YAG激光器技巧道理及行使

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所属分类:固体激光器
YAG激光器技术原理及应用_能源/化工_工程科技_专业资料。YAG 激光器技术原理及应用 YAG 激光器 是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体 激光器 。钇铝石榴石的化学式是 Y3 Al5 O15 ,简 称为
YAG激光器技巧道理及行使

YAG激光器技巧道理及行使

  YAG激光器技术原理及应用_能源/化工_工程科技_专业资料。YAG 激光器技术原理及应用 YAG 激光器 是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体 激光器 。钇铝石榴石的化学式是 Y3 Al5 O15 ,简 称为 YAG。 在 YAG 基质中掺入激活离子 Nd3+

  YAG 激光器技术原理及应用 YAG 激光器 是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体 激光器 。钇铝石榴石的化学式是 Y3 Al5 O15 ,简 称为 YAG。 在 YAG 基质中掺入激活离子 Nd3+ (约1%)就成为 Nd:YAG。 实际制备时是将一定比例的 Al2 O3 、 Y2 O3 和 NdO3 在单晶炉中熔化结晶而成。Nd:YAG 属于立方晶系, 是各向同性晶体。 由于 Nd:YAG 属四能级系统, 量子效率高, 受激辐射面积大, 所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。又 由于 Nd:YAG 晶体具有优良的热学性能, 因此非常适合制成连续和重频器件。 它是目前在室温下能够连续工作 的唯一固体工作物质,在中小功率脉冲器件中, 目前应用 Nd:YAG 的量远远超过其他工作物质。 和其他固体 激光器 一样, YAG 激光器 基本组成部分是激光工作物质、泵浦源和谐振腔。不过由于晶体 中所掺杂的激活离子种类不同 , 泵浦源及泵浦方式不同 , 所采用的谐振腔的结构不同,以及采用的其他功能性 结构器件不同,YAG 激光器又可分为多种, 例如按输出波形可分为连续波 YAG 激光器、重频 YAG 激光器和脉 冲 激 光 器 等 ; 按 工 作 波 长 分 为 1.06μmYAG 激 光 器 、 倍 频 YAG 激 光 器 、 拉 曼 频 移 YAG 激 光 器 (λ=1.54μm)和可调谐 YAG 激光器 (如色心激光器)等; 按掺杂不同可分为 Nd:YAG 激光器、掺 Ho、Tm、 Er 等的 YAG 激光器; 以晶体的形状不同分为棒形和板条形 YAG 激光器 ;根据输出功率(能量)不同, 可分为高 功率和中小功率 YAG 激光器等。形形色色的 YAG 激光器 , 成为固体激光器中最重要的一个分支。 [相关技术]激光材料;泵浦技术;固体 激光器 技术;电子技术 [技术难点] 尽管以 YAG 晶体为基质的 YAG 激光器 从问世迄今已经20多年, 技术和工艺都比较成熟并得到广泛应 用, 但随着相关技术的进步, YAG 激光器的研究工作仍旧方兴未艾, 依然是目前 激光器 研究的热点。为了提 高 YAG 激光器 的效率、输出功率和光束质量, 扩展其频谱范围, 人们在激光材料、结构和泵浦源及泵浦方式 等技术和工艺方面继续开展研究和改进工作, 要解决的关键技术主要有: 1、寻求新的激光材料。通过在 YAG 基质中掺杂 Er、Ho、Tm 等激活离子将 Nd:YAG 的激光波长扩展至 2μm 左右, 使大气传输性能得到改善, 并提高激光对人眼损伤阈值, 通过掺杂 Yb 激活离子, 提高工作效率等。 2、寻求新的 激光器 结构。采用板条状晶体, 实现面泵浦和面散热, 以提高转换效率, 改善光束质量。降 低加工成本,简化结构, 解决散热问题仍然是努力的方向。 3、寻求新的泵浦源和泵浦方式。用二极管 激光器 取代灯泵浦, 是 YAG 激光器 技术的一项重大突破, 使 激光器 性能得到显著改善, 但是二极管泵浦技术比较复杂, 成本比较高, 泵浦源自身的散热等问题, 仍然 需进一步解决。 [国外概况] YAG 激光器 问世较红宝石和钕玻璃 激光器 为晚,1964年 YAG 晶体首次制成, 经过几年的努力, 使材料 的光学和物理性能不断改善, 攻克了大尺寸 YAG 晶体的制备工艺, 直到1971年已能拉制出直径为40mm、长 度为200mm 的大尺寸 Nd:YAG 晶体, 为 YAG 激光器 的研制提供了成本适中的优质晶体, 推动了 YAG 激光 器的发展和应用,美国西尔凡尼亚公司于1971年推出 YAG 激光精密跟踪雷达(PATS 系统)用于导弹测量靶场。 在70年代进入了研究和应用 YAG 激光器 的热潮,许多工业发达国家的研究机构都投入大量人力和财力, 研究 的主要内容是提高 YAG 激光器 的效率、功率和可靠性, 解决工程化问题, 同时在激光测距 、激光雷达 、激 光工业加工、 激光医疗 等领域出现了一些应用成果。 80年代 YAG 激光器研究和应用的基本技术已比较成熟, 进 入大发展时期, 成为各种激光发展和应用的主流。然而由于固体 激光器 在相干性、脉冲重频和输出功率等方 面受到局限, 因而遇到 CO2 激光器 的挑战, 同时, 传统的园棒形 YAG 激光器 效率低(3%),热效应严重的固 有缺点, 因而限制了其高功率输出和高重复频率, 光束质量也难以保证, 迫使人们寻求新的结构形式和泵浦方 法, 板条形 YAG 激光器 和二极管泵浦 YAG 激光器 成为 YAG 激光器 的重要发展方向。 新型面泵浦、面冷却板条状几何结构的 YAG 激光器 概念于1972年首次由美国通用电气公司提出并获得 专利, 但由于工艺技术上存在困难, 研究工作一直进展不大, 为此斯坦福大学对板条 激光器 技术进行系统深 入的理论和实验研究, 提出了千瓦级活动板条 激光器 的设计方案和可靠性试验, 得到更好的光束质量和更高 的平均输出功率, 引起世界各国的重视, 其后得到迅速发展。美国通用电气公司在80年代末已研制成功千瓦级 的板条 YAG 激光器和600W 的材料加工样机。 西欧尤里卡计划的固体激光规划中将板条 YAG 激光器作为3kW 高功率工业用固体激光器的选择方案。 由于板条 YAG 激光器能获得高平均输出功率的同时保证高光束质量, 因 此美国、 西欧和日本将研究的重点放在千瓦级板条激光器上,这一研究工作在实用化方面的进展将在激光材料加 工等方面增强固体激光器与 CO2 激光器的竞争能力, 在军事上的应用前景也十分诱人。 板条 YAG 激光器能否 在一些主要应用领域取代传统的棒状 YAG 激光器, 取决于板条激光介质加工成本的大幅度降低, 聚光腔结构 的简化, 热效应的进一步克服和光腔的最佳化设计等一系列工程技术研究工作的完美解决。 80年代以来, 半导体二极管激光器 (LD)技术和制造工艺逐步成熟 , 为固体激光器提供了一种理想的泵浦 源,与传统的泵浦灯相比,LD 具有输出功率高,寿命长的优点, 特别是它的输出与 YAG 激光介质的吸收带相一 致, 因此使二极管泵浦的 YAG 激光器具有突出的优点: 1)泵浦效率高, 可达20%左右 (灯浦泵效率只有百分 之几); 2)随着效率的提高, 激光介质的热负荷下降, 因此大大改善光束质量;3)寿命长(LD 的寿命达数万小时, 脉冲达1011 次), 可靠性高; 4)体积小, 重量轻, 适于小型化应用。其不足之处是结构复杂, 成本较高。尽管 如此, 二极管激光器取代传统的泵浦灯已成为 YAG 激光器的一个重要发展方向。 90年代以来, 二极管泵浦的 YAG 激光器的研究工作取得重要进展, 先后解决了泵浦方式, 泵浦光耦合技 术, 固体激光介质的冷却和热效应补偿问题, 使激光器的泵浦效率、 输出功率、 波束质量都达到新的水平。 1996 年以前, 国际上连续激光二极管的最高水平为20W, 用它泵浦 Q 开关 YAG 激光器, 其最好输出水平为10kHz, 15kW。1998年,德国用连续 LD 泵浦 Q 开关 YAG 激光器,得到6.25kHz、15mJ、 60ns、250kW 的输出, 可作为军用探测装备的光源。 随着 LD 输出功率的提高, 高功率 LD 泵浦的 YAG 激光器的输出水平也不断提高, 表1 中列出最近几年美国、德国和日本等国的高功率二极管泵浦 YAG 激光器的性能。 二极管泵浦的 YAG 激光器的发展为成熟的 YAG 激光器技术注入了新的活力,展现出更加诱人的应用前景, 在军事领域 ( 激光测距 、激光雷达 、激光制导 等)、激光工业加工、激光医疗 和科学研究等方面得到广泛 的应用。 [影响] YAG 激光器是军用装备中应用最广泛的一种激光器, 主要用作激光雷达 、激光测距 、激光制导 和激光 对抗等方面。由于它具有测量精度极高, 抗电子干扰能力强, 使武器系统的瞄准精度和杀伤威力大大提高, 在 激光雷达 面临反辐射导弹、电子战、低空超低空突防和隐身目标严重威胁的情况下, 采用激光系统可以增强武 器装备的战斗力和生存能力, 起到武器装备能力倍增器的作用, 其军事效能已在多次实战中得到验证。 YAG 激光器在工业中的应用主要是用于材料加工,如切割 、焊接 、打孔 等,不仅使加工质量得到提高, 而 且提高了工作效率; 在医疗方面的应用, 主要是作为手术刀, 使手术不出血或很少出血, 而且可以作一般手术 刀无法或难以进行的手术, 如脑血管、心血管及眼科手术等。除此之外, YAG 激光器还可以为科学研究提供一 种精确而快捷的研究手段。

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