摘 要 固體激光器由于功率能量較大而機(jī)械工作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，現(xiàn)在在各行各業(yè)都有很好的應(yīng)用，并且朝著更加發(fā)展的方向邁進(jìn)。本文先系統(tǒng)闡述了固體激光器的起源、基本結(jié)構(gòu)、工作原理；再特別列舉了幾種典型的固體激光器，通過相互比較而總結(jié)出了固體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)；然后對(duì)固體激光器在工業(yè)加工、軍事領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)等三個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹；最后分析出了固體激光器的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：固體激光器；激光器；工作原理；基本結(jié)構(gòu)；應(yīng)用 ABSTRACT Solid state laser because of it,s high power energy and the characteristics of simple mechanical work ,now have good application in all walks of life,and toward more development direction.This paper first systematically expounded the origin solid laser system,basic structure,working principle;More specifically enumerated several kind of typical solid laser,by comparing with each other and summarizes the advantages and disadvantages of solid state laser;Then in solid state laser industrial processing,military field and the application of the three aspects such as biomedical are introduced;In the final analysis the development direction of solid state laser. Keywords:Solid-state laser;Laser;Working Principle;Basic Structure;Application 目 錄 第一章 引言 1 第二章 激光與激光器 2 2.1激光 2 2.1.1激光（LASER） 2 2.1.2激光產(chǎn)生的條件 2 2.1.3激光的特性 2 2.2激光器的發(fā)明與發(fā)展 2 2.3激光器的類型 3 第三章 固體激光器 5 3.1固體激光器的工作原理和基本結(jié)構(gòu) 5 3.2典型的固體激光器 7 3.2.1紅寶石激光器（Cr3+:Al2O3） 7 3.2.2摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd3+:YAG） 8 3.2.3摻鉺釔鋁石榴石激光器（Er:YAG） 9 3.2.4可調(diào)諧固體激光器 10 3.2.5二極管泵浦的固體激光器 11 3.3固體激光器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 11 3.4典型固體激光器的對(duì)比 12 第四章 固體激光器的應(yīng)用 13 4.1工業(yè)加工中的應(yīng)用 13 4.2軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 14 4.3生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 16 第四章 展望 18 參考文獻(xiàn) 19 致 謝 20 i 第一章 引言 激光是人類上世紀(jì)發(fā)明的最杰出的技術(shù)之一。自上世紀(jì)60年代，梅曼發(fā)明了全球首臺(tái)激光器以來(lái)，激光技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)碩果累累，并且已經(jīng)在各行各業(yè)普遍應(yīng)用。 從固體激光器誕生至今，都是備受人們的關(guān)注。因其具有峰值功率高，輸出能量大，以及結(jié)構(gòu)緊湊耐用等特點(diǎn)，所以在各方面都有廣大的用途，具有不可估量的價(jià)值。依靠這些特點(diǎn)，固體激光器在科研、國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了大量的應(yīng)用，使我們的生活越來(lái)越便利。 目前激光器發(fā)展方向是體積更小、重量更輕、效率更高、光束質(zhì)量更好、可靠性更高、壽命更長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)更靈便的全固態(tài)激光器。全固態(tài)激光器的應(yīng)用擴(kuò)展到了各個(gè)領(lǐng)域，它的結(jié)構(gòu)、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率以及光束質(zhì)量都取得了非常大的進(jìn)步，具有強(qiáng)大的生命力。 全固態(tài)激光器匯聚了半導(dǎo)體激光器和固體激光器的特點(diǎn)，具有體積小、效率高、光束質(zhì)量好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)靈便等優(yōu)點(diǎn)，所以是最具前景的激光發(fā)展方向,它通過變頻獲得寬波段輸出、便于模塊化和電激勵(lì)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在科研、醫(yī)療、工業(yè)加工、軍事等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，是新一代性能卓越的綠色、節(jié)能光源[1]。 現(xiàn)如今，激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，成為企業(yè)向信息化轉(zhuǎn)型的重要力量，而且推動(dòng)了整個(gè)高新技術(shù)鏈條的有序發(fā)展。激光高新技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防和科技領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用，是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性、全局性和引領(lǐng)性的戰(zhàn)略高新技術(shù)。如今，我國(guó)的激光市場(chǎng)發(fā)展穩(wěn)定、增長(zhǎng)速度飛快。根據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，我國(guó)的激光產(chǎn)品在1999年的市場(chǎng)銷售額僅為14.13億，2005年達(dá)到了47.75億。所以固體激光器的發(fā)展呈現(xiàn)出非常好的趨勢(shì)，具有非常廣闊的市場(chǎng)，有很大的發(fā)展空間。 第二章 激光與激光器 2.1激光 2.1.1激光（LASER） 它是指在受激輻射的作用下把光變強(qiáng)的現(xiàn)象，英文名稱Laser。 2.1.2激光產(chǎn)生的條件 激光產(chǎn)生的條件有三個(gè)： 1) 有能夠?qū)崿F(xiàn)能級(jí)躍遷的工作介質(zhì)作為激活介質(zhì)，使上能級(jí)和下能級(jí)之間形 成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； 2) 有提供光反饋的光學(xué)諧振腔，其作用一是延長(zhǎng)工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，使工作物 質(zhì)持續(xù)的受激輻射，達(dá)到給光子加速的目的；二是對(duì)于激光的發(fā)射方向進(jìn)行干涉；三是對(duì)于輸出的波長(zhǎng)進(jìn)行控制。 3）有能夠使工作物質(zhì)從低級(jí)向高級(jí)轉(zhuǎn)化所需要的能量，從而能夠使得激光達(dá)到發(fā)生的條件。 2.1.3激光的特性 激光產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光不同，所以激光具有不同于普通光的特性：高度的方向性、單色性、相干性和高亮度[2]。 單色性是指光的強(qiáng)度依照其頻率進(jìn)行排列的方式。這個(gè)指標(biāo)可以通過頻譜分布的寬度進(jìn)行衡量，頻譜越寬，說明其性能越差。 方向性是指光能夠按照要求在某個(gè)位置進(jìn)行分布。這樣我們就可以使光在很遠(yuǎn)的距離也能夠有很高的強(qiáng)度，這是光傳播距離的指標(biāo)，方向性越好，說明其照射的距離越遠(yuǎn)。 單色亮度是衡量光源的發(fā)光能力的指標(biāo)，它的物理意義是單位截面、頻寬和立體角內(nèi)，光源的發(fā)射功率。 相干性是指不再同一環(huán)境下不同波長(zhǎng)之間的相互情況。該指標(biāo)包含空間和時(shí)間兩方面的內(nèi)容；空間相干性是指用來(lái)對(duì)垂直與光的傳播方向上各波長(zhǎng)之間的相互聯(lián)系，時(shí)間相干性則是平行于光的傳播方向上各波長(zhǎng)之間的相互聯(lián)系。 2.2激光器的發(fā)明與發(fā)展 上世紀(jì)20年代，愛因斯坦的光子受激輻射原理為激光的產(chǎn)生提供了巨大的基礎(chǔ)，這個(gè)原理是指處于高能態(tài)的光子受到低能態(tài)的光子作用，轉(zhuǎn)變成低能態(tài)，并且產(chǎn)生第二個(gè) ，同之前的光子一起發(fā)射[3]。 受激輻射光受到了光放大，并且是相干光，即具有相同的發(fā)射方向、位相、頻率與偏振。1951年，湯斯提出了微波激射器的概念。1954年，美國(guó)科學(xué)家湯斯和俄國(guó)科學(xué)家普羅霍羅夫得到了氨分子的粒子束發(fā)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，不久之后有發(fā)現(xiàn)了微波的受激發(fā)射，這為以后的激光器發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1956年，荷蘭的物理學(xué)家Bloembergen提出了通過光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)將粒子束進(jìn)行反向排列。 1958年，美國(guó)物理學(xué)家Schawlow和Townes通過諧振腔的作用得到了激光器以及俄國(guó)科學(xué)家普羅霍羅夫也研制成功了振蕩器和放大器，這兩個(gè)發(fā)明對(duì)于激光的發(fā)現(xiàn)有了很大的幫助。 1960年，在前人激光理論基礎(chǔ)上，美國(guó)物理學(xué)家Maiman研發(fā)了全球首臺(tái)激光器。 1965年，第一臺(tái)CO2激光器順利研發(fā)成功，這是第一臺(tái)對(duì)可以生產(chǎn)大功率的激光器。緊接著X射線激光器也順利研發(fā)成功?，F(xiàn)在各行各業(yè)對(duì)激光技術(shù)都有廣泛的應(yīng)用。 而對(duì)于我國(guó)激光器的研究進(jìn)展，由下表2.1可以清晰的看到： 表2.1 我國(guó)激光器的發(fā)展情況 名稱 研制成功時(shí)間 研制人 He-Ne激光器 1963年7月 鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器 1963年6月 干福熹等 GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1963年12月 王守武等 脈沖Ar+激光器 1964年10月 萬(wàn)重怡等 CO2分子激光器 1965年9月 王潤(rùn)文等 CH3I化學(xué)激光器 1966年3月 鄧錫銘等 YAG激光器 1966年7月 屈乾華等 2.3激光器的類型 自上世紀(jì)60年代激光器發(fā)明至今，有關(guān)這方面的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)得到了很大的進(jìn)步，現(xiàn)在各行各業(yè)都有激光技術(shù)的成功運(yùn)用。激光器的種類較多，我們可以按照以下的分類方式將其分類： 1）工作物質(zhì)：按照這種方式我們可以將其分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體、光纖以及自由電力等五種激光器。 2）激勵(lì)方式：按照這種方式可以將其分為光泵式、化學(xué)以及核泵浦三種激光器[4]； 3）運(yùn)轉(zhuǎn)方式：按照這種方式可以將其分為連續(xù)、單脈沖、鎖模以及可調(diào)諧等四類激光器。 按輸出波長(zhǎng)的不同來(lái)分類，可分為紅外激光器、可見激光器、紫外激光器和X射線激光器。 如下表2.2所示： 表2 .2 激光器的分類 分類方式 工作物質(zhì) 激勵(lì)方式 運(yùn)轉(zhuǎn)方式 輸出波長(zhǎng) 氣體激光器 固體激光器 半導(dǎo)體激光器 染料激光器 光泵式激光器 核泵浦激光器 化學(xué)激光器 化學(xué)激光器 其他激光器 連續(xù)激光器 單次脈沖激光器 鎖模激光器 可調(diào)諧激光器 紅外激光器 可見激光器 紫外激光器 X射線激光器 第三章 固體激光器 3.1固體激光器的工作原理和基本結(jié)構(gòu) 這種激光器的作用原理是工作物質(zhì)通過能量吸收后達(dá)到激發(fā)態(tài)，為了能夠使得粒子束反轉(zhuǎn)以及保持這種狀態(tài)提供體檢，進(jìn)而使得光放大然后輸出。這類激光器的結(jié)構(gòu)如下圖3.1所示： 圖3.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖 1） 工作物質(zhì) 工作物質(zhì)是激光器作用的關(guān)鍵部分，它由激活粒子和基質(zhì)構(gòu)成。激光中的很多重要的性能參數(shù)都是由激活粒子能級(jí)構(gòu)造作用而成，基質(zhì)主要是對(duì)物質(zhì)的性能產(chǎn)生影響。根據(jù)這些金屬粒子的能級(jí)構(gòu)造不同，我們可將其分成三、四能級(jí)系統(tǒng)。我們現(xiàn)在普遍使用的工作物質(zhì)的形態(tài)主要是圓柱、平板、圓盤以及管狀四種。 2）泵浦系統(tǒng) 泵浦系統(tǒng)的作用是提供能量，從而使在工作物質(zhì)中上下能級(jí)的粒子數(shù)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，目前最主要采用的方式是光泵浦。泵浦系統(tǒng)工作的時(shí)候需要的前提工作條件是：一是泵浦的發(fā)光效率一定要滿足系統(tǒng)的運(yùn)行；二是對(duì)于輻射光的屬性要和工作物質(zhì)的工作光譜相一致。 我們還有經(jīng)常使用的泵浦源有：太陽(yáng)能、惰性氣體等和LD激光器等?，F(xiàn)在惰性氣體是最經(jīng)常使用的泵浦源，而在小型的功率器件中太陽(yáng)能類的泵浦源經(jīng)常用到，現(xiàn)在我們這方面的技術(shù)正在向LD泵浦源方向發(fā)展，這類泵浦源優(yōu)點(diǎn)較明顯：具有很強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換率、功率大、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用時(shí)間長(zhǎng)以及體積小等，現(xiàn)在它已經(jīng)是固體激光發(fā)展中最有發(fā)展前景的泵浦源。 LD激光器可以分為端面、側(cè)面、邊面以及混合泵等分類形式[5]，圖3.2為端面和側(cè)面的泵浦結(jié)構(gòu)圖。 圖3.2 二極管泵浦方式結(jié)果示意圖 3） 聚光系統(tǒng) 該部分主要有以下兩個(gè)功能：首先是把工作物質(zhì)和泵浦源進(jìn)行連接；第二個(gè)功能則是對(duì)于工作物質(zhì)的光密度排列方式起著決定作用，進(jìn)而可以對(duì)光束的各種參數(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行干擾。聚光腔內(nèi)由工作物質(zhì)以及泵浦源組成，所以泵浦的性能好壞影響程度主要受到聚光腔的影響。現(xiàn)在一些比較小的固體激光器常常采用如圖3.3所示的橢圓形腔。 圖3.3 橢圓形聚光腔 4） 光學(xué)諧振腔 反射鏡是固體激光器非常重要的組成成員，其中全光學(xué)的諧振腔包括反射和部分反射鏡兩部分。反射鏡的主要作用是通過保持激光的連續(xù)振蕩形式來(lái)完成激光發(fā)生，而且對(duì)于光束的振動(dòng)方向以及頻率予以約束，從而達(dá)到激光的高性能指標(biāo)參數(shù)?，F(xiàn)在我們經(jīng)常使用的固體激光器都是由兩個(gè)平面鏡組成的諧振腔。 5）冷卻與濾光系統(tǒng) 在激光器中最不可或缺的輔導(dǎo)裝置是冷卻與濾光系統(tǒng)。由于固體激光器在工作中容易產(chǎn)生非常嚴(yán)重的熱效應(yīng)，故一般必須采取冷卻措施。為了使得激光器和其他構(gòu)件的安全，我們一般都是通過對(duì)工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)以及聚光腔的降溫冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的保護(hù)作用。現(xiàn)在的冷卻有液體、氣體和傳導(dǎo)三種方法，但是液體冷卻法是現(xiàn)在最喜歡使用的一種。在高單色性能的光獲取過程中，濾光系統(tǒng)起了重要的作用，它的作用原理是能夠把泵浦光中的大部分或者有影響的光能夠成功的去除，從而能夠獲得高單色性能的光。 3.2典型的固體激光器 隨著這類技術(shù)多年的發(fā)展積累，現(xiàn)在固體激光器的種類更是多種多樣，但是我們最經(jīng)常使用的還是紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、二極管泵浦以及可調(diào)諧固體激光器等四類。 3.2.1紅寶石激光器（Cr3+:Al2O3） 紅寶石是摻有少量Cr3+離子的藍(lán)寶石（Al2O3），紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶石晶體（Cr3+:Al2O3）, 其中Cr3+是發(fā)光的激活粒子，而Al2O3是基質(zhì)晶體[6]。Cr3+是三能級(jí)系統(tǒng)，關(guān)系著固體激光器的光譜特性。在室溫條件下，紅寶石激光器通常輸出激光波長(zhǎng)為694.3nm的紅光。輸出激光的光譜線寬一般為0.01～0.1nm。由于紅寶石為單軸晶體，存在雙折射現(xiàn)象，所以紅寶石激光器既可輸出無(wú)偏振光，也可輸出線偏振光。如下圖3.4為紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。 圖3.4 鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖 這類激光器具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 1）激光器機(jī)械硬度大、穩(wěn)定性較好，能夠接受功率密度較大的激光，而且生產(chǎn)的光的尺寸也較大； 2）使用時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)存大，能夠有大能量的激光發(fā)射； 3）激光頻譜較大，能夠輕易的獲得高能量的單膜； 4）它的性能穩(wěn)定、可以輸出波長(zhǎng)為400~760nm 的光。 在我們實(shí)際的工程領(lǐng)域，這類激光器具有較好的市場(chǎng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的傳感器能夠響應(yīng)的波長(zhǎng)在可見光處，并且很多的稀土類四能級(jí)的工作波長(zhǎng)也都是處于400~760nm附近。 其次，對(duì)于全息照相等應(yīng)用需要使用可見光作為光源。 當(dāng)然任何事物都有兩面性，紅寶石激光器也難免會(huì)有缺點(diǎn)：首先它是三能級(jí)的構(gòu)造，構(gòu)建的閾值較大；其次晶體的性能指標(biāo)對(duì)于溫度具有很強(qiáng)的敏感性；然后，對(duì)于它的激發(fā)頻率比較低，這就導(dǎo)致了它能夠長(zhǎng)時(shí)間的工作；最后發(fā)散角輸出通常為3～10mrad，偏大。 如下圖3.5所示，這是我國(guó)首臺(tái)紅寶石激光器，這臺(tái)激光器在光的激發(fā)形式上，處于世界級(jí)領(lǐng)先水平。 圖3.5 中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器 3.2.2摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd3+:YAG） 這類是四能級(jí)系統(tǒng)的激光器，它的工作效率較高，使用時(shí)間長(zhǎng)以及工作的閾值較低，輸出的波長(zhǎng)較低，所以能夠長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行工作。 它與紅寶石激光器的構(gòu)造基本相同。由于它的工作物質(zhì)和與其對(duì)應(yīng)的光泵不同，所以能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的工作。 這類激光器的晶體是以YAG為基礎(chǔ)材質(zhì)，混入適當(dāng)?shù)腘d3+共同組成了晶體結(jié)構(gòu)。釔鋁石榴石晶體有以下的優(yōu)點(diǎn)：熱的傳導(dǎo)效率較快，這樣就對(duì)激光器的連續(xù)工作提供了有利的條件；三價(jià)稀土離子的釔鋁石榴石晶體具有1970℃的熔點(diǎn)，能夠承受較大的輻射；它的熒光寬度僅為6.5cm，所以它的工作閾值較小；熒光量子的工作效率可近似的接近于1，是現(xiàn)在固體激光器中非常優(yōu)秀的工作物質(zhì)。 連續(xù)的三價(jià)稀土離子：激光器利用氪燈或碘鎢燈作為泵浦的光源。氪燈與氙燈的構(gòu)造基本相同，區(qū)別是它的燈管內(nèi)充有大氣壓為2到4的氪氣。在750nm和810nm處線狀譜具有很高的發(fā)射譜線，這就與三價(jià)稀土離子的吸收帶相吻合。 該類激光器是四級(jí)能源系統(tǒng)，通過熒光發(fā)射生產(chǎn)生激光及三價(jià)稀土離子，圖3.6所示為該類激光器的能級(jí)構(gòu)造圖。 原來(lái)處于基態(tài)E1(4I9/2)的粒子，在光泵照射下，被激發(fā)到高能級(jí)E4(4I3/2以上的能級(jí))上。通過無(wú)輻射躍遷到E3(4F3/2)上，處于4F3/2能態(tài)的Nd3+壽命較長(zhǎng)（約240us），而稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。該能級(jí)將積累大量粒子（稱激光上能級(jí)），E3與下能級(jí)（4I11/2、4I13/2、4I9/2）間將形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在實(shí)現(xiàn)4F3/2－4I11/2、4F3/2－4I13/2、4F3/2－4I9/2能級(jí)間躍遷時(shí)，生成了三條不同的熒光譜線，由下圖3.6所示，在1.06um的譜線能量最大。所以1.06um首先達(dá)到閾值形成激光振蕩。 圖3.6 :能級(jí)結(jié)構(gòu) 3.2.3摻鉺釔鋁石榴石激光器（Er:YAG） 最近幾年，由于這類激光器的波長(zhǎng)比較獨(dú)特，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，并且在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也取得了較大的應(yīng)用，對(duì)于未來(lái)的發(fā)展有很好的前景。 這類激光器的基本結(jié)構(gòu)與Nd3+:YAG激光器基本結(jié)構(gòu)相似，通常采用脈沖氙燈泵浦，聚光腔為鍍銀的單橢圓柱腔或雙橢圓柱腔，但是它的光學(xué)元件必須與水蒸氣隔離（不隔離激光束將破壞），因此需要將激光器密閉在干燥的容器之中[7]。 它具有較高的光學(xué)性能、較小的損耗，而且激光輸出方面比較的高，物理化學(xué)性能較穩(wěn)定，能特別高效的去掉硬組織，它的泵浦在600～800nm的這個(gè)范圍內(nèi)，高摻雜的Er:YAG晶體在醫(yī)療和軍用領(lǐng)域中的應(yīng)用非常的廣泛。如下圖3.7所示為激光輸出波長(zhǎng)為2.94微米的Er:YAG激光躍遷能級(jí)圖。 圖3.7 Er:YAG激光躍遷能級(jí)圖 3.2.4可調(diào)諧固體激光器 這類激光器也具有較多的優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)存較大，能夠有較長(zhǎng)的儲(chǔ)存時(shí)間；其使用時(shí)間長(zhǎng)；閃光燈或者LD泵浦效果明顯；在調(diào)Q的情形下也能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)；產(chǎn)生光束性能好，并且諧波的產(chǎn)生能力也較好。 因此，近年來(lái)，可調(diào)諧固體激光器取得了重大的發(fā)展。 可調(diào)諧固體激光器指的是在一定范圍內(nèi)，能夠使輸出波長(zhǎng)連續(xù)改變的固體激光器。我們可以將它分為兩類[8]：一類是色心激光器；一類是用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。 前者是指工作物質(zhì)為有色心的晶體，這種色心是由于正負(fù)離子的缺失造成的。它的熒光線寬因?yàn)榫w振蕩的干擾而使得其寬度較大。 色心激光器調(diào)諧范圍寬為0.6～3.65微米，線寬窄，但是大部分都只能在低溫下工作。相比較而言，摻過渡金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器的性能更加優(yōu)越。激光晶體主要包括金綠寶石、Cr:GSGG和摻鈦藍(lán)寶石等。其中性能最好的固體可調(diào)諧材料是鈦藍(lán)寶石[9]。 3.2.5二極管泵浦的固體激光器 第一臺(tái)二極管泵浦的固體激光器誕生于1962年。這類激光器不同于傳統(tǒng)的固體激光器，它的泵浦源是激光二極管，被稱為全固態(tài)激光器，因?yàn)槿虘B(tài)固體激光器的元器件都是“固態(tài)”的。這類固體激光器優(yōu)點(diǎn)較明顯：具有很強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換率、功率大、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用時(shí)間長(zhǎng)以及體積小等。 全固態(tài)激光器種類很多，可以按照如下表3.1來(lái)分類： 表3.1全固態(tài)激光器分類表 分類依據(jù) 全固態(tài)激光器 泵浦方式 端面泵浦、側(cè)面泵浦、邊面泵浦、角泵浦、多通道耦合泵浦、混合泵浦 介質(zhì)形狀 圓棒激光器、板條激光器、薄片激光器、光纖激光器 工作機(jī)制 基頻激光器、諧波發(fā)生器、參量振蕩器 輸出波長(zhǎng) 紅外光激光器、可見光激光器、紫外光激光器 介質(zhì)種類 玻璃激光器、晶體激光器、陶瓷激光器、光纖激光器 工作模式 單脈沖激光器、穩(wěn)態(tài)激光器、熱容激光器 頻域特性 單波長(zhǎng)激光器、多波長(zhǎng)激光器、單縱模激光器、多縱模激光器、可調(diào)諧激光器 輸出激光 連續(xù)激光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器、脈沖激光器 3.3固體激光器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 固體激光器的優(yōu)點(diǎn)： 1）它的能量輸出較大，而且峰值處的功率也較大。這主要是因?yàn)樗哪芗?jí)構(gòu)造較特殊，所以能夠輸出能量和功率較大的激光。這個(gè)是它最突出的優(yōu)點(diǎn)。 2）機(jī)械強(qiáng)度較大，而且成本較低。與其他類型的相比，這類激光器的構(gòu)造簡(jiǎn)單耐用，并且生產(chǎn)的成本還相對(duì)的較低。 3）所需要的材料種類繁多。這類激光器的工作物質(zhì)現(xiàn)在少說都有100多種，并且還有增長(zhǎng)的勢(shì)頭。 大量高性能的材料的出現(xiàn),使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）熱穩(wěn)定性較差，工作一段時(shí)間就產(chǎn)生很大的熱量。由于它的功率和能量輸出都比較大，就非常容易的導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量過大，所以必需要對(duì)其設(shè)置冷卻系統(tǒng)，這樣才能夠使得激光器長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。 2）它的轉(zhuǎn)換率與其他的激光器相比還較低。紅寶石的激光器工作轉(zhuǎn)換效率一般為0.5%~1%，摻釹釔鋁石榴石激光器為1%~2%，就是表現(xiàn)最好的時(shí)候也僅為3%。 可見固體激光器的效率提高還有很大的空間。 3.4典型固體激光器的對(duì)比 如下表3.2，根據(jù)工作物質(zhì)、輸出波長(zhǎng)、能級(jí)結(jié)構(gòu)和常用泵浦方式四個(gè)方面來(lái)對(duì)比幾種典型固體激光器。 表3.2 典型固體激光器的比較 內(nèi)容 激光器 工作物質(zhì) 輸出波長(zhǎng) 能級(jí)系統(tǒng) 常用泵浦方式 紅寶石激光器 Cr3+:Al2O3 0.6943mm 0.6929mm 三能級(jí) 光泵浦 摻釹釔鋁石榴石激光器 Nd3+:YAG 1.06mm 1.35mm 四能級(jí) 光泵浦 摻鉺固體激光器 Er:YAG 2.94mm 四能級(jí) 光泵浦 可調(diào)諧固體激光器 鈦藍(lán)寶石 0.8~3.9mm 四能級(jí) 光泵浦 第四章 固體激光器的應(yīng)用 固體激光器由于功率能量較大而機(jī)械工作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，現(xiàn)在在各行各業(yè)都有很好的應(yīng)用，并且朝著更加發(fā)展的方向邁進(jìn)。 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寶石激光器、作高速攝影用的超短脈沖激光器、測(cè)人造地球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[10]。下圖4.1為通過紅寶石激光器中拍攝的剛破殼的小雞圖。 圖4.1 紅寶石激光器拍攝的剛出殼的小雞的反射全息圖 4.1工業(yè)加工中的應(yīng)用 在工業(yè)加工領(lǐng)域，激光加工是最為常見的一種應(yīng)用形式,我們一般將其分為光熱和光化學(xué)反應(yīng)兩類激光加工,包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等[11]。。前者主要是指通過激光束的照射作用，讓物體的表面發(fā)生熱效應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到我們想要的結(jié)果，這類有焊接、切割、性能改變、鉆孔以及微小處理等。而后者的作用原理則主要是指利用激光束投射，借助光子或者光化學(xué)反映的作用來(lái)對(duì)物體進(jìn)行處理。 采用激光加工技術(shù)能大幅度提高制造精度、加工強(qiáng)度和生產(chǎn)效率。 1）激光切割 這種方式是利用光在聚集以后產(chǎn)生非常強(qiáng)的能量，然后實(shí)現(xiàn)切割的功能。在物體加工的過程中，由于這種方式能夠大大的降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，而且還可以保證加工物件的質(zhì)量，所以得到了人們的普遍運(yùn)用。 同傳統(tǒng)的板材加工方法對(duì)比，激光切割的切割質(zhì)量更高、切割速度更快、柔性更高，材料適應(yīng)性更廣泛。 2）激光焊接 這類技術(shù)是激光器用于物體加工過程中最常用的一種方法。整個(gè)過程是熱傳導(dǎo)型，即通過激光器產(chǎn)生的高熱量激光對(duì)物體的表面進(jìn)行加熱，然后經(jīng)過傳導(dǎo)作用，最終使加工的物件達(dá)到我們想要的結(jié)果。 由于它的優(yōu)點(diǎn)較獨(dú)特，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于小型的焊接工作中。與其它的焊接相比，它具有明顯的焊接效率高、質(zhì)量好以及能在常溫條件下焊接的優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備構(gòu)造也較簡(jiǎn)單。 3）激光鉆孔 隨著人們對(duì)電子產(chǎn)品向小型化的需求發(fā)展，就要求我們的電子線路向集成化的方向邁進(jìn)，然而這種技術(shù)需要在線路板上安裝越來(lái)越多的微型過孔以及盲孔。而我們傳統(tǒng)的手工加工方式肯定達(dá)不到想要的精度，而隨之這種激光器鉆孔技術(shù)的發(fā)展，很好的解決了這個(gè)問題，具有很好的應(yīng)用前景。 4.2軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 固體激光器如今應(yīng)用于軍事領(lǐng)域也顯示出了越來(lái)越旺盛的生命力。在激光器軍事應(yīng)用的過程中，固體激光器算是后起之秀。直到1990年，有專家研發(fā)了大功率的LD激光器，這才使得激光器在軍事方面大顯身手，如圖4.2所示為諾思羅普格魯曼公司研制的高功率固體激光器。由于激光器的輸出的波長(zhǎng)較小，這就很好的在空氣中傳輸，進(jìn)而可以達(dá)到長(zhǎng)距離作戰(zhàn)的使用要求，并且它的體積還比較小，使用起來(lái)非常的方便，工作效率較高，對(duì)于后期的維護(hù)保障比較簡(jiǎn)單，可以在各種平臺(tái)上操作。在具體的使用方面，固體激光器在常規(guī)武器中比較受青睞，比如軍事專用的測(cè)量距離的機(jī)器，有導(dǎo)航功能的炸彈等。 而且它還有非常大的可能向定向武器方面發(fā)展，可以用于導(dǎo)彈的防御、防控以及還是軍艦的自我防衛(wèi)等。 激光器在軍事領(lǐng)域的成功運(yùn)用，對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的轉(zhuǎn)變有非常大的變化，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，它很能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化的批量生產(chǎn)，這就使得在軍事領(lǐng)域更加的方面快捷，更有甚至可以成為單邊作戰(zhàn)的重要元器件。 圖4.2 諾思羅普格魯曼公司研制的高功率固體激光器 激光器在未來(lái)的作戰(zhàn)使用中占據(jù)著非常重要額地位，那能夠?qū)Ψ磦刹?、保護(hù)以及清楚障礙等有很好的作用，下圖4.3為美國(guó)軍隊(duì)的激光武器理想效果圖： 圖4.3 美軍未來(lái)車載激光武器效果圖 在早期的軍事領(lǐng)域中，激光器主要是用來(lái)測(cè)量距離和作戰(zhàn)時(shí)候的照明作用。在上世界60年代紅寶石激光測(cè)距機(jī)成功發(fā)明以后，隨后的第二年就成功的運(yùn)用到了軍事領(lǐng)域。 4.3生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成功運(yùn)用還是從眼部手術(shù)開始的，1962年，人們第一次將人的視網(wǎng)膜和眼球利用激光進(jìn)行連接，這樣就可以做到不用對(duì)眼球進(jìn)行切開就能達(dá)到治療的效果。 固體激光器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用有醫(yī)學(xué)研究工具、激光診斷和激光治療三類。 1）醫(yī)學(xué)研究工具 研究醫(yī)學(xué)病理、生理、生化時(shí)，可以用固體激光器的激光照射各個(gè)細(xì)胞，以便對(duì)細(xì)胞的生理進(jìn)行研究，也可利用激光進(jìn)行細(xì)胞手術(shù)。固體激光器是研究遺傳學(xué)和胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)的工具。 2）激光診斷 利用這種測(cè)試方法可以很好的對(duì)活體組織進(jìn)行內(nèi)部的檢測(cè)。所以在對(duì)人體的手指、牙齒以及小孩的腦積水方面都有很好的應(yīng)用。比如現(xiàn)在科學(xué)家正在研究利用能量為400J、輸出寬度為半毫米的激光器對(duì)牙齒進(jìn)行檢測(cè)。 利用激光器來(lái)檢測(cè)血藥流動(dòng)方面的內(nèi)容的時(shí)候，在不需要血藥進(jìn)行擾亂的情況下就可以成功的測(cè)量。 當(dāng)對(duì)生物的組織進(jìn)行定量測(cè)試的時(shí)候，我們可以很簡(jiǎn)單的測(cè)定被測(cè)對(duì)象身體各個(gè)部位的細(xì)胞成分，來(lái)檢查對(duì)象內(nèi)的元素成分。 激光喇曼光譜學(xué)則可用于生物化學(xué)領(lǐng)域。 3）激光治療 在激光治療方面，現(xiàn)在最為常用的方法就是利用激光器的凝結(jié)機(jī)。在進(jìn)行手術(shù)的時(shí)候，我們通過激光手術(shù)刀的作用就可以對(duì)身體內(nèi)的手術(shù)部位進(jìn)行治療，這樣就可以很好的減輕血量的流失，而且后期恢復(fù)較快，沒有干擾等。在視網(wǎng)膜、青光眼以及鞏膜的手術(shù)上紅寶石激光器也非常的方便，紅寶石激光器是全球第一臺(tái)激光器，也是最早在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的激光器[12]。而且由于它的工作波長(zhǎng)是可見光范圍，不宜與血紅蛋白進(jìn)行作用，所以在各種色素引起的病變中非常的實(shí)用。 臨床常用紅寶石激光器的長(zhǎng)脈沖模式，深入皮膚真皮層，破壞毛囊，永久性去除身體多余毛發(fā)。紅寶石激光器的調(diào)Q模式使黑色素細(xì)胞大量吸熱，并在超脈沖波的作用下破裂分解，可有效治療藍(lán)、黑和綠色紋身及各種良性色素性病發(fā)[13]。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的固體激光器是Nd3+：YAG激光器，由于Nd3+：YAG激光器具有多種優(yōu)良特性：相當(dāng)高的轉(zhuǎn)換率，超級(jí)大的輸出功率，其中輸出功率在單根晶體工作時(shí)高達(dá)百瓦，與CO2氣體激光器相比，具有更好的止血和凝固作用，因此在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中經(jīng)常起手術(shù)刀的作用，在普外科、耳鼻喉科、泌尿科和骨科及整形科經(jīng)皮椎間盤手術(shù)等的應(yīng)用非常廣泛，它的作用是切割血管豐富的組織，使出血量極低。這類激光器的激光輸出脈沖能量相當(dāng)大，很難被水和血紅蛋白吸收，因此具有較深的穿透組織。 雖然血管中的血紅蛋白對(duì)于532nm的光波長(zhǎng)吸收不如585nm波長(zhǎng)的效果好，但是可以利用這種波長(zhǎng)的激光進(jìn)行一定的疾病手術(shù)。 由于其穿透較淺，因而一般僅限于對(duì)較淺的血管性病變進(jìn)行治療。另外，倍頻Nd3+：YAG激光也可廣泛應(yīng)用于胃出血、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[14]。如下圖4.4為激光手術(shù)示意圖。 圖4.4 激光手術(shù)示意圖 第四章 展望 固體激光器是以摻有少量激活離子的晶體、玻璃或陶瓷作為工作物質(zhì)的激光器，固體激光器具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、覆蓋波段長(zhǎng)，堅(jiān)固耐用、激光加工方式多樣、使用方便、輸出功率大等優(yōu)良特性[15]。自1960年世界上第一臺(tái)固體激光器誕生以來(lái)，激光技術(shù)的發(fā)展日新月異，要適應(yīng)新環(huán)境下的應(yīng)用，固體激光器就必須向著全固化、超短脈沖、短波長(zhǎng)的方向發(fā)展，目前也取得了一定的成績(jī)。第一，改進(jìn)了增益介質(zhì)。最開始的增益介質(zhì)是紅寶石，后來(lái)是釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石、摻釹鎵釓石榴石，而現(xiàn)在的新型激光材料的基質(zhì)是陶瓷。第二，對(duì)于泵浦的光源有很大的改善。從之前的閃光、弧光燈發(fā)展到現(xiàn)在的LD泵浦。第三，對(duì)于增益介質(zhì)的構(gòu)造也有較大的改善，由原來(lái)傳統(tǒng)的棒、板條式的構(gòu)造更新為現(xiàn)在的盤片、光纖式的構(gòu)造。 目前激光器發(fā)展方向是體積更小、重量更輕、效率更高、光束質(zhì)量更好、可靠性更高、壽命更長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)更靈便的全固態(tài)激光器。 全固態(tài)激光器的應(yīng)用擴(kuò)展到了各個(gè)領(lǐng)域，它的結(jié)構(gòu)、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率以及光束質(zhì)量都取得了非常大的進(jìn)步，具有強(qiáng)大的生命力。 參考文獻(xiàn) [1]耿愛叢.固體激光器及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2014.5:13 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從開始準(zhǔn)備寫論文開始，到處查找資料、請(qǐng)教老師和同學(xué)，不斷地修改論文，到如今完成論文花費(fèi)了一個(gè)月的時(shí)間。心情從剛開始的不知所措，到現(xiàn)在的如釋重負(fù)。在此向?qū)懻撐臅r(shí)幫助和指導(dǎo)過我的老師和同學(xué)做出最真誠(chéng)的感謝。轉(zhuǎn)眼間，四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，感謝各位老師、同學(xué)的陪伴，感謝一起奮斗的小伙伴。 您好，為你提供優(yōu)秀的畢業(yè)論文參考資料，請(qǐng)您刪除以下內(nèi)容，O(∩_∩)O謝謝?。?！AnationalsurveywasrecentlylaunchedtoevaluatetheeyehealthofChinesechildrenandteenagers.OnJune6,ChinasannualNationalDayforEyeCare,theChinaYouthDevelopmentServiceCenterandZhejiangMedicine,aleadinglistedChinesepharmaceuticalcompany,jointlyannouncedthekickoffofthesurvey.Inaboutonemonth,aquestionnairecompiledbytopeyecaremedicalexpertsinChinawillbedistributedthroughmultipleonlinepartners,includingH,aswellasthroughofflinesurveyeventsheldinuniversities,middleschoolsandprimaryschoolsacrossthecountry.Areportwillbereleasedbasedonthesurveystatisticsandanalysis,andmostimportantly,guidelinesforparentsandyouthonhowtocarefortheeyesandpreventmyopia—agrowingprobleminChinasdigitizedsociety,willalsobeattachedonthereport."Myopiaisnotonlyadiseasethatmakespeopleseethingsblurrily,butalsoleadstoseverecomplications,suchasglaucoma(increasedpressurewithintheeyeball),andcancauseblindness,"saidZhouYuehua,anestablishedeyecarespecialistwithBeijingTongrenHospital."Itisveryimportantforparentsandchildrentoknowabouttheriskandcarefortheireyes."Thereareabout450millionmyopiapatientsinChina.AmongChinesemyopiapatients,30millionareseverepatients,accordingtoZhouTheprevalenceofmyopiaamonghighschoolandcollegestudentsismorethan70percent,andthesituationiscontinuouslyworsening,headded.SunZhu,directorwiththeChinaYouthDevelopmentServiceCenter,saidlonghoursofstudy,lackofexercise,especiallyoutdooractivities,andattachmenttoelectronicscreenaresomeofthetopreasonsbehindthewidespreadmyopiaproblems,andtheincreaseofyoungerpatients,althoughChinahasmadegreatprogressinimprovingthehardwarefacilitiesandlightingconditionsinschools.Hesaidhehopesthesurveywillalertpeopleonthethreateningsituation,andalsohelpmedicalexpertstobetterguidelineparentsandchildrensbehaviorstocareforeyes,basedonthetimelyandfactualstatisticsthesurveycollected.Aseriesoffollow-upeventswillalsobeheldinsixcities,includingJinaninShandongprovince,andChangshainHunanprovince,toeducatepeopleonhowtocareforeyesafterthesurveystarted. More and more Chinese are jogging to get and stay fit. Most joggers will run alone, but some will jog with friends or even coaches. The Beijing Olympic Forest Park is one of the most popular spots. It is packed with runners in the afternoon, usually after work, and at weekends. Jogging after a whole days work can be a way to unwind. It is true for He Wenjun, whose workplace is right near the forest park. She discovered her athletic aptitude at the age of seven, when she began playing tennis. Then she turned to jogging, and she has persevered with it for 10 years. "I come to jog almost every day after work, whenever I have time. I think jogging is good for my health. And for me, a girl, it helps me to achieve to eternal goal, to keep slim," He said. He says she prefers jogging alone, so she can focus better. She loves jogging, even during Beijings smoggy days. "If the smog is severe, Ill hold off jogging for a while. But if I really want to get away from work, Ill wear a mask, or just ignore the smog and go on jogging," she said. For those who are not so athletic, jogging also has its attractions. Wu Houbin started roughly two years ago, when he was severely obese. Within two months, his weight dropped from 82 kilograms to 64 kilograms. The success helped him recover health, and he has made friends. "Jogging does not require speed, but stamina. If you want to stick to the game, you need to take it as a mission, a habit, and then eventually a hobby," Wu said. But persevering with jogging is not always easy. Jogging is beneficial for heart-lung function, and the skeletal system, but doctors say improper technique damages the joints, especially the knees and ankles. "Excessive jogging wears down the body, and harms ones health. Poor technique harms the muscles and skeleton, and can cause secondary injures. And, jogging in a bad environment can cause circulation problems," said Lu Zhiyong, attending doctor, Sports Hospital, General Admin. of Sports.Dr. Lu has some tips for joggers, and those who are thinking of taking it up.He says people should first evaluate their physical condition, to decide the amount and type of exercise, and jogging in the open air is better running on a treadmill. Conrad Macao will run special programs for the entire month of October this year to support the Hong Kong Cancer Funds Pink Revolution, an annual campaign that seeks to raise awareness and funds for breast cancer research, the hotel recently announced. A major sponsor of the campaign for three years in a row, Conrad Macao has pledged to donate a portion of its proceeds to the fund, including those collected from selling its popular bear and rubber duck merchandise, in limited pink editions. Pink is the theme for floral arrangements and decorations in the hotel in October. In addition, on Fridays that month, members of the management and staff will add something pink to their uniforms, regular e-mails and handwritten guest cards. "Breast cancer is the most prevalent type of cancer among women in Hong Kong and is also of significant concern in Macao and around the world, regardless of age," general manager Bede Barry said in a statement. The hotel has enlisted the support of a number of international and local celebrities to help drive the cause, including South Korean actor Jung Suk Won. This year, a lucky guest who stays at the hotel during the campaign and also donates money for the cause will win a necklace specially designed by Arte Madrid, a Spanish jewelry brand. Women should strive to balance quality of work and life, and have children at a young age. As a doctor I see much suffering because of this imbalance. Xiao Ying, 36, works for a large law firm. Her job means lots of travel, a heavy caseload and a large number of meetings, so her schedule is hectic. She has been pregnant twice, but had abortions on both occasions because she felt her busy, high-pressure career wasnt conducive to raising a child. She planned to have children once she had achieved career success so she could provide a stable environment for her baby. After 10 years, Xiao felt the time was right, and she tried to conceive for about six months, but was unable to become pregnant. I conducted comprehensive physical checkups. The results suggested that Xiaos ovarian function has declined and a bilateral oviduct blockage has occurred, meaning that in vitro fertilization is her only option. So, after reducing her workload, Xiao underwent IVF treatment. L