側(cè)泵浦激光器課程設(shè)計

1、<p>　　激光原理與技術(shù)課程設(shè)計</p><p>　　課題名稱： </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學(xué)生學(xué)號： </p

2、><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué)生成績： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　課題工作時間：

3、 至 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 前 言8</b></p><p>　　1.1 LD泵浦固體激光器的優(yōu)點8</p><p>　　1.2 LD側(cè)面泵浦固體激光器的基本理論8</p>&

4、lt;p><b>　　2半導(dǎo)體泵浦9</b></p><p>　　2.1半導(dǎo)體側(cè)面泵浦激光器原理9</p><p>　　2.2半導(dǎo)體泵浦激光器應(yīng)用9</p><p>　　2.2.1 軍事方面的應(yīng)用9</p><p>　　2.2.2 材料加工方面的應(yīng)用9</p><p>　　2.2.

5、3 醫(yī)療方面的應(yīng)用10</p><p><b>　　3設(shè)計過程10</b></p><p>　　3.1 設(shè)計軟件10</p><p>　　3.2 激光器整體設(shè)計10</p><p>　　3.2.1 Q開關(guān)控制激光的原理11</p><p>　　3.2.2 激光擴(kuò)束鏡11</p&g

6、t;<p>　　3.2.3 光學(xué)諧振腔11</p><p><b>　　4 激光輸出11</b></p><p>　　4.1 腔內(nèi)光場11</p><p>　　4.2 輸出光斑12</p><p><b>　　5 結(jié) 語12</b></p><p>&

7、lt;b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p>　　側(cè)面泵浦的激光器設(shè)計</p><p><b>　　1 前 言</b></p><p>　　1.1 LD泵浦固體激光器的優(yōu)點</p><p>　　早期的固體激光器多采用閃光燈、氣體放電光源(氤燈、氪燈)作為泵浦源，與傳統(tǒng)的燈泵浦固體激光器相比，LD

8、泵浦固體激光器的優(yōu)點在于兼?zhèn)淞薒D和固體激光器兩者的優(yōu)點，并且互相彌補(bǔ)了對方的某些缺點，使激光器的各項性能指標(biāo)及在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化方面都取得了極大的進(jìn)步。用LD泵浦的固體激光器代替閃光燈、氣體放電光源作為泵浦源固體激光器已經(jīng)成了一種必然的趨勢。概況起來有以下幾個優(yōu)點：</p><p>　　1．效率高，總體效率提高了5～10倍．由于激光介質(zhì)的吸收帶寬相對窄，而LD的發(fā)射光譜寬度也很窄(2～3nm)，用它作為固體激光器的泵

9、浦源，可以根據(jù)實際需要來選擇相應(yīng)激勵波長的LD，其發(fā)射光譜落在激活介質(zhì)的吸收峰附近．通過對LD工作溫度的控制，把其發(fā)射波長準(zhǔn)確地調(diào)整到激活介質(zhì)的吸收峰上，從而使泵浦光能更多地用來增加反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而傳統(tǒng)燈光源的輻射帶很寬，只有吸收峰附近范圍內(nèi)的光才能夠被吸收利用，其它的能量最終都轉(zhuǎn)變成為熱而浪費了，而且泵浦光中所含的紫外輻射會使工作物質(zhì)退化，因此，激光二極管泵浦的固體激光器的效率可以做得很高．目前，其電光轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到15％以上，遠(yuǎn)高于

10、傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器的1％～5％的效率．</p><p>　　2．更高的頻率穩(wěn)定性和更窄的線寬．由于LD光譜和激活介質(zhì)的吸收光譜完全匹配，激光晶體可以不再吸收其它無用的輻射，熱效應(yīng)大大減少．同時由于熱負(fù)荷降低，不僅平均輸出功率得到提高，而且極大地降低了對激活介質(zhì)的冷卻要求，大大地減少了激光器工作時的機(jī)械噪聲．作為泵浦源的LD輸出功率穩(wěn)定性很高，泵浦功率的波動對線寬的影響大大降低，使得DPSL具有更高的頻率穩(wěn)定性和

11、更窄的線寬，其頻率穩(wěn)定性和線寬已經(jīng)可以和氣體激光器相媲美。</p><p>　　3．光束質(zhì)量高。由于激光晶體的熱負(fù)荷減少，提高了輸出光束質(zhì)量。利用DPSL可以獲得獨特的激光特性。在縱向泵浦時，可以產(chǎn)生近衍射極限、近于理想TEM00模強(qiáng)度分布的輸出。目前一臺千瓦級燈泵的固體激光器，其光束發(fā)散角是衍射極限的40～60倍，而同等功率的LD泵浦固體激光器僅為衍射極限的2倍．</p><p>　　4

12、．可根據(jù)實際需要選擇LD的激勵波長，甚至可以根據(jù)需要定制波長，使其發(fā)射譜與激光晶體的吸收光譜基本上相重合。LD的波長還可通過溫度微調(diào)到固體激光的中心波長處，使其發(fā)射光譜落在激活介質(zhì)的吸收峰上，從而使光能更多的用來增加反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。</p><p>　　5．可靠性高，使用壽命長。LD連續(xù)工作壽命可達(dá)10多個小時，遠(yuǎn)高于閃光燈400多小時的壽命，大功率列陣LD壽命也可達(dá)到20000小時。在工業(yè)應(yīng)用中可避免頻繁更換燈管，

13、調(diào)節(jié)機(jī)器，從而提高工作效率，保證產(chǎn)品的一致性，減低維護(hù)費用。</p><p>　　6．小型化。與傳統(tǒng)的燈泵浦固體激光器相比，外形尺寸縮小∞％～90％，體積小、重量輕、電源驅(qū)動方便、更適于實現(xiàn)全固化，拓寬了應(yīng)用范圍。</p><p>　　1.2 LD側(cè)面泵浦固體激光器的基本理論</p><p>　　對于大功率激光二極管列陣而言，由于高功率半導(dǎo)體激光二極管列陣的發(fā)光面積

14、較大，且平行于結(jié)方向的發(fā)散角和垂直于結(jié)方向的發(fā)散角相差較大，難以會聚成適合端面泵浦的較小的圓光斑，即使會聚成較小的光斑，由于LD所具有的很高的拉格朗日不變量，也很難達(dá)到高的耦合效率和較小的發(fā)散角，因此，受發(fā)光面尺寸限制，端面泵浦會聚技術(shù)復(fù)雜；另一方面，泵浦功率增大時，增益介質(zhì)內(nèi)部熱效應(yīng)嚴(yán)重，導(dǎo)致熱畸變，降低了激光束質(zhì)量，甚至有時會對激光增益介質(zhì)造成破壞，不利于激光器的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，因此，對于大功率的激光二極管列陣，通常采用側(cè)面泵浦方式．&l

15、t;/p><p>　　側(cè)面泵浦的泵浦光從激光晶體側(cè)面泵入的方式稱為側(cè)面泵浦。它是采用多個LD列陣，沿增益介質(zhì)長度方向放置，通過長方體表面或圓柱體表面將光泵入晶體，此種方式可以提高LD泵浦固體激光器的輸出功率。側(cè)面泵浦的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。由圖1可見，該結(jié)構(gòu)對泵浦耦合和散熱都提供了較大的表面面積，因而可以提高輸出功率，同時也可以通過增加激光晶體的長度來提高輸出功率，所以用這種泵浦方式很容易得到幾十瓦的輸出功率。&

16、lt;/p><p>　　圖1：側(cè)面泵浦的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　2半導(dǎo)體泵浦</b></p><p>　　2.1半導(dǎo)體側(cè)面泵浦激光器原理</p><p>　　半導(dǎo)體泵浦固體激光器的種類很多，可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào)Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式可分為端面泵浦和側(cè)

17、面泵浦，其中端面泵浦又可分為直接端面泵浦和光纖耦合端面泵浦兩種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　側(cè)面泵浦固態(tài)激光器激光頭是由三個二極管泵浦模塊圍成一圈組成泵浦源，每個泵浦模塊又由3個帶微透鏡的二極管線陣組成。每個線陣的輸出功率平均為20W，輸出波長為808nm。該裝置采用玻璃管巧妙地設(shè)計了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分鍍有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°鍍有三條808nm增透膜，這樣便形成了一個

18、泵浦腔。半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的光經(jīng)過三對光束整形透鏡會聚到這三條鍍增透膜的狹長區(qū)域內(nèi)，然后透過玻璃管的管壁，被晶體吸收。由于玻璃管大部分區(qū)域鍍有高反膜，使得泵浦光進(jìn)入泵浦腔以后，便在其中來回的反射，直至被晶體充分地吸收，而且在晶體的橫截面上形成了均勻的增益分布。 </p><p>　　2.2半導(dǎo)體泵浦激光器應(yīng)用</p><p>　　半導(dǎo)體泵浦激光器具有效率高、穩(wěn)定性好、機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、工作使用壽

19、命長和全固態(tài)等優(yōu)點，使其在科研領(lǐng)域、醫(yī)療事業(yè)、軍事應(yīng)用和工業(yè)加工等方面有著廣泛的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢。高功率LD泵浦激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從人們?nèi)粘Ｉ钅芙佑|到的材料加工和激光醫(yī)療，到國防應(yīng)用的激光跟蹤和激光武器等，在很多領(lǐng)域都能發(fā)揮它的特長。</p><p>　　2.2.1 軍事方面的應(yīng)用</p><p>　　在軍事應(yīng)用中，目標(biāo)鎖定和激光測距就充分的顯示了LD泵浦激光器的優(yōu)勢。LD泵浦

20、激光器的使用壽命和工作效率均比脈沖燈泵浦激光器高出近10倍，而前者消耗的能源卻比后者少了90％，因而半導(dǎo)體泵浦激光器在該領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，它被制成小型的高重復(fù)頻率的測距儀，做為飛機(jī)、衛(wèi)星和坦克的測距裝置，它還配合各種作戰(zhàn)武器的目標(biāo)鎖定系統(tǒng)，使首發(fā)命中率可高達(dá)80％以上。</p><p>　　2.2.2 材料加工方面的應(yīng)用</p><p>　　激光器的光亮度是材料加的重要指標(biāo)，光亮度即單位面積

21、、單位立體角內(nèi)輻射的光功率。激光在立體角內(nèi)發(fā)射光不同于普通光源，因為激光的相干性使自身具有高亮度。半導(dǎo)體泵浦激光器具有高功率和高光束質(zhì)量，此特性非常有利于材料加工，因此被眾多機(jī)械制造廠家所使用，也促進(jìn)了半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年綠光和紫外光的頻率轉(zhuǎn)換效率和功率不斷提高，更擴(kuò)展了材料加工的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　2.2.3 醫(yī)療方面的應(yīng)用</p><p>　　半導(dǎo)體泵

22、浦激光器在醫(yī)療方面的應(yīng)用。全固態(tài)激光器可以長時間的工作在穩(wěn)定的基橫模狀態(tài)下，不僅能保證好的光束質(zhì)量，而且激光輸出起伏小，轉(zhuǎn)換效率高，機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，基于以上優(yōu)點DPSSL可以應(yīng)用于便攜式醫(yī)用儀器，備受人們的關(guān)注。目前光譜物理公司研制的光纖耦合激光二極管泵浦的固體激光器已經(jīng)在內(nèi)窺鏡光凝固中測試使用。全固態(tài)激光器通過非線性晶體倍頻、混頻獲得的藍(lán)光和綠光是視網(wǎng)膜手術(shù)的理想光源。</p><p><b>　　3設(shè)

23、計過程</b></p><p><b>　　3.1 設(shè)計軟件</b></p><p>　　Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。Solidworks功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器

24、，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作。在強(qiáng)大的設(shè)計功能和易學(xué)易用的操作（包括Windows風(fēng)格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。</p><p>　　3.2 激光器整體設(shè)計</p><p>　　本激光器的結(jié)構(gòu)如圖2，諧振腔兩端

25、的反射鏡為R1=R2=∞的平面鏡，其中R1為全反鏡，R2為透射率為15%的鏡片，兩鏡間距為48CM。泵浦源位于兩平面鏡中心處，激光晶體是Nd:YAG它的參量特別有利于激光產(chǎn)生，有利于窄的熒光譜線, 可產(chǎn)生高增益、低閡值的激光作用。泵浦燈是LD，三列LD陣列互成1200角環(huán)繞在激光晶體周圍。Q開關(guān)位于泵浦源和全反鏡連線的中心處。激光出射鏡的外側(cè)有一個擴(kuò)束鏡，用來聚焦。</p><p><b>　　圖2：激

26、光器結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　圖中從右至左依次為紅外光源、腔鏡1、Q開關(guān)、泵浦系統(tǒng)、腔鏡2、擴(kuò)束鏡、450反射鏡。</p><p>　　3.2.1 Q開關(guān)控制激光的原理</p><p>　　Q開關(guān)是激光光學(xué)系統(tǒng)中一個重要光學(xué)元件，它通過阻斷和不阻斷光的反射通道來抑制和產(chǎn)生激光脈沖不給壓電換能器施加射頻信號時，石英晶體保持其原有的常規(guī)折射率，由激

27、光棒發(fā)射出來的平行光透過石英急停，經(jīng)后反光鏡發(fā)射再穿過石英晶體，返回激光棒。</p><p><b>　　圖3：Q開關(guān)</b></p><p>　　3.2.2 激光擴(kuò)束鏡</p><p>　　激光擴(kuò)束鏡主要有兩個用途：其一是擴(kuò)展激光束的直徑；其二是減小激光束的發(fā)散角。因此，它被用于遠(yuǎn)距離照明或投影，以及聚焦系統(tǒng)。一束被擴(kuò)束的光束的發(fā)散角，和擴(kuò)束

28、比成反比例變化。和未經(jīng)擴(kuò)束的光束相比，擴(kuò)束后的光束可被聚焦得更小。激光擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡的倍率即光束直徑的放大倍率，從激光器輸出的激光束的束寬積近似為一定值，當(dāng)束腰半徑擴(kuò)大x倍時，其發(fā)散角相應(yīng)壓縮為原來的1/x，壓縮發(fā)散角實際就是激光的準(zhǔn)直，光斑尺寸和發(fā)散角乘積是光學(xué)不變量，發(fā)散角減小，壓縮發(fā)散角并不能改善光束質(zhì)量，光束質(zhì)量是束腰半徑和發(fā)散角的乘積，壓縮發(fā)散角的同時將伴隨束腰半徑的增加，則光斑尺寸增大，激光標(biāo)記機(jī)中常和平場聚焦透鏡配合起來使用。

29、</p><p>　　3.2.3 光學(xué)諧振腔</p><p>　　光波在其中來回反射從而提供光能反饋的空腔。激光器的必要組成部分，通常由兩塊與工作介質(zhì)軸線垂直的平面或凹球面反射鏡構(gòu)成。工作介質(zhì)實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后就能產(chǎn)生光放大。諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。凡不沿諧振腔軸線運動的光子均很快逸出腔外，與工作介質(zhì)不再接觸。沿軸線運動的光子

30、將在腔內(nèi)繼續(xù)前進(jìn)，并經(jīng)兩反射鏡的反射不斷往返運行產(chǎn)生振蕩，運行時不斷與受激粒子相遇而產(chǎn)生受激輻射，沿軸線運行的光子將不斷增殖，在腔內(nèi)形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強(qiáng)光束，這就是激光。為把激光引出腔外，可把一面反射鏡做成部分透射的，透射部分成為可利用的激光，反射部分留在腔內(nèi)繼續(xù)增殖光子。光學(xué)諧振腔的作用有：①提供反饋能量，②選擇光波的方向和頻率。諧振腔內(nèi)可能存在的頻率和方向稱為本征模，按頻率區(qū)分的稱縱模，按方向區(qū)分的稱橫模。兩反射鏡的

31、曲率半徑和間距（腔長）決定了諧振腔對本征模的限制情況。不同類型的諧振腔有不同的模式結(jié)構(gòu)和限模特性。</p><p><b>　　4 激光輸出</b></p><p><b>　　4.1 腔內(nèi)光場</b></p><p>　　如圖4根據(jù)ABCD矩陣傳輸理論，從R1出發(fā)，經(jīng)自由空間傳輸至等效的透鏡F，再經(jīng)自由空間傳至R2。其傳

32、輸矩陣M如下：</p><p>　　圖4：平行平面腔示意圖</p><p><b>　　4.2 輸出光斑</b></p><p>　　將上述計算結(jié)果代入公式（1）可得到焦參數(shù)的值，公式（1）中的可由公式（2）得出。再將計算得出的焦參數(shù)值代入公式（4），就能夠得出光斑半徑。</p><p><b>　?。?）&l

33、t;/b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（3）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　經(jīng)計算得到光斑半徑為1.3385*10-4m。為了得到更容易聚焦的平行光，在諧振腔外設(shè)計了一個8倍的擴(kuò)束鏡，

34、將發(fā)散角壓縮為原來的1/8。</p><p><b>　　5 結(jié) 語</b></p><p>　　激光二極管泵浦方式在固體激光技術(shù)領(lǐng)域有著非常明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　（1）顯著提高了激光器系統(tǒng)的輸出效率，這是因為與閃光燈的發(fā)射帶相比，大大提高了泵浦光能量轉(zhuǎn)化為輸出激光的比例，產(chǎn)生很高的泵浦效率。</p&g

35、t;<p>　　（2）激光二極管泵浦固體激光器的系統(tǒng)壽命和可靠性，都優(yōu)于閃光燈泵浦。</p><p>　　（3）激光二極管泵浦激光器的發(fā)射波長和釹吸收之間的光譜匹配減少了激光材料積聚的熱量，從而降低了熱透鏡效應(yīng)，進(jìn)而改善了光束質(zhì)量。</p><p>　　（4）激光二極管泵浦還能實現(xiàn)激光系統(tǒng)緊湊性和多功能性，使得有可能設(shè)計出新型固體激光器。</p><p&g

36、t;　　側(cè)面泵浦閾值比端面泵浦的要高，泵浦的效率比端面泵浦的低。它適合于要求有比較高的峰值功率、高脈沖能量的固體激光器。二極管側(cè)面泵浦電光調(diào)Q Nd：YAG全固態(tài)激光器具有高重復(fù)頻率、高峰值功率、窄脈寬輸出的特點，是激光技術(shù)領(lǐng)域中一個非常重要的研究方向，在軍事國防、工業(yè)加工、醫(yī)療保健、科學(xué)研究等領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　在本次課程設(shè)計中了解學(xué)習(xí)到以下三個方面的內(nèi)容：</p>

37、<p>　?。?）了解到SOLIDWORKS的部分功能：元件的設(shè)計、元件的組裝配合、工程圖的繪制。能夠獨立的使用該軟件實現(xiàn)用已有的元件組合成目標(biāo)圖，并可以調(diào)空各個元件間的相對位置。</p><p>　?。?）使用光學(xué)矩陣計算激光光束的輸出情況，知道了激光在諧振腔中在各個界面和平行空間傳輸時的具體光學(xué)矩陣形式。對激光的形成和振蕩有了更為深刻的理解。采用LD二極管進(jìn)行電光調(diào)Q，更清楚的知道了調(diào)Q的作用和影

38、響。</p><p>　?。?）最后使用MATLAB計算出了該激光器的光學(xué)變換矩陣，經(jīng)由光學(xué)變換矩陣計算出焦參數(shù)根據(jù)高斯光束的Q參數(shù)變換規(guī)律計算出輸出的光斑半徑。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　婁麗.940nm半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器研究[D]. 長春理工大學(xué), 2010,03,01 </p>

39、<p>　　凌銘,武志超.LD側(cè)面泵浦Nd:YAG無水冷調(diào)Q脈沖激光器[J]. 紅外與激光工程, 2007,6(36):20-23</p><p>　　劉 媛,方高瞻.側(cè)面泵浦Nd:YAG 連續(xù)激光器[J]. 激光與紅外, 2002,8(32):240-242</p><p>　　周炳琨. 激光原理[M]. 第5版, 國防工業(yè)出版社, 2009,01</p>&l