求固体激光工程资料 - 光电工程师社区

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固体激光器技术

英文名称；Solid-State Laser Technology
检索词：固体激光器;激光器;泵浦
技术类别：光电子技术;

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[定义]
　固体激光器是将激光的粒子掺于固体基质中，以固体作为工作物质的激光器。工作物质的物理、化学性能主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定。但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化。如果按工作物质来分，固体激光器可分为晶体激光器（如红宝石激光器、钇铝石榴石(YAG)激光器等）和非晶体固体激光器（如钕玻璃激光器）。若按其运转方式，固体激光器又可分为脉冲激光器和连续激光器，而脉冲激光器又可分为单脉冲和重复频率脉冲激光器。
　固体激光器的主要特点是：
　（1）、固体激光器输出光波波长较短，如红宝石激光器输出波长为0.6943微米；Nd3+ YAG，以及Nd3+ 钕玻璃激光器的波长为1.06微米，比CO2激光器低一个数量级。由于固体激光器的输出波长多在可见光区段或近红外光区段，因此很容易用某些晶体倍频，获得可见光甚至紫外光波段光波。
　由于产生激光的粒子掺于固体物质中，其浓度比气体大，因而可获得大的激光能量输出，单个脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲峰值功率可达几十太瓦。但因固体热效应严重，连续输出功率不如气体高，可达千瓦级水平。
　（2）、固体激光器输出比较容易用普通光学元件传递，对于1.06微米的近红外光，还可用光导纤维传递能量。在许多应用中，它又是方便灵活的工具。
　（3）、固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使用维护方便，价格也略低于气体激光器。
　固体激光器由工作物质、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、冷却滤光装置以及激光电源等部分组成。
　工作物质是激光器的核心，它将泵浦灯中部分光能转换为相干光；泵浦灯为工作物质中的粒子数反转提供光能；聚光腔使泵浦灯辐射的光能最大限度地、均匀地会聚工作物质；谐振腔的作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由全反射镜与部分反射镜（或输出镜）组成，激光由部分反射镜输出；冷却、滤光系统用于防止聚光腔及内部元件温升过高，减少泵浦灯紫外辐射对工作物质的有害影响。最为广泛采用的固体激光工作物质有红宝石、掺钕钇铝石榴石和钕玻璃三种，此外还包括可调谐固体激光器。
　红宝石的化学表达式为Cr3+:Al2O3 ,激活离子是Cr3+，它属于三能级系统，在常温下，其吸收带为0.41微米的紫光以及0.55微米的绿光，吸收带宽约0.1微米左右，发射光谱为0.6943微米红光。它的特点是：机械强度大，能承受高功率密度，能生长成大尺寸晶体、亚稳态寿命长、可获得大能量输出，尤其是大能量单模输出。红宝石脉冲器件单脉冲能量已达数千焦耳，其输出光波长为0.6943微米，荧光谱线较窄，易为材料吸收。
　掺钕钇铝石榴石这种晶体简记为Nd3+:YAG，激活离子为Nd3+。常温下辐射1.06微米激光，属于四级能系统。它的主要特点是：量子效率高，受激辐射截面大，阈值远低于红宝石和钕玻璃；具有良好的热稳定性能，热导率高，热膨胀系数小，适用于脉冲、连续、高重复率等多种器件，是目前能在室温下连续工作的、唯一实用的固体工作物质。YAG晶体各向同性，硬度大，化学性质稳定，易于制成高稳定度要求的器件，是当前应用最为广泛的主要固体工作物质。
　钕玻璃是由某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3而制成，激活离子也是Nd3+。吸收带与Nd3+:YAG相似，但是带宽较宽，因而有利于激活吸收；发射光波长为1.06微米，成为高峰值功率的主要器件。其优点为：制备工艺成熟，较易获得高透光性的光学均匀的激光玻璃。工作物质的形状、尺寸有较大的自由度；基质成分易改变，可加入各种激活离子，浓度亦不受限制，并已开发了各种特性的激光玻璃系列；钕玻璃荧光寿命长，易积累粒子数反转而获得大能量输出，并具有宽的荧光谱线，特别适于制作高峰值功率、短脉冲的锁模器件。目前钕玻璃激光器输出能量高达上万焦耳。
　可调谐固体激光器是指工作波长可以人为控制在一定范围内加以改变的激光。其原理为激活介质的下能级是由一簇相距很近的子能级组成的，它们和同一上能级之间的能级差略有区别，这样，当粒子由上级能向下能级跃迁时所发射光子的波长便略有区别。利用谐振腔的选模功能可使一定波长的光形成振荡，而通过改变谐振腔的参数或其他外界条件即可调谐输出波长，可使激光器具有波长灵活性，主要代表是金绿宝石激光器和掺钛蓝宝石（Ti:Al3O3）激光器，输出波长在0.66～1.16微米之间。
　固体激光器泵浦系统一般都是光泵浦，以惰性气体放电灯应用最普遍。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高，是红宝石、掺钕钇铝石榴石和钕玻璃脉冲激光器中应用最为广泛的一种灯。
　

[相关技术]泵浦技术；CO2激光器技术；电子技术；激光技术

[技术难点]
　固体激光器是目前一种较为广泛应用的激光器件，主要的关键技术是固体工作物质、泵浦技术，提高泵浦灯固体激光器的效率。
　

[国外概况]
　第一台红宝石固体激光器于1960年问世，第二年便产生了钕玻璃激光器，固体激光器得到迅速发展。首台掺钕钇铝石榴石激光器于1972年诞生于德国Laser Otronic公司，之后美国、日本、德、法等国纷纷研制。如今，各国研究人员已将目光转向高功率固体激光器的研制上来，而YAG仍可作为最实用的固体激光材料。1992年日本NEC公司研制成功输出平均功率为1200W的Nd:YAG激光器，其晶体尺寸达250mm。板状YAG激光器由通用电气公司于1972年研制成功。1993年德国柏林固体激光研究所（FLI）用六棒串联实现连续2KW输出。此外，该所还在高功率板条固体激光器、高功率管状固体激光器的研究中占有重要地位。
　世界上的第一个用于激光波长调谐的光参量振荡器（OPO）于1965年研制成功。由于实现高效光参量振荡对光泵浦源和非线性晶体的要求很高，因此，1965年至1984年OPO的研究和应用十分有限。80年代中期以来，人工培养出很多高质量的非线性材料；另一方面，可用作OPO泵浦源的激光器性能也大大改善，从而推动了OPO技术的迅速发展。1994年早些时候，德国Lambda公司研制出波长在0.4～2.5微米范围连续可调、线宽0.02cm的器件。据1995年3月有关资料的报道，德国的Kaiserslaulern大学的研究人员将可调谐范围扩展到0.19～3.5微米,最大平均功率4W.
　固体激光器发展过程中最大的突破是高功率二极管泵浦固体激光器（DPSSL）的研制。这种激光器兼具固体激光器与半导体激光器的优点，较灯泵浦又具有高效率、高增益、低阈值、激光热效应小、有效模匹配和极高的泵浦密度等一系列特点，因此一出现便使激光器重现勃勃生机。美国利佛莫尔实验室（LLNL）是开发DPSSL的重要机构，其研究工作得到美国国防部的支持。在"防御者"计划里，LLNL负责发展攻击助推段导弹的机载大功率DPSSL。其演示的激光二极管(LD)泵浦YAG激光器获得过1050W创世界记录的平均功率，且体积非常小。它还被广泛应用到光通信和光信息存储、处理等方面。据专家认为，光参量振荡技术、二极管泵浦固体激光技术与小型化固体激光技术是当前固体激光领域的三项关键技术。
　激光晶体的发展动向之一就是研制在室温下产生新波长的工作物质，如氟化钇锂LiYF4晶体的研究已经初见倪端，它适合于多种稀土离子掺杂和敏化，能在室温下实现从可见的蓝光到中红外光多种波长的激光跃迁。为了适应固体激光器小型化的需要，目前发展了一些高掺杂浓度的激光晶体，例如属于磷酸盐系的五磷酸钕Nd5PO14晶体。其特点是，Nd3+既是基质的一部分又是激活离子，掺钕浓度可以很高，而浓度猝灭很小。具有发射截面大，效率高、阈值低的特点。另外，磷酸锂钕也是一种高掺杂的晶体，据报道其增益系数比Nd3+:YAG高出28倍，也是一种很有前途的小型化激光晶体。
　实现可调谐的工作物质主要是一些晶体。受到人们重视的色心激光器也可实现波长调谐。目前产生色心的办法有两种：一是加质着色，一是辐射着色。加质着色是将晶体放到碱金属蒸气中，通过碱金属原子扩散，晶体获得超过化学配比的过量碱金属原子，因而在晶体中出现负离子缺位。辐射着色是用紫外线、电子束、r射线、x射线等照射晶体，晶体中的电子受激发电离，形成负离子缺位。
　
[影响]
　 60年代出现固体激光器之后，因其所具有的能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点而广泛应用于工业、农业、通信、医疗、科研等国民经济的许多领域以及国防武器装备上，对国民经济和国防工业的发展起到了举足轻重的作用。就国防武器装备方面来讲，由于激光器的应用，特别是激光测距机、激光目标指示器等激光器材已经充斥战场的各个领域，它们已经成为现代火控系统的重要组成部分，并使得武器系统的命中精度和攻击力得以大大提高。美国率先将此项技术应用到国防工业当中，陆军在1969年首先装备了军用激光测距机。
　军用激光测距机的发展已经历了两代。第一代是激光波长为0.6943微米的红宝石激光测距机；第二代是波长1.06微米的钕激光测距机（少数用钕玻璃激光器，多数用掺钕钇铝石榴石激光器）。目前掺钕钇铝石榴石激光测距机已大量装备部队，其典型性能为：最大测程在8～10千米，最小测程在150～500米，测距精度在 ±5～±10米，光束发散角为1毫弧度左右，重频为每秒1～20次。由于此类测距机对人眼很不安全，在烟雾中传输性能差，与8～14微米热像仪不能兼容，所以目前正在发展CO2（波长10.6微米）激光测距机、铒玻璃（波长1.54微米）激光测距机以及掺铒四氧化钇锂（波长1.73微米）、掺铒四氧铒锂（波长2.06微米）和由Q开关掺钕钇铝石榴石激光泵浦高压甲烷气体拉曼等固体激光测距机，此外，还在研制具有较高效率、较远测程及多目标测距能力的固体激光测距机，如用列阵砷化镓二极管激光泵浦掺钕钇铝石榴石激光测距机等。应用计算机控制的扫描器与接收机组合的结构可使激光测距机测量多个目标的距离。这些新型激光测距机成为第三代军用激光测距机，因对人眼安全，而大批装备部队。它采用铒玻璃激光器和喇曼频移掺钕钇铝石榴石激光器（波长皆为1.54微米）,亦可采用光参量振荡器将激光器的输出波长转移到1.06微米至1.58微米之间。挪威首先装备了这种激光测距机，安装在其CV9030型步兵战车的UTAAS火控系统上。美国为装备M1A2主战坦克，也采用了这种人眼安全激光测距机。
　目前主要装备的激光目标指示器大部分采用1.06微米波长的掺钕钇铝石榴石激光器，它不仅是激光制导武器的照射光源，是激光对抗的主要对象，如在"海湾战争"中使用的激光制导武器"铜斑蛇"、"海尔法"以及AS.305空地导弹（它们利用激光目标指示器成功地实施了对伊目标的攻击〉；它同时还是激光有源对抗中激光干扰机、激光致盲武器的重要部分，如美国研制的"鱼工鱼"系统中就采用了平均功率1千瓦的CO2激光器和输出能量约100毫焦的板条状掺钕钇铝石榴石激光器和钇铝石榴石倍频激光器，有效干扰距离1.6千米和5英里，1986～1990年研制费用约1.5亿美元，并于90年代装备。
　在国民经济领域固体激光器同样发挥着巨大的作用，不仅被广泛应用到加工处理、焊接等方面，而且还被应用到医疗上用来治疗各种疾病。
　

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提供单位：电子工业总公司
责任者：王浩
数据采集时间：1999.08
参考文献：
　 1. 刘敬海、徐荣甫等，《激光器件与技术》，1995年12月，第一版，北京理工大学出版社
　 2. 刘忠达，《激光及其应用》，1979年11月，第一版，辽宁，人民出版社
　 3. 阎吉祥，《激光武器》，1996年8月，第一版，国防工业出版社
　 4. 杨杨，激光对抗，《现代军事》，1991年第7期， p.29～31
　 5. 付伟，军用激光技术的发展现状，《电光与控制》，1996年第1期，p.23～30
　 6. 李红，琳琅满目的战场激光装置，《现代兵器》，1995年第12期，p.17～20

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