1、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 2 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
2、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 365mm；激光器输出功率 50； 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
3、，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） 3 R1= F=45mm L=48cm R2 =5m T=15% L=100cm 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
4、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 4 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
5、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（
6、英文） Abstract：Laser is one of the most significant and most useful invention in twentieth Century.it is applied to every aspect of modern industry, agriculture, medicine, communication, national defense and science and technology in just a few decades. Laser light amplification by stimulated emission
7、 of radiation, so it and the spontaneous radiation of common light sources of different, directional, high has excellent brightness and coherence. Since the first ruby laser, solid state laser has been dominated the development of the laser, especially the full solidified solid laser appeared in twe
8、ntieth Century eightieth Century 80 years of semiconductor lasers and on the basis of the more because the advantages of small size, light weight, high efficiency, stable performance, good reliability and long service life, photoelectric industry has gradually become the most promising field. This d
9、esign introduces the principle and application of laser diode pumped, reference laboratory prototype, using Solidworks software to draw a design laser; according to the basic parameters of the design, use Matlab software to calculate the radius and position focus future. Keywords：solid-state lasers;
10、 Solidworks; Matlab 5 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
11、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 6 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8
12、0%+答辩成绩20% ） 7 目录 前言 .8 第一章 半导体泵浦激光器原理和应用 .8 1.1 激光原理 .9 1.2 半导体泵浦激光器的应用 10 第二章 激光器的设计过程 .11 2.1 半导体泵浦激光器设计方案 .11 2.2 激光器的设计图 .11 2.3 计算聚焦后激光光斑直径 .12 2.4 聚焦透镜焦距与光斑半径的关系 14 第三章 总结 .15 参考文献 .15 8 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
13、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
14、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
15、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。 9 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
16、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
17、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 10 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
18、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
19、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。 11 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
20、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
21、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。 12 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
22、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)2120 )()(RLRLf 可看出本次设计的激光器谐振腔是平凹腔上式可简化为 ，LRf2 代入数据得 ， 。mf473.1iqa473. 传播距离变换矩阵为 ，平面反射镜变换矩阵为 ，聚焦透镜 01ML012M 传输矩阵为 。 F13 总传输矩阵为： = CADB10L10 通过聚焦后的 q 参数参考公式 2-2 计算出 （2-2）aaqFDCq BA 聚焦后光斑束腰半径由公式 2-3 计算出 （2-3） fw0 13
23、 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：iDCqBA01.456.3 则 ，ms0. mf. 聚焦后光斑束腰半径 w5018. 聚焦后光斑直径 D623 与透镜 F 的距离： 。ms45. 14 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
24、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。 15 16 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
25、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
