固体激光器光路设计激光原理专业课程设计.docx
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固体激光器光路设计激光原理专业课程设计
固体激光器光路设计激光原理专业课程设计
激光原理与技术课程设计
课题名称：
固体激光器光路设计与计算
专业班级：
2011级光信息
学生学号：
**********
学生姓名：
学生成绩：
指导教师：
********
课题工作时间：
2014.6.4至2014.6.13
武汉工程大学教务处
一、课程设计的任务和要求
要求：
1、具备独立查阅激光原理、激光技术以及激光器件相关文献和资料；能提出并较好地的实施方案；具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
2、具备独立设计激光器的能力，能对基本激光应用系统的进行研究、分析及比较的能力。
3、具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。
4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。
5、综述简练完整，立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确。
6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。
7、内容不少于3000字，图和计算结果要求打印。
技术参数：
1、9个808半导体激光器组成侧泵模块，功率180W，北京吉泰；
2、Nd:
YVO4晶体尺寸3×65mm；激光器输出功率50Ｗ；
3、8倍扩束；
4、谐振腔长48厘米，侧泵模块放置腔中间，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%。
任务：
1、简述半导体泵浦的激光器原理和应用
2、参照实验室原型，用solidworks软件画出激光器的设计图
3、侧泵激光器腔长480mm，输出镜曲率半径为5m，聚焦透镜离输出镜520mm，焦距为45mm，计算经聚焦以后的激光光斑直径。
用Matlab软件计算输出（用Q参数方法计算，写出Matlab程序）
二、进度安排
1、2014.6.4-2014.6.4选题
2、2014.6.4-2014.6.11分析资料、提出设计方案
3、2014.6.10-2014.6.12讨论、修改方案，写出初稿
4、2014.6.13定稿交稿
三、参考资料或参考文献
1、《激光原理》第五版，周炳琨
2、《激光器设计基础》，赫光生、雷仕湛
3、《激光器件与设计》，吕百达
4、《固体激光工程》，孙文
5、《激光光学—激光束的传输变换和光束质量控制》，吕百达
6、solidwork产品设计范例，清华大学出版社
7、Matlab程序设计与应用，高等教育出版社
指导教师签字：
***2014年6月4日
教研室主任签字：
2014年6月4日
四、课程设计摘要（中文）
摘要：
激光是二十世纪最重大、最实用的发明之一，它在短短几十年内就推广应用到现代工业、农业、医学、通信、国防和科学技术的各个方面。
激光是光的受激辐射，因而它与自发辐射的普通光源不同，具有极好的方向性、极高的光亮度和相干性。
自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20世纪80世纪80年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。
本次设计简述了半导体泵浦的激光器原理和应用，参照实验室原型，用Solidworks软件画出了激光器的设计图；根据设计基本参数，使用Matlab软件计算出了经聚焦以后的光斑半径与位置。
关键词：
固体激光器；Solidworks；Matlab
五、课程设计摘要（英文）
Abstract：
LaserisoneofthemostsignificantandmostusefulinventionintwentiethCentury.itisappliedtoeveryaspectofmodernindustry,agriculture,medicine,communication,nationaldefenseandscienceandtechnologyinjustafewdecades.Laserlightamplificationbystimulatedemissionofradiation,soitandthespontaneousradiationofcommonlightsourcesofdifferent,directional,highhasexcellentbrightnessandcoherence.Sincethefirstrubylaser,solidstatelaserhasbeendominatedthedevelopmentofthelaser,especiallythefullsolidifiedsolidlaserappearedintwentiethCenturyeightiethCentury80yearsofsemiconductorlasersandonthebasisofthemorebecausetheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiency,stableperformance,goodreliabilityandlongservicelife,photoelectricindustryhasgraduallybecomethemostpromisingfield.Thisdesignintroducestheprincipleandapplicationoflaserdiodepumped,referencelaboratoryprototype,usingSolidworkssoftwaretodrawadesignlaser;accordingtothebasicparametersofthedesign,useMatlabsoftwaretocalculatetheradiusandpositionfocusfuture.
Keywords：
solid-statelasers;Solidworks;Matlab
六、指导教师评分
评价内容
具体要求
权重
得分
调查论证
能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
10
实践能力
独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）
15
分析解决问题能力
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。
15
工作量、工作态度
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
10
质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。
40
外语和计算机应用能力
在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。
5
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。
5
综合评语
指导教师签字：
2014年6月12日
七、答辩记录
记录人（签字）：
2014年6月13日
答辩意见及答辩成绩
答辩小组教师（签字）：
2014年6月13日
课程设计总评成绩：
（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）
前言
激光是二十世纪最重大、最实用的发明之一。
1917年爱因斯坦提出受激辐射理论，1958年12月肖洛和汤斯发明激光原理，1960年7月梅曼制成世界第一台红宝石激光器。
激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，应用领域十分广泛。
半导体泵浦532nm绿光激光器具有波长短、光子能量高、在水中传输距离远和人眼敏感等优点，效率高、寿命长、体积小、可靠性好。
近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济许多领域中展示出极为重要的应用，成为各国研究的重点。
自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20世纪80世纪80年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。
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，但从1998年开始，固体激光器中的Nd:
YAG中的Nd:
YAG激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。
传统的固体YAG传统的固体YAG激光器，通常由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。
电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。
另一方面整个激光器需要庞大的制冷系统，体积很大。
泵浦灯的寿命约为300积很大。
泵浦灯的寿命约为300到1000小时，操作人员需花很多时间频繁的换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低，工作，使自动化生产线的效率大大降低，间接提高了生产成本。
因此技术上没有大的发展空间。
现在国际上的激光厂家已经淘汰了中小功率灯泵浦固体激光器的生产和研发，将来随着大功率的二极管、光纤激光器的研发和应用，成本的下降，灯泵浦固体激光器将会逐步淘汰。
这是固体激光器的发展方向。
第一章半导体泵浦激光器原理和应用
1.1激光原理
光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：
吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。
在此过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级间隔E1-E2时才能被吸收。
图1-1光与物质作用的吸收过程
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。
自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
光与物质作用的自发辐射过程：
处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。
只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
图1-2光与物质作用的受激辐射过程
激光器主要由工作物质、谐振腔、泵浦源组成。
工作物质主要提供粒子数反转。
泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3、E3上的粒子通过无辐射跃迁，该过程粒从高能机级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子，迅速转移到亚稳态E2。
E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2上的粒子不断积累，E1上的粒子，又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1能级间的粒子数反转。
图1-3三能级系统示意图
激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。
处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态自发辐射产生的光子各个方向都有偏离轴向的光子很快逸出腔外只有沿轴向的光子部分通过输出镜输出部分被反射回工作物质在两个反射镜间往返多次被放大形成受激辐射的光放大即产生激光。
1.2半导体泵浦激光器的应用
国内半导体泵浦固体激光器市场化水平已经达到数百瓦，实验室水平已经达到千瓦级。
在应用上，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：
主要是材料加工，如激光标记、激光焊接、激光切割和打孔等，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，在国外，千瓦级的半导体泵浦固体激光器已有产品，德国、美国汽车焊接就已经用到了千瓦级半导体泵浦固体激光焊剂机，在原理和技术方案上半导体泵浦固体激光器定标到万瓦都是可行的，主要受限于成本和市场需求的限制。
二倍频半导体泵浦固体激光器在微电子行业、三倍频半导体泵浦固体激光器在激光快速成型领域都得到了广泛应用。
除材料加工外，大功率半导体泵浦固体激光器还可以用于同位素分离（二倍频、绿光）、激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。
第二章激光器的设计过程
2.1半导体泵浦激光器设计方案
在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。
本次设计半导体泵浦激光器参照实验室原型，用solidworks软件画出激光器的设计图，该激光器的组成部分有红外光源、腔镜1、Q开关、泵浦系统、腔镜2、8倍扩束镜、45°反射镜。
然后根据激光器的设计参数，计算出各个装配体的合理摆放位置。
最后根据设计参数利用MATLAB计算出聚焦以后的激光光斑束腰半径。
2.2激光器的设计图
激光器的设计图效果图如图2-1，谐振腔两端的反射镜为R1=∞的平面镜和R2=5m的透镜，其中R1为全反镜，R2为透射率为15%的镜片，两镜间距为48CM。
泵浦源位于两平面镜中心处，激光晶体是Nd:
YAG,可产生高增益、低阂值的激光作用。
泵浦灯是LD，三列LD阵列互成1200角环绕在激光晶体周围。
Q开关位于泵浦源和全反镜连线的中心处。
激光出射镜的外侧有一个扩束镜，用来聚焦。
图2-1激光器的设计图效果图图2-2激光器结构正视图
图2-3激光器结构左视图与尺寸标注
注：
图2-3从左到右依次为红外光源、腔镜1、Q开关、泵浦系统、腔镜2、8倍扩束镜、45°反射镜。
2.3计算聚焦后激光光斑直径
图2-4激光器的结构简图
如图所示，R1个R2构成激光谐振腔，波长为1064nm，激光从R2端输出，经焦距为F的透镜聚焦。
其中R1=∞；R2=5.0m；L12=0.48m；L=1.00m；F=0.045m。
利用Q参数法计算来计算光斑半径。
由公式2-1中的计算可知共焦参数为
（2-1）
可看出本次设计的激光器谐振腔是平凹腔上式可简化为
，
代入数据得
，
。
传播距离变换矩阵为
，平面反射镜变换矩阵为
，聚焦透镜传输矩阵为
。
总传输矩阵为：
=
通过聚焦后的q参数参考公式2-2计算出
（2-2）
聚焦后光斑束腰半径由公式2-3计算出
（2-3）
利用Matlab计算出聚焦后的光斑束腰与位置，程序如下：
运行结果如下：
对结果进行整理，通过聚焦后的q参数：
则
，
聚焦后光斑束腰半径
聚焦后光斑直径
与透镜F的距离：
。
2.4聚焦透镜焦距与光斑半径的关系
为了进一步探索光斑半径与聚焦透镜半径的关系，通过改变聚焦透镜的焦距F来观察光斑半径w的大小变化。
使用Matlab软件来描绘两者的曲线关系图。
程序如下：
图2-5透镜焦距与光斑半径的关系图
由图可看出，随着聚焦透镜的焦距F的增大，光斑半径w成线性增大，即在一定范围内二者成正比关系。
所以，为了增大激光器的输出功率，可以适当的增大透镜的焦距。
第三章总结
这次课程设计的主题是固体激光器，其实从激光发明到现在，继红宝石激光器为代表的固体激光器之后，气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X射线激光器和光纤激光器相继问世。
伴随着激光的广泛应用，激光技术也得到了很快的发展和推广。
激光的稳频、选频，激光光束的变换，激光光学系统设计方法，激光的强度调制和相位调制，调Q技术和锁模技术等都逐渐完善和成熟起来。
激光原理和它的各种应用技术已成为各行各业的科学技术人员都必须掌握的一门高新技术。
这次课程设计利用了两个很重要的软件——solidworks和Matlab。
Solidworks软件功能强大、易学易用，SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。
这次课程设计主要使用solidworks装配激光器。
接触和学习了solidworks软件是我在这次课程设计中最大的一个收获。
另外，Matlab用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言，在设计过程中Matlab大大的减小了参数的计算难度。
让我更加熟练的运用Matlab进行数据计算和分析。
参考文献
[1]《激光原理》第五版，周炳琨
[2]《激光器设计基础》，赫光生、雷仕湛
[3]《激光器件与设计》，吕百达
[4]《固体激光工程》，孙文
[5]《激光光学—激光束的传输变换和光束质量控制》，吕百达
[6]solidwork产品设计范例，清华大学出版社
[7]Matlab程序设计与应用，高等教育出版社
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