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Nd: Yag Laser

Geutic, H. M. Marcos,和L. G. Van Uitert证明拉它是产生激光的材料。固态激光在当今激光应用领域占重要的一部分。例如在材料加工，激光精密测量，激光光谱学，激光医药，以及激光化工。跟其他类型激光相比，电晶体激光有如下优点：

（1）多种工作模式：可以CW，脉冲的，Q-开关的，模式锁定模式以便得到高的平均的能量，高的脉冲重复速度，高的脉冲能量，以及高的峰值功率。使用YAG激光，已经取得拉4kw的平稳公率的激光。

（2）波长的多样性：有超过一百种的固态材料可以产生激光束。这些光束的范围从可见光到近红外的区域。紫外波长也通过谐波发生器得到，因为有非线性材料和通过泵式二极管得到的高质量的光束。而且可调节的固态激光器有拉很明显的进步。

（3）方便的光学传递系统：有些固态激光可以通过光纤传播，这就使得激光可以应用在更为灵活，更为危险和难以到达的工作环境中。

（4）更加小巧以及跟高功率的Co2激光，受激准分子激光相比更低的维护价格。

1． 工作原理

图-8 显示了Nd:YAG激光的能量级别。激光的发射是从发射激光的低级到基态的无辐射跃迁的快速转变。如果棒子的温度低，这个跃迁的速度会很快。因此冷却系统是效率的保障。较低的工作温度会得到较高的输出功率。这说明拉冷却系统一般的操作温度略高于开始温度。

在激光的泵腔里。Nd:YAG晶体吸收了可氪灯的光后被激发。晶体吸收氪灯发出波长为730-760nm和790-820nm的光的能量。这导致分子在晶体中激起了E4泵队列.分子从E4到E3 E2到E1放射热量。然后通过冷却棍子来移除这些热量。

2．固态激光的基础结构

一个典型的固态激光都会有一个增益介质，一个泵腔，一个光学共鸣器，一个冷却系统和一个电源，如图-2所示。增益介质被放置在金器椭圆截面泵腔.腔内是椭圆的空间有棒子（增益介质）在一个中心，一个闪光灯在另一个中心。理想状态下，所有灯发出的光都会到棒子里。光学共振器包含两个固定在介质两端的镜片。冷却系统是很重要的，因为大部分灯的光能都通过热能的形势损失拉。

固态激光最重要的一个原件就是它的泵腹浦腔。除了提供良好的耦合泵浦源和吸收活性物质, 还负责对激光元件整体影响的泵的密度分布, 输出光束的发散和光学失真. 根据活性材料和泵源，可以分为侧面泵浦，终端泵浦，和正面泵浦。图-3所示的是一些典型的泵浦腔。

在这些泵浦腔中，椭圆腔在固态激光的发展中被最广泛的讨论过。在这个构造中，一个直线的灯和棒子，可能半径不同，放置在椭圆圆柱的中心。如图-3所示。

激光材料被做成圆柱形的棒子，两端是圆的并被磨成平行的。当棒子放在两片面对面的镜子中间，被环绕的前列的光源照射，激光就发出了。为拉降低冷却的问题，通常使用直径较小的YAG棒子。棒子的两端通常都是抗反射的并镀上为Nd:YAG波长为1064nm使用的膜。为拉避免来自灯的伤害，棒子两端固定都有o行圈保护。

3． 固态激光的能量传输过程

从电的输入到激光的输出的能量传输会有4个过程，如图-4所示。将泵浦源所输入的电能转变为有用的泵辐射，将这些泵辐射转移到增益介质上，吸收了甭辐射的增益介质将能量转移到高级光极，高级光极的转变将激光射出。将闪光灯的泵辐射转移到激光介质都是在泵浦腔内完成。转移的效率实质就是捕获效率与传输效率的综合。捕获效率就要取决于泵浦腔的几何形状，直径，泵源和激光棒之间的空间。因此，对固体激光泵浦腔的几何形状的研究对提高电到光的转变效率很重要。

4． 激光棒的热现象

在多种脉冲激光和CW Nd:YAG激光的使用中, 人们越来越关注激光束剖面的质量。当然在使用激光的加工生产中，也需要恒定的光点大小。如果激光棒的表面均匀的被激发，会有对应的温度曲线图，还有激光棒从中心到表面的折射率梯度曲线。

Nd:YAG激光棒工作原理象一个聚焦镜，焦距会因激发能量的不同而变化。 

一般固态激光恒定状态下的温度分布可以用三维方程式表示。在圆柱形的激光棒有恒定的热传导性的时候，方程式如下。

q(r, z)代表热源的表面放热率,K(T)是激光棒的热传导能力。如果是水晶材料会有缓慢的温度上升，如果是Nd:YAG，K(T)一般是看成不变的。对于水晶有着低的热传导性，就会自身有很多热量，K(T)的近似值可以是

T₀是冷却水的温度， ΔΤ是与T₀的温差，K₀是这种固体材料在T₀时的热传导性。

当r = r₀时是临界状态T(r₀)，T(r₀)是激光棒表面温度，r0是激光棒的半径。

Q是每个单位体积均匀产生的热量，

Pa是激光棒本身消耗的热量，L是激光棒的长度。  

图5表示的是通过等式（3）来计算的Nd:YAG棒的温度辐射状剖面图。P_a是300W, r₀是2mm, L是100mm, K是0.13 W.cm_-1.K_-1 [2.20], T(r0) 是60°C.从图上可以看出，激光棒的最高温度是在激光棒的中心部分。

均匀加热的抛物线温度和相位误差分布的最早研究是koechner对 Nd : YAG激光棒的研究. 之后就有越来越多的对热现象的研究。还发现温度梯度对激光棒产生机械应力,应变,位移。还有，温度，应变，位移对激光棒的各个位置折射率的影响。既然激光棒的折射率在半径范围内有二次变分，沿激光棒方向传播的光束也会有二次空间相位变化。这个现象相等于球面透镜效果，所以称之为球面透镜现象。折射率的转变取决于偏振光的热应变，热透镜的焦距，光线方向(f_r)，切线方向(ff)可以表示为：

A 代表的是激光棒的交叉区域，a是膨胀导热率，n是折射率，C_r 和 C_f 是光线，切线部分偏振光的光弹系数，n₀是激光棒中部的折射率，P_a = hP_in （ η是跟闪光灯输入功率， P_in，还有激光棒消耗热量有关的有效因素）

图6所示是热透镜的焦距作为输入功率的函数。K = 0.13 

Wcm_-1K_-1, = 7.3´10_-6 K_-1, a = 7.9´10_-6 K_-1, C_r = 0.017, C_f = -0.0025, n₀ =1.82, r₀ = 2 mm, L =100 mm, h = 2.7%.

事实上, 理论计算热焦距是非常复杂的,因为许多参数都要用相当复杂的公式 因此往往通过实验来得到。因此，精确测量热透镜的焦距在激光工程中是个很重要的课题。

翻译：Sam

校对：Robert