激光原理课程设计激光1详解.doc

目 录 第1章 绪论 9 1.1 设计背景 9 1.2 设计要求及基本器件 9 第2章 半导体泵浦激光器原理和应用 11 2.1 半导体泵浦激光器原理 11 2.2 半导体泵浦激光器应用 11 2.3 激光器工程图绘制 12 第3章 激光器设计及参数计算 14 3.1 激光器设计方法和设计软件介绍 14 3.2 激光器设计原理 14 3.3 激光束腰半径计算及分析 15 19 参考文献 20  固体激光器光路设计与计算 第1章 绪论 1.1 设计背景 自从1960年第一台激光器——红宝石激光器问世以来，激光的应用已经越来越广泛，激光对人类的生活和生产产生了巨大的影响。现在，许多大型工业和医学手术以及测绘工程等中都应用到了激光。因此，可以说激光的研究已经成为现代科学技术的一个重要研究领域。 目前世界范围内销售的商品固体激光器 已有500 余种，但从1998 已有500 余种在众多激光器中，有一类是由半导体激光器侧泵浦的固体激光器。这类激光器可出射红色、绿色、橙色、紫色、红外等多种频率的光线，而且这类激光器可调Q、调频。另外，这类激光器的优点也很突出：体积小、效率高、寿命长、可靠性好、光束质量好、波长短、运输和使用方便、无污染。最后，需要指出，这类激光器已经得到了广泛的利用：民用、工业和军事领域的应用已包括材料处理、医疗诊断、仪器制造、基础研究、光存储、娱乐、图像记录、检测与控制、全色显示、测向与指示、国防军事等。所以这是一种比较成熟的激光器。本文就是基于这种背景下设计了一台半导体激光泵浦的固体激光器。 1.2 设计要求及基本器件 本文设计的半导体激光泵浦的固体激光器中使用的主要器件有：45°反射镜、扩束镜、腔镜1、侧泵模块、Q开关、腔镜2和指引红光。其中9个808nm功率180W的半导体激光器作为侧泵浦激模块。激光器的固体工作介质是晶体，晶体尺寸3×65mm，谐振腔长48厘米，侧泵模块放置腔中间，如表1所示是工作物质的一些基本参数。Q开关位于模块和全反射镜中间；腔镜为平面反射镜，透射率为15%。输出镜曲率半径为5m，聚焦透镜离输出镜520mm，焦距为45mm。为得到高功率输出需进行调Q，Q开关放置在模块和全反射镜中间 其作为工作介质的基本参数如下表所示： 表1 工作介质参数 晶体 浓度 损耗a 粒子寿命（μs） 长（mm） 端面积（） 热导率（W/cm·K） 1.2 3.4 230 65 5 0.0523 第2章 半导体泵浦激光器原理和应用2.1 半导体泵浦激光器原理 上世纪80年代起，半导体激光器（LD）生长技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。侧面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 a) 直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 b) 间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 1) 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 2) 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 3) 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 2.2 半导体泵浦激光器应用 半导体泵浦固体激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，被称为第二代的激光器。具有高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化等优点，在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域都有应用和研究并且前景广阔。就国内而言，大功率半导体泵浦固体激光器以材料加工为主，包括了常规的激光加工：以材料加工为主，如激光标记、激光焊接、激光切割、打孔等，结构紧凑、性能良好、工作可靠的大功率半导体泵浦固体激光打标机产品系列已经在国内得到了规模应用。而在国外，千瓦级的半导体泵浦固体激光器已有产品，德国、美国已经使用千瓦级半导体泵浦固体激光焊剂机进行汽车焊接，而理论上半导体泵浦固体激光器已经可以达到万瓦级别，主要的限制因素是成本和市场需求。二倍频半导体泵浦固体激光器广泛应用到微电子