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1、固體激光器的應(yīng)用 所謂固體激光器就是用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器。 I960年，梅曼發(fā) 明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺(tái)激光器。距今已有整整五十 年了，在這五十年固體激光的發(fā)展與應(yīng)用研究有了極大的飛躍并且對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生 了巨大的影響。固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。 固體激光器從其誕生開始至今一直是備受關(guān)注。其輸出能量大峰值功率高結(jié)構(gòu) 緊湊牢固耐用因此在各方面都得到了廣泛的用途其價(jià)值不言而喻。正是由于這些突 出的特點(diǎn)其在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、科研等方面得到了廣泛的應(yīng)用給我們的現(xiàn)實(shí)生活 帶了許多便利。 現(xiàn)在激光應(yīng)用已經(jīng)遍及光學(xué)、醫(yī)學(xué)、原子能、天文、

2、地理、海洋等 領(lǐng)域它標(biāo)志著新技術(shù)革命的發(fā)展。誠(chéng)然如果將激光發(fā)展的歷史與電子學(xué)及航空發(fā)展 的歷史相比我們不得不意識(shí)到現(xiàn)在還是激光發(fā)展的早期階段，更令人激動(dòng)的美好前 景將要來(lái)到。 一、 固體激光器的類別： 固體激光器的工作物質(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質(zhì)構(gòu)成。常見的有紅寶石（摻鉻的剛玉， Cr： AI2O3）、摻鈦的 磷酸鹽玻璃（簡(jiǎn)稱釹玻璃）、摻鈦的憶鋁石榴石（Nd: YAG、摻鈦的鋁酸憶（Nd: 丫 ALO、摻鈦的氟化憶鋰（Nd: YLF）等多種。它們發(fā)出激光的波長(zhǎng)主要取決于摻雜離 子，如摻鉻的紅寶石，室溫下的工作波長(zhǎng)為 694. 3納米，深紅色；

3、又如摻釹的多種 晶體和玻璃，工作波長(zhǎng)為1微米多，為近紅外。 二、 固體激光器的構(gòu)造及原理： 在固體激光器中，能產(chǎn)生激光的晶體或玻璃被稱為激光工作物質(zhì)。激光工作物 質(zhì)由基質(zhì)和激活離子兩部分組成，基質(zhì)材料為激活離子提供了一個(gè)合適的存在與工 作環(huán)境，而由激活離子完成激光產(chǎn)生過(guò)程。常用的激活離子主要是過(guò)渡金屬離子， 如鉻、鉆、鎳等離子以及稀土金屬離子，如釹離子等。 固體激光器主要由閃光燈、激光工作物質(zhì)（如紅寶石激光晶體）和反射腔鏡片 組成，反射鏡表面鍍有介質(zhì)膜，一片為全反射鏡，另一片為部分反射鏡。摻鉻紅寶 石是一種最早發(fā)現(xiàn)和使用的激光工作物質(zhì)?，F(xiàn)在已研制成功了數(shù)十種可供應(yīng)用的激 光晶體。當(dāng)采用不

4、同的激活離子、不同的基質(zhì)材料和不同波長(zhǎng)的光激勵(lì)，會(huì)發(fā)射出 各種不同波長(zhǎng)的激光。 早期的固體激光器都是用閃光燈或其他激光器，來(lái)完成激光工作物質(zhì)內(nèi)原子的 受激輻射過(guò)程的，這基本上是由一種形式的光能轉(zhuǎn)化為激光能量的過(guò)程。如何把電 能直接轉(zhuǎn)化為激光的能量，一直是人們夢(mèng)寐以求的事情。近年來(lái)，科學(xué)家成功地研 制出了半導(dǎo)體激光器，一旦接通電源，便會(huì)發(fā)出激光。選用不同的半導(dǎo)體材料和不 同制造工藝可以制造出功率不同、發(fā)射不同波長(zhǎng)激光的激光器。半導(dǎo)體激光器的出 現(xiàn)，大大減少了激光器的體積，米粒大的一個(gè)半導(dǎo)體芯片，接上電源，便會(huì)發(fā)射出 神奇的激光。目前，半導(dǎo)體激光器已在許多方面得到了廣泛的應(yīng)用。 三、 固體激光

5、器的優(yōu)缺點(diǎn) 固體激光器主要優(yōu)點(diǎn)：1）輸出能量大，峰值功率高。在固體激光器中，由于中 心粒子的 能級(jí)結(jié)構(gòu)，能夠輸出大能量，并且峰值功率高。這個(gè)是固體激光器非常突 出的優(yōu)點(diǎn)。2）結(jié)構(gòu)緊湊耐用，價(jià)格適宜。和其他類型的激光器相比，固 體激光器 的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單并且非常耐用，同時(shí)價(jià)格相對(duì)適宜。3）材料種類數(shù)量多。固體激光 器的工作物質(zhì)的種類非常多，到目 前為止至少有一百多種，而且大有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 大量高性能的材料的出現(xiàn)，是固體激光器的性能進(jìn)一步的提高。 固體激光器的主要缺點(diǎn)：1）溫度效益比較嚴(yán)重，發(fā)熱量大。正是由于輸出能量 大，峰值功 率高，導(dǎo)致熱效應(yīng)非常明顯，因此固體激光器不得不配置冷卻系統(tǒng)，才

6、能保證固體激光器的正常連續(xù)使用。2）轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。固體激光器的總體效率 非常低，例如紅寶 石激光器的為0.5%~18左右，YAG激光器的總體效率為1%~2% 在最好的情況下可接近3%可見固體激光器的效率提高還有很大的空間。 四、 固體激光器的應(yīng)用 固體激光器的應(yīng)用范圍是同它的特點(diǎn)和發(fā)展水平分不開的。固體激光器的特點(diǎn) 大體上可歸納為：有較大的輸出功率和較緊湊的結(jié)構(gòu)。 直到80年代末期，固體激光 器的應(yīng)用主要集中在科研與研發(fā)、加工、醫(yī)療和軍用等四個(gè)方面。固體激光器在軍 事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。它常用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、 切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大

7、氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼 科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面 4.2 18 4.3在科研與 研發(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調(diào)諧激光器以及由同體激光器泵浦的染料可 調(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(cè)人造地球11星軌跡和地球表面用的高精度激光測(cè)距儀、遙感用的激光雷達(dá)等。 在工業(yè)制造方面，激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應(yīng)用。根據(jù)激光束與材料相互 作用的機(jī)理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。激光熱加 工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效

8、應(yīng)來(lái)完成加工過(guò)程，包括激光焊接、 激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等；光化學(xué)反應(yīng)加工是指激光 束照射到物體，借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過(guò)程。包括光化 學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。這里我們主要來(lái)看看固體激光器的加工應(yīng)用。 1） 激光切割技術(shù)。激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少 加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功 率密度能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質(zhì)量、 高的切割速度、高的柔性（可隨意切割任意形狀）、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。2） 激光焊接技術(shù)。激光焊接是激光材料加工技

9、術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，焊接過(guò)程屬熱 傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激 光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。 由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于微小型零件焊接中。與其它焊接技術(shù)比較，激 光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：激光焊接速度快、深度大、變形小，能在室溫或特殊的條件 下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。3）激光清洗技術(shù)。激光清洗技術(shù)是指采用高能激 光束照射工件表面，使表面的污物、顆粒、銹斑或涂層等附著物發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝 離，從而達(dá)到清潔凈化的工藝過(guò)程。 在醫(yī)療美容方面，固體激光器醫(yī)療與美容方面的應(yīng)用也是非常廣泛的，但是在 這方面可以說(shuō)

10、3 Nd :YAG激光器“一家獨(dú)大” 。3 Nd :YAG激光器是醫(yī)學(xué)中用得較 多的固體激光器，它的轉(zhuǎn)換率 高，輸出功率大，單根晶體工作時(shí)輸出功率可達(dá)百瓦， 比二氧化碳?xì)怏w激光止血及凝固效果好，故在醫(yī)學(xué)上常用來(lái)做手術(shù)刀，廣泛應(yīng)用于 普外科、耳鼻喉科、泌尿科和骨科及整形科經(jīng)皮椎間盤手術(shù)等，切割血管豐富的組 穿透組織較深。3 Nd :YAG激光器采用倍頻技術(shù)可輸出532nm的綠色激光，即倍頻 2~6mm能量密度為5~12j/cm 2 。雖然血管中的氧 合血紅蛋白對(duì)波長(zhǎng)為532nm的光的吸收次于585nm的光，但可選擇532nm波長(zhǎng)激光 適當(dāng)脈寬對(duì)血管性病變組織進(jìn)行治療。由于其穿透較淺，因而一般

11、僅限于對(duì)較淺的 血管性病變進(jìn)行治療。另外， 血管 瘤的的治療及顯微外科手術(shù)，對(duì)于由紅的染料顆粒所引起的文身、文唇等人為的皮 膚色素變異亦具有一定的治療效果［19］。黑色素細(xì)胞對(duì)532nm的激光的吸收較 強(qiáng)，加之皮膚組織對(duì)該波長(zhǎng)的散射較強(qiáng)，照射在皮膚上的 532nm激光能量被局限在 皮膚表皮層，采用調(diào)Q技術(shù)后，可對(duì)表淺型黑色素細(xì)胞增生，如咖啡斑、老年斑、 雀斑等達(dá)到較好的治療效果［20］。 在軍用方面，主要用于測(cè)距和目標(biāo)指示。前者廣泛用于步兵、炮兵、裝甲車輛、 飛機(jī)、艦艇，不僅用于觀測(cè)目標(biāo)距離，更多的是成為火力控制系統(tǒng)的一部分，大大 提高火炮的酋發(fā)命中率。后者用于激光半主動(dòng)制導(dǎo)，成為精確制

12、導(dǎo)武器的“眼睛” 。 例如1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，多國(guó)部隊(duì)的飛機(jī)大量使用了激光制導(dǎo)的航彈， 高精度地摧 毀廠伊拉克的許多重要軍事目標(biāo)。下面列舉一些激光武器的應(yīng)用：1）常規(guī)的固體激 光武器。激光測(cè)距儀是部隊(duì)中使用最普遍的激光系統(tǒng)，他們被裝備在主站坦克、火 炮和步兵戰(zhàn)車上等。裝備之后，可以大大的提高攻擊命中率。相比傳統(tǒng)的光學(xué)瞄準(zhǔn) 裝備，命中率提高數(shù)倍。2）激光導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。激光導(dǎo)彈防御或稱激光反導(dǎo)的基本 特征是：用由光速的高能激光去摧毀聲速運(yùn)行的導(dǎo)彈或其它飛行固體。3）未來(lái)的 激光武器。未來(lái)的固體激光武器主要的方向是超高功率和高便攜性。高能激光器是 未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)的重要組成部分，將在反監(jiān)視、主動(dòng)保護(hù)

13、、防空和清除暴露地雷等方 面做出貢獻(xiàn)。 五、 固體激光器的發(fā)展 進(jìn)入90年代，隨著固體激光器性能的改進(jìn)，”之不僅在原有的四個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的 競(jìng)爭(zhēng)力明顯增強(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 激光器進(jìn)入了信息傳輸領(lǐng)域。隨著有線電視（CATV等活動(dòng)圖像信息傳輸?shù)难杆僭?長(zhǎng)，作為發(fā)射源的半導(dǎo)體激光器已滿足不了大功率和低失真的要求，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(zhǎng)為 1.31微米，被傳輸?shù)男盘?hào)則用寬帶妮酸貍調(diào)制器進(jìn)行外調(diào)制加上去。這種光源 199 3年全球銷售了 4000多臺(tái)，1994年預(yù)測(cè)可增至5000多臺(tái)。其次是二

14、極管泵浦的固 體激光器進(jìn)入分色、制版等印刷行業(yè)，開始在這新領(lǐng)域中占有一一席之地。再次是 隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要性日益提高，基于固體激光器的測(cè)風(fēng)雷達(dá)、測(cè)污雷達(dá)等傳感器 有明顯的增長(zhǎng)。高峰值功率固體激光器可用于產(chǎn)生調(diào)光激光。近年來(lái)這方面的工作 也有重大進(jìn)展。用固體激光激勵(lì)產(chǎn)生的調(diào)光激光將逐漸廣泛地應(yīng)用于微細(xì)加工等領(lǐng) 域。 綜觀上述進(jìn)展，我們有理由相信固體激光器，特別是二極管泵浦的固體激光器， 包括高功率的和可調(diào)諧的固體激光器將有越來(lái)越寬廣的應(yīng)用前景。它們將變得日益 成熟、日益廉價(jià)，不僅更多地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工廠一車間和醫(yī)院，進(jìn)入各種軍事 裝備，而且會(huì)進(jìn)入辦公室、商店，甚至進(jìn)入家庭。世紀(jì)之交即將來(lái)臨，

15、讓我們對(duì)固 體激光器及其應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展拭目以待。 固體激光器是以摻雜的玻璃、晶體或透明陶瓷等固體材料為工作物質(zhì)的激光器。 從世界上第一臺(tái)激光器發(fā)明至今，固體激光技術(shù)取得了很大的發(fā)展，主要表現(xiàn)三個(gè) 方面：第一是工作物質(zhì)不斷改進(jìn)。最初是紅寶石激光器，后來(lái)出現(xiàn)了釹玻璃和摻釹 釔鋁石榴石激光器，現(xiàn)在又有了摻釹鎵釓石榴石激光器。還有報(bào)道稱，目前出現(xiàn)了 以陶瓷為基質(zhì)的新型激光材料。第二是泵浦光源的改進(jìn)。最初是閃光燈，后來(lái)發(fā)展 為弧光燈，現(xiàn)在出現(xiàn)了高功率激光二極管泵浦。第三是工作物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。從最 初的棒式結(jié)構(gòu)發(fā)展成板條式，又到后來(lái)的光纖式結(jié)構(gòu)。固體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是材 料和器件的多樣化，包括尋求新波

16、長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器 的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長(zhǎng)工 作壽命等?？傊?，固體激光技術(shù)的發(fā)展過(guò)程是一個(gè)不斷革新的過(guò)程， 固體激光器發(fā) 展到今天，無(wú)論在結(jié)構(gòu)、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率還是光束質(zhì)量方面都有了很大進(jìn)步。 六、 參考文獻(xiàn) [1] 激光原理與應(yīng)用（第二版）.陳家壁,彭潤(rùn)玲著?電子工業(yè)出版社，2008.8.27 [2] 固體激光工程.克希奈爾著，孫文，江澤文，程國(guó)祥譯?科學(xué)出版社.2002.5 [3] 高能固體激光器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).李修乾,洪延姬.科學(xué)出版社.2002.5 [4] 高功率LD泵浦的內(nèi)腔倍頻Nd:YAG激光器研

17、究.陳進(jìn).天津大學(xué)博士論 文,2003.3 ⑸ 大功率泵浦固體激光器的應(yīng)用和發(fā)展.鄭權(quán),趙嶺,錢龍生.光學(xué)精密工 程,2001.1 ⑹ 燈泵浦大功率連續(xù)Nd:YAG激光器.強(qiáng)激光與粒子束，2004.9 [7] 高技術(shù)百科詞典一激光條目.盧嘉錫.福建人民出版社，1993 [8] 激光光譜學(xué)（原理與技術(shù)）.張國(guó)威,王兆民.北京理工大學(xué)出版社，1991 [9] 光學(xué).母國(guó)光，戰(zhàn)元齡.北京:人民教育出版社,1978 當(dāng)代激光之魅力.單振國(guó)，干福熹.科學(xué)出版社,2000 2012中北大學(xué)激光技術(shù)作業(yè) 題目：固體激光器的應(yīng)用 班級(jí)：09051041 學(xué)號(hào)：04 姓名：康麗 日期：2012/12/26 成績(jī)：