同的部分组成，每一部分相不同的部分组成，每一部分相应于不同的物理发光机理，并应于不同的物理发光机理，并强烈地依赖于灯的功率密度，强烈地依赖于灯的功率密度，因而低功率和高功率的输出光因而低功率和高功率的输出光谱明显不同。谱明显不同。总的辐射由线状光谱和连续光总的辐射由线状光谱和连续光谱两部分组
38、成谱两部分组成 不同电流下的发光谱线不同电流下的发光谱线在高电流密度下氙的发射光谱在高电流密度下氙的发射光谱在高电流密度下，线状结构在高电流密度下，线状结构被强的连续光谱掩盖，另外被强的连续光谱掩盖，另外高电流密度使输出光谱向短高电流密度使输出光谱向短波方向移动。波方向移动。脉冲灯的寿命脉冲灯的寿命灯的寿命与工作能量的关系灯的寿命与工作能量的关系 闪光灯的寿命终结有两种形式，闪光灯的寿命终结有两种形式，即突然失效和非破坏性失效。即突然失效和非破坏性失效。造成突然失效的原因是灯被点造成突然失效的原因是灯被点燃时气体中的冲击波使灯管爆燃时气体中的冲击波使灯管爆炸，或者由于灯管及封接处过炸，或者由于
39、灯管及封接处过热并由热负荷而造成漏气。热并由热负荷而造成漏气。突突然失效与脉冲能量和脉冲宽度然失效与脉冲能量和脉冲宽度有关，非破坏性失效由灯耗散有关，非破坏性失效由灯耗散的平均功率决定。的平均功率决定。当闪光灯在当闪光灯在远低于额定最大脉冲能量和平远低于额定最大脉冲能量和平均功率下工作时，通常不会突均功率下工作时，通常不会突然失效，而是以逐渐减小的光然失效，而是以逐渐减小的光输出继续工作输出继续工作2、连续氪灯的结构、连续氪灯的结构连续弧光灯的设计类似于直管闪光灯，不同之处只是为连续弧光灯的设计类似于直管闪光灯，不同之处只是为了电弧稳定，连续弧光灯的阴极是尖头的，阳极是圆头了电弧稳定，连续弧光
40、灯的阴极是尖头的，阳极是圆头的。的。典型充气压为典型充气压为24105Pa 连续灯的发光谱线连续灯的发光谱线典型的连续泵浦氪弧灯的发射光谱典型的连续泵浦氪弧灯的发射光谱 氪灯的热特性氪灯的热特性连续泵浦氪灯输入功率的大小由石英管壁允许的应力连续泵浦氪灯输入功率的大小由石英管壁允许的应力决定。而应力是由管壁内外表面间的温度梯度以及工决定。而应力是由管壁内外表面间的温度梯度以及工作的灯内气体压力引起的。管壁的热梯度是作的灯内气体压力引起的。管壁的热梯度是 KQdT Q为耗散的功率密度，为耗散的功率密度，d为壁厚，为壁厚，K为热导率。对于熔为热导率。对于熔石英，管壁内外表面间允许的最大温差石英，管壁
41、内外表面间允许的最大温差T=1800 氪灯的电特性氪灯的电特性工作参数和阻抗取决于电流密度、弧长、管径的大小工作参数和阻抗取决于电流密度、弧长、管径的大小和充气压强。氪弧灯工作电压为和充气压强。氪弧灯工作电压为80150V，工作电流，工作电流为为2050A，特性阻抗值为，特性阻抗值为210 半导体激光器的优点半导体激光器的优点1、光电转化效率高，节省能源。半导体激光器是直接的电、光电转化效率高，节省能源。半导体激光器是直接的电 子子光子转换器，因而它的转换效率很高。目前最高光电转光子转换器，因而它的转换效率很高。目前最高光电转换效率接近换效率接近70%2、半导体激光器所覆盖的波段范围最广。可以
42、通过选用不、半导体激光器所覆盖的波段范围最广。可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。的组分，而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。3、系统稳定性高，寿命长，维护便捷费用低、系统稳定性高，寿命长，维护便捷费用低4、波长较短，金属材料吸收效率高，加工质量好、波长较短，金属材料吸收效率高，加工质量好5、模块化设计，可以根据不同应用设计加工系统、模块化设计，可以根据不同应用设计加工系统6、具有直接调制的能力。、具有直接调制的能力。7、体积小巧，结构紧凑，质量轻。、体积小
43、巧，结构紧凑，质量轻。半导体激光器的特性半导体激光器的特性1.发散角发散角:水平水平(慢轴）方向慢轴）方向10o，垂直（快轴）方向，垂直（快轴）方向40o二极管激光器二极管激光器(单管）在水平与垂直方向的发散角单管）在水平与垂直方向的发散角 半导体激光器阵列结构半导体激光器阵列结构发散角（发散角（FWHM）水平（慢轴）方向水平（慢轴）方向10o，垂直（快轴）方向，垂直（快轴）方向40o半导体激光器阵列发光特性半导体激光器阵列发光特性Fast axis(perpendicular to laser bar)60.90(1 m slit):0.3 mm mraddiffraction limite
44、dSlow axis(along laser bar)5.12(10 mm bar):520 mm mradalmost diffuse线阵的发光线阵的发光列阵的发光列阵的发光半导体激光器输出特性半导体激光器输出特性20304050604080120160200240 Output power VotageCurrent/AOutput power/W5.05.56.06.57.07.58.0Cooling water T=25oCFlow rate:1.4L/minVotage/V2.功率特性功率特性半导体激光器的发光谱线半导体激光器的发光谱线795800805810815820050010
45、0015002000250030003500Conditions:P=50W Cooling water temp:25oCRelative intensityWavelength(nm)波长波长相对光强相对光强 中心谱线中心谱线 谱线宽度谱线宽度1#807.5nm 4nm2#806.8nm 3nm3#805.4nm 3nm 1#2#3#3.谱线特性谱线特性141618202224262830323436799800801802803804805806807808809 20oC 23oC 25oC 28oC中 心 谱 线(nm)电 流(A)半导体激光器发射光谱与冷却水温的关系半导体激光器发射
46、光谱与冷却水温的关系二极管激光器输出功率与冷却水温的关系二极管激光器输出功率与冷却水温的关系15161718192021221820222426283032Temperature of cooling water(oC)Output power(W)30A33A35A第三章第三章 二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器转换效率高转换效率高光束质量好光束质量好可靠性高可靠性高低压供电低压供电维护工作量小维护工作量小Nd:YAG吸收光谱、泵浦灯吸收光谱、泵浦灯及二极管激光发射光谱及二极管激光发射光谱寿命长寿命长体积小、重量轻体积小、重量轻二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器(DPSSL)的优
47、点的优点激光技术第二章 典型激光器件LD泵浦的优点泵浦的优点（a）光谱匹配性好）光谱匹配性好 在闪光灯很宽的光谱范围内，只有对应于工作物质吸在闪光灯很宽的光谱范围内，只有对应于工作物质吸收带内的一部分光能被吸收，而其余部分则转变为器件的收带内的一部分光能被吸收，而其余部分则转变为器件的热能。同时，灯发射光谱中的紫外光还会造成工作物质性热能。同时，灯发射光谱中的紫外光还会造成工作物质性能劣化。因此，为减少热效应和紫外光对器件性能的不利能劣化。因此，为减少热效应和紫外光对器件性能的不利影响，采用闪光灯泵浦的固体激光器均要采取冷却和滤光影响，采用闪光灯泵浦的固体激光器均要采取冷却和滤光等措施。致使器
48、件结构复杂，不便于维护。等措施。致使器件结构复杂，不便于维护。根据固体激光介质的最强吸收峰，选择适当波长的根据固体激光介质的最强吸收峰，选择适当波长的LD作为泵浦光源，吸收效率高。可以较好地解决上述问题。作为泵浦光源，吸收效率高。可以较好地解决上述问题。激光技术第二章 典型激光器件(b)固体器件总体效率高固体器件总体效率高 采用闪光灯泵浦，与工作物质的吸收光谱之间匹配性差、采用闪光灯泵浦，与工作物质的吸收光谱之间匹配性差、能量转换环节多，器件的总体效率一般仅为百分之几。而采能量转换环节多，器件的总体效率一般仅为百分之几。而采用用LD泵浦，一般泵浦，一般LD的量子效率可达的量子效率可达3550，
49、LD泵浦光转泵浦光转换为固体激光的效率可达换为固体激光的效率可达50以上，故总体效率可达以上，故总体效率可达25以以上，比闪光灯泵浦高一个量级。由于减少了工作物质的热效上，比闪光灯泵浦高一个量级。由于减少了工作物质的热效应，使固体器件输出的激光束质量得到改善。应，使固体器件输出的激光束质量得到改善。(c)体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长 LD体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电源体积的体积小，其供电电源也很小，只有闪光灯电源体积的十分之一。采用十分之一。采用LD泵浦的热效应很小，因此可减小冷却系统，泵浦的热效应很小，因此可减小冷却系统，使器件结构简
50、单、装调维修方便，为固体器件的小型化创造使器件结构简单、装调维修方便，为固体器件的小型化创造了有利的条件。了有利的条件。LD使用寿命长，其典型寿命为使用寿命长，其典型寿命为105小时或小时或109次，使固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高。次，使固体激光器系统的寿命和可靠性大大提高。激光技术第二章 典型激光器件半导体泵浦固体激光器的泵浦方式半导体泵浦固体激光器的泵浦方式工作工作物质物质输出镜输出镜808nm泵浦光泵浦光1064nm固体激光固体激光HT808nmHR1064nmA、端面泵浦、端面泵浦(End Pumping)特点：特点：1.效率高，光效率高，光-光效率可达光效率可达60%以上以上
