1、- 1 - 1 -目 录摘 要 1第一章 激光与激光器 21.1激光 21.1.1激光 21.1.2激光产生的条件 21.1.3激光的特性 21.2激光器 31.2.1激光器 31.2.2激光器的发明及发展 31.2.3激光器的分类 5第二章 固体激光器 52.1固体激光器 52.2固体激光器的几种类别 82.2.1红宝石激光器82.2.2掺铒钇铝石榴石激光器92.2.3可调谐固体激光器102.2.4掺钕钇铝石榴石激光器102.3固体激光器的优缺点11- 2 -2.4固体激光器的比较11第三章 固体激光器的应用 123.1医疗 123.1.1美容 123.1.2医学研究工具 123.1.3激光
2、诊断123.1.4激光治疗133.2军事 123.3工业制造 13第四章 固体激光器的发展 14致谢 15齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 1 -摘 要固体激光器目前是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用,更能够加深对其的了解。本论文先简单介绍激光与激光器,了解激光发现的过程及激光的应用,在介绍激光产生的条件和特性,又介绍激光器的发明和发展以及激光器的分类。然后介绍固体激光器,分别从基本原理、结构和工作物质等方面介绍固体激光器,接着介绍几种典型的固体激光器并对这几种固体激光器进行比较,接着介绍固体激光器在军事国防、工业技术、医疗美容等三
3、个方面的应用,最后介绍固体激光器的发展。关键词：固体激光器 激光 激光器 基本原理 基本结构 应用ABSTRACTSolid state lasers is currently one of the most widely used laser, it has some very distinct advantages. Introduction working principle and application of solid state lasers, better able to deepen their understanding. This paper briefly introd
4、uces the laser and laser, the understanding of laser applications and laser process of discovery, in introducing conditions and characteristics of the laser, and describes the classification of the invention and development of lasers and laser. Then introduced solid state lasers, respectively, from
5、the basic principles, structure and material introduced solid state lasers, then describes some typical solid state lasers and compares these kinds of solid state lasers, then introduced the solid state lasers in military defense, industrial technology, medical and cosmetic applications of three, an
6、d finally the development of solid state lasersKey words：Solid-state Laser; Laser; Laser; Basic Principle; Basic Structure; Application齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 2 -第一章 激光与激光器1.1激光1.1.1激光激光最初的中文名叫做“雷射”、“莱塞”,是它的英文名称 LASER 的音译,是取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的各单词头一个字母组成的缩写词
7、 1。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程,激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964 年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。1.1.2激光产生的条件产生激光有三个必要的条件 2：1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2）有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能级
8、之间产生粒子数反转；3）有光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束的传播方向,选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。1.1.3激光的特性激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高） 。 1 ）单色性好：普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。 齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 3 -由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长,使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外,激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应
9、用,已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。 2 ）相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光） 。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。 3 ）方向性好：激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有 1 公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置,但即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到 1 000 公里以上。
10、激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外,由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小,再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差,使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下,甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀” 。 4 ）亮度高：激光的亮度可比普通光源高出 10121019 倍，是目前最亮的光源,强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。1.2激光器1.2.1激光器（英文名称：Laser（Light amplifica
11、tion by the stimulated emission of radiation).激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。用光、电及其他办法对物质进行激励，使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时,由于受激辐射，物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用,也就是这种波长的光辐射通过物质时,会发射强度放大并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射,这种装置称为激光放大器。若把激发的物质放置于共振腔内,光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过物质,光辐射被放大许多倍,形成一束强度大、方向集中的光束“激光”,这就是激
12、光振荡器。齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 4 -激光二极管泵浦的全固体激光器具有效率高、结构紧凑、光束质量好、性能稳定、寿命长等优点,日益引起人们的广泛重视。尤其是单频运转,在光谱学、相干通讯、激光雷达、引力波深测、光学数据存储等领域有广泛的应用。1.2.2激光器的发明及发展1）激光器的发明激光器的发明是 20 世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至 X 射线和 射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。 激光器的诞生史大致
13、可以分为几个阶段,其中 1916 年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用,将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来,这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大,而且是相干光,即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同 3。 此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20 世纪 40 年代末，量子电子学诞生后
14、，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。2）激光器的发展能发射激光的装置。1954 年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958 年 A.L.肖洛和 C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960 年 T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961 年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962 年 R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器
15、4 大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到 X 射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调 Q 和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 5 -微波波段的 0.7 毫米，最短波长为远紫外区的 210 埃，X 射线波段的激光器也正在研究中。表 1 我国激光器的发展我国激光器的发展1957 年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究院（简称“光机所”）。1961 年
16、9 月，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。1965 年 5 月，我国第一所，也是世界上第一所激光技术的专业研究所中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）成立。如表 1 是我国激光器的发展。1.2.3激光器的分类1960 年，梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。激光器在工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围四个方面进行分类。如下表 2。齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 6 -分类方式工作物质激励方式运转方式输出波长气体激光器固体激光器半导体激光器染料
17、激光器光泵式激光器核泵浦激光器化学激光器化学激光器其他激光器连续激光器 单次脉冲激光器锁模激光器 可调谐激光器红外激光器 可见激光器紫外激光器 X 射线激光器表 2 激光器的分类第二章 固体激光器2.1固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960 年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。发明已有整整五十四年了。在这五十四年时间里固体激光器的发展与应用都有了巨大的质的飞跃，并且对整个人类社会产生了无与伦比的影响。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光系统、泵浦系统、谐振腔反射镜和电源等部分构成 4。其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在
18、各方齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 7 -面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。图 1 固体激光器的基本结构这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：过渡金属离子（如 Cr
19、3+）；大多数镧系金属离子（如 Nd3+、Sm 2+、Dy 2+等）；锕系金属离子（如 U3+）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（NaAlSi 2O6）、钇铝石榴石（Y 3Al5，O 12）、钨酸钙（CaWO 4）、氟化钙（CaF 2）等，以及铝酸钇（YAlO 3）、铍酸镧（La 2Be2O5）等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优
20、质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。晶体激光器以红宝石（Al 2O3：Cr 3+）和掺钕钇铝石榴石（简写为YAG：Nd 3+）为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。1）工作物质工作物质激光器的心脏，是由激活粒子（金属）和基质两部分组成，激活粒子的能及结构决定了激光的光谱特性,基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 8 -活粒子的能级结构形式,可分为三能级
21、系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如 Er：YAG 激光器） 。工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多） 、平板形、圆盘形及管状 5。2）泵浦系统泵浦系统能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的,太阳能泵浦常用在小功率器件（尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源） ，二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向,它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的
22、激光器之一。LD 泵浦的方式可以分为两类,横向：同轴入射的端面泵浦（如下图 2 a） ；纵向:垂直入射的侧面泵浦（如图 2 ） 。图 2LD 泵浦方式结构示意LD 泵浦的固体激光器有很多优点,寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等,当然最突出的优点是泵浦效率高,因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。3）激励源固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中,可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。一些新的固体激光器也有采用激光激励的。固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收,加上其他损耗，因而能量转换效率不高,一般
23、在千分之几到百分之几之间。齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 9 -4）谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成,是固体激光器的重要组成部分。光学谐振腔除了提供光学真反馈维持激光持续振荡以形成受激发射,还对振荡光束的方向和频率进行限制,以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。5）聚光系统聚光腔的作用有两个 6：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布,从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内,因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。
24、如下图 3 所示为椭圆柱聚光腔,是目前小型固体激光器最常采用的。图 3 椭圆柱聚光腔2.2固体激光器的几种类别固体激光器从诞生之日至今,器件和技术获得了突飞猛进的发展,相继出现了许多种类,但是使用较多的主要是红宝石、掺钕钇铝石榴石、LD 泵浦的固体激光器和可调谐固体激光器四种。2.2.1红宝石激光器（Cr 3+:Al2O3）红宝石是由蓝宝石（Al 2O3）中掺入少量的氧化铬（Cr 3O2）而形成。红宝石激光器的工作物质是 Cr3+:Al2O3，其中，Al 2O3作为基质晶体,Cr 3+是发光的激活粒子，光谱特性与 Cr3+的能级结构有关,它是三能级系统。如下图 4 所示为红宝石晶体 Cr3+能
25、级图 7。在室温情况下，红宝石激光器一般输出 694.3nm 的红光。红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好,高功率密度,大尺寸晶体,齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 10 -亚稳态寿命长,高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高,温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。图 4 红宝石中铬离子的能级结构2.2.2掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）Er:YAG 激光器的出现是激光在医疗领域的一大突破。它的基本结构与 Er:YAG 激光器基本结构相似,通常采用脉冲氙灯泵浦,聚光腔为镀银的单椭圆柱腔或双椭圆柱腔,但是其光学元件必须与水蒸气隔离（不隔离激光束
26、将破坏）,因此需要将激光器密闭在干燥的容器之中 8。如下图 5 所示,为 Er:YAG 激光跃迁能级图,其输出的波长为 2.94m。齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 11 -图 5Er:YAG 激光跃迁能级图现今,Er:YAG 激光器的最大平均功率已达到 3W,最大脉冲输出已达到 5J,是迄今为止输出功率最大、效率最好的长波长固体激光器；加之交换输出波长为 2.94m，这正是人体组织的吸收波长,这个也是 Er:YAG 的一个非常突出的优点。因此在医疗方面（尤其是激光外科和血管外科）有很大的应用潜力 9。目前，激光器并没有像上述两种激光器一样被广泛的应用,但是我们相信,在不久的将
27、来它会在固体激光器当中占有一个非常重要的地位。2.2.3可调谐固体激光器可调谐固体激光器的出现可以说是固体激光器的重大发展。它是指在一定范围内，可以连续改变输出波长的固体激光器。我们可以将它分为两类 10：一类是色心激光器,一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。色心激光器的阈值较低，容易实现单模运转,并且光束质量好,特别是调谐范围覆盖 0.83.9m。这是其他可调谐激光器难以达到的。但色心激光器大都只适合在低温下工作，且使用过程中,仍然不太稳定。与此相比,掺过过渡金属的激光晶体制作的可调谐激光器,性能更加优越。主要的激光调齐鲁工业大学 201
28、4 届本科毕业设计（论文）- 12 -谐材料 11。2.2.4掺钕钇铝石榴石激光器（Nd 3+:YAG）Nd3+:YAG 激光器是目前为止使用最广的固体激光器。在固体基质中掺入激活粒子Nd3+,基质钇铝石榴石（英文缩写为 YAG）具有优良的光学、力学和热学性能,是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质。如下图 6 所示，为 Nd3+:YAG 能级图。在室温下,一般输出的激光波长为 1.064um。图 6Nd3+:YAG 能级结构Nd3+:YAG 激光器几乎没有什么缺点,突出优点是阈值低和优良的热学性能。目前对 Nd3+:YAG 的应用远超过其他固体工作物质,可以说，Nd 3+:YAG
29、出现至今，被大量使用,长盛不衰。2.3固体激光器的优缺点固体激光器的主要优点：1）输出能量大,峰值功率高。在固体激光器中,由于中心粒子的能级结构，能够输出大能量且峰值功率高。这个是固体激光器非常突出的优点。2）结构紧凑耐用,价格适宜。和其他类型的激光器相比,固体激光器的结构非常简单并且非常耐用,同时价格相对适宜。3）材料种类数量多。固体激光器的工作物质的种类非常多,到目前为止至少有一百多种,而且大有增长的趋势。大量高性能的材料的出现,是固体激光器的性能进一步齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 13 -的提高。固体激光器的主要缺点：1）温度效益比较严重,发热量大。正是由于输出能量大
30、,峰值功率高,导致热效应非常明显,因此固体激光器不得不配置冷却系统,才能保证固体激光器的正常连续使用。2）转换效率相对较低。固体激光器的总体效率非常低,例如红宝石激光器的为0.5%1%左右 ,YAG 激光器的总体效率为 1%2%，在最好的情况下可接近 3%。可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。2.4固体激光器的比较如下表所示,将从工作物质、输出波长、能级系统和常用泵浦方式等四个方面对上述固体激光器进行简单的比较。表 3 典型固体激光器的比较第三章 固体激光器的应用固体激光器的应用范围是同它的特点和发展水平分不开的。固体激光器的特点大体上可归纳为：有较大的输出功率和较紧凑的结构。直到 80
31、年代末期，固体激光器的应用主要集中在科研与研发、加工、医疗和军用等四个方面。固体激光器在军事、内容 激光器 工作物质 输出波长 能级系统常用泵浦方式红宝石激光器 Cr3+:Al2O30.6943m0.6929m三能级 光泵浦掺钕钇铝石榴石激光器Nd3+:YAG1.06m1.35m四能级 光泵浦掺铒固体激光器 Er:YAG 2.94m四能级 光泵浦可调谐固体激光器钛蓝宝石 0.83.9m 四能级 光泵浦齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 14 -加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科
32、和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面在科研与研发方面,涉及面很广,包括作核聚变研究的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器以及由同体激光器泵浦的染料可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红卞石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测人造地球星轨迹和地球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等 12。3.1医疗3.1.1美容固体激光器医疗与美容方面的应用也是非常广泛的，但是在这方面可以说Nd3+:YAG 激光器“一家独大” 。Nd3+:YAG 激光器是医学中用得较多的固体激光器,它的转换率高,输出功率大，单根晶体工作时输出功率可达百瓦,比
33、 CO2气体激光止血及凝固效果好,故在医学上常用来做手术刀，广泛应用于普外科、耳鼻喉科、泌尿科和骨科及整形科经皮椎间盘手术等，切割血管丰富的组织,大大减少出血。Nd 3+:YAG 激光脉冲能量大,不易被水和血红蛋白吸收,故穿透组织较深 13。 Nd3+:YAG 激光器采用倍频技术可输出 532nm 的绿色激光,即倍频 Nd3+:YAG 激光,光斑直径 26mm,能量密度为 512j/cm2。虽然血管中的氧合血红蛋白对波长为 532nm 的光的吸收次于 585nm 的光,但可选择 532nm 波长激光适当脉宽对血管性病变组织进行治疗。由于其穿透较浅，因而一般仅限于对较浅的血管性病变进行治疗。另外
34、,倍频Nd3+:YAG 激光也可广泛应用于胃出血、血管瘤的的治疗及显微外科手术,对于由红的染料颗粒所引起的文身、文唇等人为的皮肤色素变异亦具有一定的治疗效果。 黑色素细胞对 532nm 的激光的吸收较强,加之皮肤组织对该波长的散射较强,照射在皮肤上的 532nm 激光能量被局限在皮肤表皮层,采用调 Q 技术后,可对表浅型黑色素细胞增生,如咖啡斑、老年斑、雀斑等达到较好的治疗效果 14。3.1.2医学研究工具固体激光器可作为基础医学病理、生理、生化的研究工具,用激光照射各种机体组织的单个细胞,进行生理、生态的研究等。例如激光照射肿瘤细胞,为应用提供临床的资料。用激光还可以进行精细的细胞手术,作为
35、实验胚胎学、发生学及遗传学研究齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 15 -的重要工具。3.1.3激光诊断利用激光透视法来测定活组织的透光性,以实现内部结构的探测，或者探测骨头中的异物或损害状况。因此,可用来检验手指、指甲、牙齿及查验婴儿的脑积水。例如正在研究采用输出能量为 400 毫焦耳,脉宽为 0.5 毫秒的红宝石激光器来检验牙齿。利用激光全息照相术提高了对生物体的观察深度、广度和分辨率,还可以研究随时间变化的生物体、或软体组织的变异。例如,在牙科中,通过计算干涉条纹数目来测定全付假牙的齿桥由于受到外力作用所产生的形变。对眼球进行激光全息显微检查和结构的识别,这是眼科检查与记录
36、的一种崭新的方法。利用激光多普勒效应,将激光通过特制探针来测定血液的流动,优点是不会扰乱血液的流动。利用激光光谱分析仪,对生物组织进行定量分析,可迅速测定人及动物的血液、肝、肾等的单个细胞的成分,检查如铁、钙、砷、金、铜以及铅等元素。激光喇曼光谱学则可用于生物化学领域。3.1.4激光治疗激光治疗某些疾病,在眼科中的应用最早也较成熟,它可治疗十几种眼病,包括治疗视网膜脱离、青光眼、虹膜切除、中心性视网膜炎、前房及玻璃状体内出血、封闭视网膜新生血管、光凝睫状体、治疗眼肿瘤以及治疗因患糖尿病和先天性视网膜疾病引起的十多种眼病 目前应用最广的是采用红宝石激光器或氖离子激光器的视网膜凝结机。在外科中使用
37、激光手术刀进行肝脏、肾脏等手术,出血少,创口愈合好,无感染，消除肾结石和膀胧结石。用照射方式,治疗皮肤色素沉着,例如用输出能量为 15 焦耳/厘米 2、脉宽为毫微秒的调 红宝石激光照射文身花纹,可做到不留疤痕的消除,而且手术时不用麻醉，手术后也无后遗症,另外还能作坏死组织的清创术以及止血和小血管的吻合。3.2军事军用方面,主要用于测距和目标指示。前者广泛用于步兵、炮兵、装甲车辆、飞机、舰艇,不仅用于观测目标距离,更多的是成为火力控制系统的一部分,大大提高火炮的酋发命中率。后者用于激光半主动制导，成为精确制导武器的“眼睛” 。例如齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 16 -1991
38、 年海湾战争中,多国部队的飞机大量使用了激光制导的航弹,高精度地摧毁厂伊拉克的许多重要军事目标。下面列举一些激光武器的应用：1) 常规的固体激光武器 15：激光测距仪是部队中使用最普遍的激光系统，他们被装备在主站坦克、火炮和步兵战车上等。装备之后,可以大大的提高攻击命中率。相比传统的光学瞄准装备,命中率提高数倍。2) 激光导弹防御系统：激光导弹防御或称激光反导的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。我们可以说这方面是 LD 泵浦固体激光器的天下,因为它有一些突出的优点。目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都
39、是使用 LD 泵浦的固体激光器。3) 未来的激光武器：未来的固体激光武器主要的方向是超高功率和高便携性。高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分,将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高,充分发挥每一个兵的作用,当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这两个目标发展,当然实现这两个目标还需很漫长的等待。如下图 7 所示，为美军未来车载激光武器效果图：图 7 美军未来车载激光武器效果图3.3工业制造齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 17 -在工业制造方面,激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互
40、作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程,包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等 17。这里我们主要来看看固体激光器的加工应用。1) 激光切割技术：激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割质量、 高的切割速
41、度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点 18。2) 激光焊接技术：激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一,焊接过程属热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功地应用于微小型零件焊接中。与其它焊接技术比较,激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小,能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。3) 激光清洗技术：激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面,使表面的污物、颗粒、锈斑或涂层等附着物发生瞬间蒸发或剥离，从而达到清洁净化
42、的工艺过程19。与普通的化学清洗法和机械清洗法相比,激光清洗有如下特征： 1）是一种完全的“绿色”清洗； 2）清洗的对象广泛；3）几乎能够清洗所有的固体基材且不损伤基材；4）容易实现自动化基材。目前的典型的设备主要是 LD 泵浦固体激光器和 : 激光器。3NdYAG第四章 固体激光器的发展进入 90 年代,随着固体激光器性能的改进,之不仅在原有的四个应用领域的竞争力明显增强,而且开辟了一些新的重要应用领域。首先是二极管泵浦的固体激光器进入了信息传输领域。随着有线电视（CATV）等活动图像信息传输的迅速增长,作为发齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 18 -射源的半导体激光器已满足
43、不了大功率和低失真的要求,转而部分采用大功率（几十毫瓦至一百多毫瓦）低噪声的二极管泵浦的 Nd:YAG 激光器，其波长为 1.31 微米,被传输的信号则用宽带妮酸狸调制器进行外调制加上去。这种光源 1993 年全球销售了4000 多台,1994 年预测可增至 5000 多台。其次是二极管泵浦的固体激光器进入分色、制版等印刷行业，开始在这新领域中占有一一席之地。再次是随着环境监测的重要性日益提高，基于固体激光器的测风雷达、测污雷达等传感器有明显的增长。高峰值功率固体激光器可用于产生调光激光。近年来这方面的工作也有重大进展。用固体激光激励产生的调光激光将逐渐广泛地应用于微细加工等领域。 综观上述进
44、展,我们有理由相信固体激光器,特别是二极管泵浦的固体激光器,包括高功率的和可调谐的固体激光器将有越来越宽广的应用前景。它们将变得日益成熟、日益廉价,不仅更多地进入实验室，进入工厂一车间和医院，进入各种军事装备，而且会进入办公室、商店,甚至进入家庭。世纪之交即将来临，让我们对固体激光器及其应用的进一步发展拭目以待。 固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激光器。从世界上第一台激光器发明至今,固体激光技术取得了很大的发展,主要表现三个方面：第一是工作物质不断改进。最初是红宝石激光器,后来出现了钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器,现在又有了掺钕镓钆石榴石激光器。还有报道称,目前出现
45、了以陶瓷为基质的新型激光材料。第二是泵浦光源的改进。最初是闪光灯,后来发展为弧光灯,现在出现了高功率激光二极管泵浦。第三是工作物质结构的改变。从最初的棒式结构发展成板条式,又到后来的光纤式结构。固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化,包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率,增大输出功率,改善光束质量,压缩脉冲宽度,提高可靠性和延长工作寿命等。 总之,固体激光技术的发展过程是一个不断革新的过程,固体激光器发展到今天,无论在结构、输出功率、转换效率还是光束质量方面都有了很大进步 20。致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完,在论文的写作过程中会遇到了无数的困难和障碍
46、,都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我论文的指导老师左春华老师,他对我进行了无私的指导与帮助,不厌其烦的帮助我对论文进行修改和改进。另外,在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 19 -持和帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献,如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发,我将很难完成这篇论文的写作。感谢我的同学和朋友,在我写论文的过程中给予我很多的素材,还在论文的撰写和编排过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限,所写论文难免有不足之处,
47、恳请各位老师进行批评和指正！齐鲁工业大学 2014 届本科毕业设计（论文）- 1 -参考文献1 蔡枢,吴铭磊.大学物理(当代物理前沿部分专题).北京:高等教育出版社,1996:282 陈家壁,彭润玲.激光原理与应用(第二版).北京:电子工业出版社,2008.8:273 单振国,干福熹.当代激光之魅力.北京:科学出版社,2000:5-104 陈家壁,彭润玲.激光原理与应用(第二版).北京:电子工业出版社,2008.8:1025 克希奈尔著,孙文,江泽文,程国祥译.固体激光工程.北京:科学出版社.2002.5:76-776 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,2004.10:457 陈家壁,彭润玲.激光原理与应用(第二版).北京:电子工业出版社,2008.8:1038 闫毓禾,钟敏霖.高功率激光加工及其应用.天津:天津科学技术出版社,1994:134-1359 孙长库,叶声华.激光测量技术.天津:天津大学出版社,2002:4510 陈家壁,彭润玲.激光原理与应用(第二版).北京:电子工业出版社,2008.8:10611 李适民,黄伟玲.激光器件原理与
