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1、激光原理课程设计激光1 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。现在的激光器工作物质有固态、液态、气态、半导体等多种物态，泵浦方式也有光激励、电激励、磁激励和化学激励等等多种激励方式。另外，基于激光已经开发了许多的激光技术，如调Q技术、稳频技术、锁模技术等。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

2、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

3、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365mm，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（s）长（mm）端面积（）热导率（W/cmK）1.23.4230655

4、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

5、：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

6、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

7、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行业、三倍频半导体泵浦固体激光器则在激光快速成型领域有大量应用。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。2.3 激光器工程图绘制查询工业成品资料可制定设计要求如下： 9个808半导体激光器组成侧泵模块，功率180W，北京吉泰；晶体尺寸365mm；激光器输出功率50；8倍扩束；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

8、镜中间；腔镜为平面反射镜，透射率为15%；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。可以使用Soilworks画出激光器的工程图和三视图如下图所示：图2-1 激光器工程图 如上图所示为激光器的工程图，图中包括了设计的激光器的各个部件，从前至后依次为：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。图2-2 激光器左视图图2-3 激光器主视图图2-4 激光器俯视图 如上图所示为激光器的三视图，根据设计要求可以知道，腔镜1和腔镜2的距离为480mm，扩束镜到腔镜2的距离为1000mm。泵浦灯是LD，三列LD阵列互成1200角环绕在激

9、光晶体周围。Q开关位于泵浦源和全反镜连线的中心处，用以提高激光器的输出功率。激光出射镜的外侧有一个扩束镜，用来聚焦。第3章 激光器设计及参数计算3.1 激光器设计方法和设计软件介绍 本文基于第1章中的设计目的，通过MATLAB软件根据光学传播矩阵原理对光路进行模拟，经过求解得到聚焦之后的束腰半径大小。然后根据设计要求，借助Soildworks软件画出各个器件的模块，再进行组合，画出所设计的激光器的装配图和工程图。MATLAB软件在世界范围内都有很深的影响，主要被用于科学研究和工程应用。MATLAB在1984年由Math Works公司推向市场，功能已经越来越完善，主要功能有：数值计算和符号计算

10、、绘图、语言系统等等，另外，MATLAB中还有许多的工具箱，可以适用于不同的行业。 SolidWorks软件是第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰S

11、olidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明。3.2 激光器设计原理本次设计的激光器主要包括以下几个部分：激光腔腔镜、调Q模块、侧泵模块、扩束镜、45反射镜和指引红外模块。其中，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。具体介绍如下：1. 激光工作物质晶体放置在两个激光腔腔镜中，侧泵模块进行光激励，使工作介质中的跃迁发射出激光，光波在腔中来回放大。2. 为了提高激光的输出功率，在腔中还增加了调Q模块。Q值的定义是： (3-1)调Q就是通过压缩脉冲宽度，将激光在激光泵浦初期

12、，提高振荡阈值，使激光上能级粒子数大量积累，当积累的粒子数达到一定值的时候再突然降低振荡阈值，此时上能级粒子就将雪崩式地向激光下能级跃迁，激光能量在短时间内释放，就可以得到极高的尖峰输出功率。本次设计根据晶体的电光效应，使用KDP晶体，当晶体上加一阶跃式电压时，可以调节光子反射损耗。 而基本的光路图则只需要考虑几个透镜，如图3-1所示： 图 3-1 光路图得到了光路图之后，可以根据ABCD原理通过光学传播矩阵，借助MATLAB计算出光在传播中光波曲率半径的改变和光路的传播方向和路径。最后，再确定所有参数之后，使用Soildworks软件对器件实体化画出工程图。3.3 激光束腰半径计算及分析接下

13、来可以对光路中激光的光斑大小变化。首先，计算出焦参数： (3-2) (3-3) (3-4)其中为激光器的腔长，为全反平面镜的曲率半径，为输出镜的曲率半径，为焦参数，最终计算可得：=1.4730。光波从输出镜出射后经过一段空间距离和聚焦透镜，其中空间距离的光学传播矩阵为，聚焦透镜的光学传播矩阵为，根据ABCD规则，当光波通过光学矩阵为的光学器件后有： (3-5)所以通过编写MATLAB的M文件，并在MATLAB中运行得到：R2=input(R2=); %输出镜曲率半径%L=input(L=); %腔长%F=input(F=); %聚焦透镜焦距%l=input(l=); %反射端面到聚焦透镜距离%

14、f=sqrt(L*(R2-L); %计算焦参数%q1=f*i; %初始q值%b=1.064e-6; %激光器波长%c1=1 l;0 1; %空气空间光学传播矩阵%c2=1 0;-1/F 1; %聚焦透镜光学传播矩阵%c3=c1*c2; %整个光路的光学传播矩阵%q=(q1*c3(1,1)+c3(1,2)/(q1*c3(2,1)+c3(2,2); %通过整个路径后的q参数%a=imag(q); %通过整个路径之后的焦参数%w=sqrt(b*a/pi); %计算通过聚焦透镜后的光束束腰半径%disp(w) %输出光斑半径大小%R2=5 L=0.48 F=0.045 l=1 2.1568e-005

15、从计算结果可知，最后通过聚焦透镜后的光斑半径为m，出射点距离聚焦透镜轴心为0.9550m。在计算中，变量有四个：输出镜的曲率半径、腔长、聚焦透镜焦距和反射镜面到聚焦透镜的距离。1.选择输出镜曲率半径为变量，其余三个保持不变，可以发现当只有输出镜的曲率半径变化时，光斑的半径随曲率半径增大而减小并趋于某一定值，而且在设计中取的R2为5m，从图中可以看出，此时光斑变化较为缓慢，而且光斑值相对已经很小并接近极限，因此5m是个比较合理的值如下图：图3-3 光斑半径随输出镜曲率半径变化2.选择激光腔长为变量时，可以发现光斑半径大小随激光腔长的增大而减小并趋于某一定值，而在设计中取的0.48处于趋于平缓变化

16、的一段是合理的，如下图：图3-4 光斑半径随激光腔长变化3.选择聚焦透镜的聚焦为变量，其他变量维持不变，当输入不同F可以得到不同的w，如下表所示：表3-1 F-w数值对应变化F0.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.06w()0.9601.1201.4381.6781.9172.1572.3962.6362.875将得到数据表转换成矩阵，再使用MATLAB中的曲线模拟功能，模拟出F-w的函数变化曲线，下面是拟合程序和结果图：a=0.02,0.025,0.03,0.035,0.04,0.045,0.05,0.055,0.06; b=0.960,1.120,1.

17、438,1.678,1.917,2.157,2.396,2.636,2.875;p=polyfit(a,b,3)p = 1.0e+003 * -3.8182 0.4350 0.0333 0.0001 x=linspace(0,0.2,1000); y=polyval(p,x); plot(x,y)图3-5 光斑半径随聚光透镜焦距变化曲线 从图中可以看出光斑半径随聚光透镜焦距增大而增大。而但在F=0.045处，在此处的焦距不会太大也不会太小，但又满足使光斑半径尽可能小，而且在2左右，因此，选择该焦距也较为合理。第4章 总结 随着激光越来越广泛的应用，人类生活和激光已经激光生产越来越密不可分。因此

18、，本次设计就设计了一个半导体侧泵浦的固体激光器。在此次设计中，不仅对激光工作原理和技术应用有了更深的了解，而且还重新复习巩固了MATLAB的使用方法以及其数值分析功能和绘图功能等，另外还新学习了Soildworks软件，学会如何使用软件进行器件设计和组装以及如何注释一个工程图。本次设计可谓受益匪浅，做一个设计需要有耐心，还要学会如何收集整理资料，以及和身边的人一起讨论分析，在此次设计中，无论是资料查阅能力还是计算分析能力，以及对问题的理解和解决能力和自学能力都有了很大的提高。在设计中时，一定要注意条理顺序，先列出一个纲要将工程分出几个模块，然后从头至尾一一找寻方法解决。然后结合整个工程，分析各

19、个模块之间的联系，再最后进行细节的优化。这样就可以完成整个设计了。参考文献1. 陈家壁,彭润玲.激光原理及应用M.第2版.北京:电子工业出版社. 2008. 8.2. 周炳琨,高以智,陈家骅等.激光原理M.北京:国防工业出版社. 2000.3. 凌铭,武志超.LD侧面泵浦Nd:YAG无水冷调Q脉冲激光器J. 红外与激光工程, 2007,6(36):20-234. 娄丽.940nm半导体激光泵浦固体激光器研究D. 长春理工大学, 2010, 03, 01.5. 吕百达. 激光光学激光束的传输变换和光束质量控制M. 第2版, 四川大学出版, 1992,126. 刘卫国.MATLAB程序设计与应用M.第2版.高等教育出版社. 2006. 77. 王海林.高功率固体激光器现状及发展趋势.华中科技大学博士论文. 2004. 38. 李相因,姚敏玉,李卓,崔骥.激光原理技术及应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社. 2004. 10