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1、 固體激光器光路設計一一激光 原理課程設計 作者: 日期: 激光原理與技術課程設計 2 0 11級光信息 ********* * ***** * ** 課題名稱： 固體激光器光路設計與計算 專業(yè)班級： 學生學號： 學生姓名： 學生成績: 指導教師: 課題工作時間： 2014.6. 4 至 2 014.6. 1 3 武漢工程大學教務處 、課程設計的任務和要求 要求:1、具備獨立查閱激光原理、激光技術以及激光器件相關文獻和資料； 能提出 并較好地的實施方案；具有收集、加工各種信息及獲得新知識

2、的能力。 2、具備獨立設計激光器的能力，能對基本激光應用系統的進行研究、 分析及比較的能力。 3、具備采用計算機軟件進行數值計算、仿真、繪圖等能力。 4、工作努力，遵守紀律，工作作風嚴謹務實，按期圓滿完成規(guī)定的任務。 5、綜述簡練完整,立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；文字通順， 技術用語準確，符號統一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、 整潔、正確。 6、工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一定改進或獨特見解。 7、內容不少于30 0 0字，圖和計算結果要求打印。 技術參數：1、9個8 0 8半導體激光器組成側泵模塊，功率18 0 W,北京吉泰； 2、Nd:YVO 4晶體尺寸3 X

3、 65mm；激光器輸出功率5 0W; 3、8倍擴束； 4、諧振腔長4 8厘米，側泵模塊放置腔中間，Q開關位于模塊和全反射 鏡中間;腔鏡為平面反射鏡，透射率為15%。 任務：1、簡述半導體泵浦的激光器原理和應用 2、參照實驗室原型，用so 1 idwork s軟件畫出激光器的設計圖 3、側泵激光器腔長4 8 0mm,輸出鏡曲率半徑為5m,聚焦透鏡離輸出 鏡52 0 m m,焦距為45mm,計算經聚焦以后的激光光斑直徑。用Matlab 軟件計算輸出（用Q參數方法計算，寫出Ma t lab程序） R1=oc R2 =5m T=15% F=45mm L=48cm L=

4、100cm 、進度安排 1、20 1 4 .6.4-20 1 4. 6 .4 選題 2、2014.6.4 -2014. 6.11 分析資料、提出設計方案 3、2014. 6.1 0 -201 4.6. 1 2 討論、修改方案，寫出初稿 4、2 0 14. 6.1 3 定稿交稿 三、參考資料或參考文獻 1、《激光原理》第五版，周炳琨 2、《激光器設計基礎》，赫光生、雷仕湛 3、《激光器件與設計》，呂百達 4、《固體激光工程》，孫文 5、《激光光學一激光束的傳輸變換和光束質量控制》 ，呂百達 6、sol i dw o rk產品設計范例，清華大學出版社 7、Mat 1 ab

5、程序設計與應用，高等教育出版社 指導教師簽字：** * 20 14年6月4日 教研室主任簽字: 2014年6月4日 四、課程設計摘要（中文） 摘要:激光是二十世紀最重大、最實用的發(fā)明之一，它在短短幾十年內就推廣應用到現代 工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、通信、國防和科學技術的各個方面。激光是光的受激輻射 ，因而它 與自發(fā)輻射的普通光源不同，具有極好的方向性、極高的光亮度和相干性。自第一臺 紅寶石激光器問世，固體激光器就一 直占據了激光器發(fā)展的主導地位，特別是在 20 世紀8 0世紀80年代出現的半導體激光器以及在此基礎上出現的全固化固體激光 器更因為體積小、重 量輕、效率高、性能穩(wěn)定

6、、可靠性好和壽命長 等優(yōu)點，逐漸成 為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領域。本次設計簡述了半導體泵浦的激光器原理和應用， 參照實驗室原型，用Solid w o rk s軟件畫出了激光器的設計圖；根據設計基本參數 ，使 用Ma t lab軟件計算出了經聚焦以后的光斑半徑與位置。 關鍵詞：固體激光器；Solidworks;Matl a b 五、課程設計摘要（英文） A bstract: Laser i s o ne o f th e most si g n ifi c a nt and most us e ful i nventi on in twe n ti e th Centu r y.it

7、 i s app 1 i ed to 6 V ery aspect of m o dern i n d ustry , agricultur e , medici n e, co mmuni c atio n , n a tiona 1 defen se and sci en ce and technology in j ust a few dec ades. Laser 1 i ght amp 1 if i cat i on by stimu 1 ated emission of rad i a t io n , so it and the spontaneous rad ia t i

8、o n of common 1 igh t sources of d if f erent, directi o nal, high has excellent brightness and coherence. Since the first r u by lase r, s olid st a t e 1 a se r has been dominated the dev elopment of the 1 ase r, especi a lly the fu 1 l solid i fied s o 1 id lase r appeare d i n t wen tieth C entu

9、ry e i ghti e t h Cent ury 80 year s o f semicon d u ct o r lasers and o n the ba s i s o f the more because the advantage s of s m all size, li g h t wei ght, h i gh effic i ency, st a b le per form a n c e, good r eliability a nd lon g servic e lif e , ph o to el e ctric i n d ust ry has gra du a

10、ll y become the mo s t pro mising f i eld. This d e sign intr o du c es the p rinc i pl e and applicat i o n of lase r d iode p u mped, reference labo r atory proto type, using Solid works s oftwa re to d raw a design las e r; a ccor d ing to the basic par amet er s o f th e design, use Mat 1 ab so

11、f t w are to calcu 1 ate the radius an d position focus fut u re. K e ywords: s ol i d- s ta t e 1 aser s; Solidworks; Mat 1 ab 六、指導教師評分 評價內容 具 體 要 求 權重 得分 調查論證 能獨立查閱文獻和從事其他調研；能提出并較好地論述課 題的實施方案；有收集、加工各種信息及獲得新知識的能力。 10 實踐能力 獨立設計、計算、繪圖的能力 （課程設計）;能正確選擇研究 （實驗）方法，獨立進行研究的能力（學年論文 ） 1 5 分

12、析解決問 題能力 能運用所學知識和技能去發(fā)現與解決實際問題 （課程設計）； 或能對課題進行理論分析，得出有價值的結論（學年論文 ）。 15 工作量、工 作態(tài)度 按期圓滿完成規(guī)定的任務，工作量飽滿，難度較大，工作努 力，遵守紀律；工作作風嚴謹務實。 1 0 顧里 綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理 （或設計過程完整，設計內容完全）;文字通順，技術用語準確，符 號統一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確；論文 （設計）結果有參考價值。 40 外語和計算 機應用能力 在課程設計或學年論文中，能夠體現外語和計算機的應用 能力。 5

13、 創(chuàng)新 工作中有創(chuàng)新意識；對刖人工作有改進或獨特見解。 5 綜合評語 指導教師簽字： 七、答辯記錄 答辯意見及答辯成績 答辯小組教師（簽字）: 課程設計總評成績： （指導教師評分X 8 0%+答辯成績X 20%） 201 4年6月12日 2014年6月1 3日 2 0 1 4年 6月 1 3日 ?

14、目錄 前言？i昔誤!未定義書簽。 第一章 半導體泵浦激光器原理和應用 /昔誤!未定義書簽。 1.1 激光原理 錯誤!未定義書簽 1.2 半導體泵浦激光器的應用 管昔誤!未定義書簽。 第二章 激光器的設計過程 錯誤!未定義書簽 2 .1半導體泵浦激光器設計方案 ?昔誤!未定義書簽。 2.2 激光器的設計圖12? 2.3 計算聚焦后激光光斑直徑/昔誤!未定義書簽。 2.4 4聚焦透鏡焦距與光斑半徑的關系 錯誤!未定義書簽 第三章 總結 錯誤!未定義書簽 參考文獻作昔誤!未定義書簽。 .、斤.. 、 刖百 激光是二十世紀最重大、最實用的發(fā)明之一。1917年愛因

15、斯坦提出受激輻射理論， 1958年12月肖洛和湯斯發(fā)明激光原理,1 9 60年7月梅曼制成世界第一臺紅寶石激光器。激 光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點，應用領域十分廣泛。 半導體泵 浦532nm綠光激光器具有波長短、光子能量高、在水中傳輸距離遠和人眼敏感等優(yōu)點 ， 效率高、壽命長、體積小、可靠性好。近幾年在光譜技術、激光醫(yī)學、信息存儲、彩色 打印、水下通訊、激光技術等科學研究及國民經濟許多領域中展示出極為重要的應用， 成為各國研究的重點。 自第一臺紅寶石激光器問世 同體激光器就一 直占據了激光器發(fā)展的主導地位，特 別是在2 0直占據了激光器發(fā)展的主導地位，特別是在2 0世

16、紀80世紀8 0 年代 出現的半導體激光器以及在此基礎上出現的全固化固體激光器更因為體積小、 重 量輕、 效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長 等優(yōu)點，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的 領域。目前世界范圍內銷售的商品固體激光器 已有500余種，但從1 998已有500 余種，但從1998年開始同體激光器中的Nd: YAG中的Nd:YA G激光器的市場占有 率和銷售額已升為第一位。？ 傳統的固體Y AG 傳統的固體YAG 激光器，通常 由摻數億鋁石 榴石晶體棒、泵浦燈、聚光腔、光學諧振腔、 電源及制冷系統組成，其 轉換效率為2%到3%。電源及制冷系統組成，其轉換效率為 2%到3%。另一

17、方面整 個激光器需要龐大的制冷系統，體 積很大。泵浦燈的壽命約為30 0 積很大。泵浦燈 的壽命約為3 0 0 到1 0 0 0小時，操作人員需花很多時間頻繁的換燈，中斷系統 工作, 使自動化生產線的效率大大降低， 工作，使自動化生產線的效率大大降低，間接 提高 了生產成本。因此技術上沒有大的發(fā)展空 間。現在國際上的激光廠家已經淘汰了中小 功率燈泵浦固體激光器的生產和研發(fā)，將來隨著大功率的二極管、光纖激光器的研發(fā)和應 用，成本的下降，燈泵浦固體激光器將會逐步淘汰。 這是固體激光器的發(fā)展方向。 ?第一章半導體泵浦激光器原理和應用 1 .1激光原理 光與物質的相互作用可以歸結為光與原子的相

18、互作用 ，有三種過程：吸收、自發(fā)輻射 和受激輻射。如果一個原子開始處于基態(tài)，在沒有外來光子，它將保持不變，如果一個能 量為hv2 1的光子接近，則它吸收這個光子，處于激發(fā)態(tài) E2。在此過程中不是所有的光 子都能被原子吸收，只有光子的能量正好等于原子的能級間隔 E1-E 2時才能被吸收。 圖1—1 光與物質作用的吸收過程 ？ 激發(fā)態(tài) 壽命很短，在不受外界影響時，它們會自發(fā)地返回到基態(tài)，并放出光子。自發(fā)輻射過程與 外界作用無關，由于各個原子的輻射都是自發(fā)的、獨立進行的，因而不同原子發(fā)出來的光 子的發(fā)射方向和初相位是不相同的。？ 光與物質作用的自發(fā)輻射過程 ：處于激發(fā) 態(tài)的原子，在外的

19、光子的影響下，會從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并兩個狀態(tài)間的能量差以輻 射光子的形式發(fā)射出去。只有外來光子的能量正好為激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級差時，才能引 起受激輻射 且受激輻射發(fā)出的光子與外來光子的頻率、發(fā)射方向、偏振態(tài)和相位完全 相同。激光的產生主要依賴受激輻射過程。 ？ O O ? 國 hy2. 已 Q Ei ㈤ (b) 圖1- 2 光與物質作用的受激輻射過程 激光器主要由工作物質、諧振腔、泵浦源組成。工作物質主要提供粒子數反轉。 泵浦過程使粒子從基態(tài)E 1抽運到激發(fā)態(tài)E3、E3上的粒子通過無輻射躍遷，該過程粒從 高能機級躍遷到低能級時能量轉變?yōu)闊崮芑蚱犯裾駝幽?，但不輻射光子，?/p>

20、速轉移到亞 穩(wěn)態(tài)E2。E 2是一個壽命較長的能級，這樣處于E 2上的粒子不斷積累，E1上的粒子，又 由于抽運過程而減少，從而實現E 2與E1能級間的粒子數反轉。？ 激光產生必須有能提供光學正反饋的諧振腔。處于激發(fā)態(tài)的粒子 由于不穩(wěn)定性而 自發(fā)輻射到基態(tài) 自發(fā)輻射產生的光子各個方向都有 偏離軸向的光子很快逸出腔外 只有沿軸向的光子 部分通過輸出鏡輸出 部分被反射回工作物質 在兩個反射鏡問 往返多次被放大形成受激輻射的光放大即產生激光。 1.2半導體泵浦激光器的應用 國內半導體泵浦固體激光器市場化水平已經達到數百瓦， 實驗室水平已經達到千瓦 級。在應用上，大功率半

21、導體泵浦固體激光器以材料加工為主， 包括了常規(guī)的激光加工： 主要是材料加工，如激光標記、激光焊接、激光切割和打孔等，結構緊湊、性能良好、工 作可靠的大功率半導體泵浦固體激光打標機產品系列已經在國內得到了規(guī)模應用， 在國 外,千瓦級的半導體泵浦固體激光器已有產品，德國、美國汽車焊接就已經用到了千瓦級 半導體泵浦固體激光焊劑機，在原理和技術方案上半導體泵浦固體激光器定標到萬瓦都 是可行的，主要受限于成本和市場需求的限制。二倍頻半導體泵浦固體激光器在微電子行 業(yè)、三倍頻半導體泵浦固體激光器在激光快速成型領域都得到了廣泛應用。 除材料加工外，大功率半導體泵浦固體激光器還可以用于同位素分離（二倍頻

22、、綠 光）、激光核聚變、科學研究、醫(yī)療、檢測、分析、通訊、投影顯示以及軍事國防等領 域，具有極其重要的應用價值。 ? ?第二章激光器的設計過程 2.1 半導體泵浦激光器設計方案 在固體激光器中，由泵浦系統輻射的光能，經過聚焦腔，使在固體工作物質中的激活 粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質中形成粒子數反轉，通過諧振腔，從而輸出激光。 本次設計半導體泵浦激光器參照實驗室原型，用 solidworks軟件畫出激光器的設計 圖該激光器的組成部分有紅外光源、腔鏡1、Q開關、泵浦系統、腔鏡2、8倍擴束鏡、 4 5 0反射鏡。然后根據激光器的設計參數，計算出各個裝配體的合理擺放位置。最后 根據設計參

23、數利用MATLAB計算出聚焦以后的激光光斑束腰半徑。 2 . 2 激光器的設計圖 激光器的設計圖效果圖如圖2-1,諧振腔兩端白^反射鏡為 R1=8的平面鏡和R2=5m 的透鏡，其中R 1為全反鏡，R2為透射率為1 5 %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 ,可產生高增益、低閡值的激光作用。 泵浦燈是LD ,三列LD陣列互成12 0 0角環(huán)繞在激光晶體周圍。Q開關位于泵浦源和全 反鏡連線的中心處。激光出射鏡的外側有一個擴束鏡，用來聚焦。  正視圖 480 263.06 120 240 圖2 - 3從左到右依次為紅外光源 o

24、c F-45mrn 1=15% L=48cm L=100cm * 如圖所示，R1個R 2構成激光諧振腔，波長為1064nm,激光從R2端輸出，經焦距為F 8倍擴束鏡、45。反射鏡。 1、Q開關、泵浦系統 48m ; L =1 R1=oo；R2=5.0m;L 1 00 m； F=0.04 5 m。利用Q 由公式2 — 1中的計算可知共焦參數為 (2-1) fo 1L(R L)(R2 R L)(R2 L) [(L Ri) (L R2)]2 可看出本次設計的激光器諧振腔是平凹腔上式可簡化為 代入數據得 f 1.473m,qa

25、1.473i。 1 L 1 0 M1 M2 傳播距離變換矩陣為 0 1 ，平面反射鏡變換矩陣為 01 ,聚焦透鏡傳 M3 輸矩陣為 總傳輸矩陣為: 1 l 1 0 01 0 1 通過聚焦后的q參數參考公式 2-2計算出 Aqa B Cqa D Fq F qa （2-2） 聚焦后光斑束腰半徑由公式2 (2 — 3) 利用Matlab計算出聚焦后的光斑束腰與位置 ,程序如下: fx clc clear 1=1; f =0.045： N1 二[1 L:0 1]: M2=[l 0:0 1]; 13=(1 1]; q=l. 473i ； Q

26、= (M(l, 2))/IM以 1)相領以 2)) ■1=1064*10 " (-g); ■w=sqrt Lurl * insg (Q) /pi)| 運行結果如下: Command Window LOOOO 0030 -22.2222 -21.2222 Q = -0.0455 + 0. QOl&i V = L 8108-05 對結果進行整理，通過聚焦后的 q參數： Aq3 B q 3—— 0.0456 0.001i Cq3 D 則 s 0.0456m ,f 0.001m 聚焦后光斑束腰半徑w?！?1.81 10 5m 聚焦后光斑直徑D 2w0 3.62 10

27、 5m 與透鏡F的距離：s 0.0456m 。 2.4聚焦透鏡焦距與光斑半徑的關系 為了進一步探索光斑半徑與聚焦透鏡半徑的關系， 通過改變聚焦透鏡的焦距F來觀 察光斑半徑w的大小變化。使用M atl ab軟件來描繪兩者的曲線關系圖。 程序如下: fit >> cle clear L 1=0. 4S； L=1 ： R2=5: F=0. 035:0. 01:0. 055 aP10fi4*10*C-9); f 0=s

28、t ((a. *fl)/pi): plot (F, WjJ b~J) ;| 圖2-5透鏡焦距與光斑半徑的關系圖 6 由圖可看出，隨著聚焦透鏡的焦距F的增大，光斑半徑w成線性增大，即在一定范圍 內二者成正比關系。所以，為了增大激光器的輸出功率，可以適當的增大透鏡的焦距。 ?第三章總結 這次課程設計的主題是固體激光器，其實從激光發(fā)明到現在，繼紅寶石激光器為代表 的固體激光器之后，氣體激光器、化學激光器、染料激光器、原子激光器、離子激光器、 半導體激光器、X射線激光器和光纖激光器相繼問世。伴隨著激光的廣泛應用，激光技 術也得到了很快的發(fā)展和推廣。激光的穩(wěn)頻、選頻，激光光束的變

29、換，激光光學系統設 計方法，激光的強度調制和相位調制，調Q技術和鎖模技術等都逐漸完善和成熟起來。激 光原理和它的各種應用技術已成為各行各業(yè)的科學技術人員都必須掌握的一門高新技 術。 這次課程設計利用了兩個很重要的軟件 solidworks和M atlab。Sol i dworks軟 件功能強大、易學易用，Soli dWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內完成大 型裝配設計。這次課程設計主要使用s ol idwo rks裝配激光器。接觸和學習了 soli d wor k s軟件是我在這次課程設計中最大的一個收獲。另外， Ma t lab用于算法開發(fā)、數 據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言 ，在設計過程中Mat lab大大的 減小了參數的計算難度。讓我更加熟練的運用 Mat lab進行數據計算和分析。 參考文獻 [1]《激光原理》第五版，周炳琨 [2]《激光器設計基礎》，赫光生、雷仕湛 [3]《激光器件與設計》，呂百達 [4]《固體激光工程》，孫文 [5]《激光光學一激光束的傳輸變換和光束質量控制》，呂百達 [6] solidwork產品設計范例，清華大學出版社 口 Matl a b程序設計與應用，高等教育出版社