激光原理与激光器件课程设计报告Word文档下载推荐.docx

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将电容和电阻并联就可以组成滤波电路，降低输出电压中的脉动成分，保留其中的直流成分。

多倍整流电路：

倍压整流电路多用于电流小而电压较高场合，这里的多倍整流电路起到升高电压和整流的作用，一举两得。

其原理3倍压整流原理说明：

三倍压整流电路如图，在u2的第一个半周时，u2的极性是上正下负（即a端为正，b端为负），D1在正向电压作用下导通，此时电容C1充电后的电压约等于u2的最大值

U2（u2为变压器次级绕.组感应的交流电压，U2为次级交流电压有效值）。

在第二个半周，u2的极性反过来（a端为负、b端为正），D1截止、D2导通，电压U2加上C1上的

U2向电容C2充电，C2充电后的电压约为2

U2。

在第三个半周时，U2的极性又是a端为正，b端为负，D1又导通，已充电到2

U2的C2上的电压加到e、d两点使D2截止，但D3导通，于是电容C3就被充电到与C2一样高的电压2

若负载接在a、b两端，就可获得三倍压（3

U2）的直流输出电压。

每只二极管承受的最大反向电压为2

U2，电容C1、C2和C3承受的电压分别为2U2、2

U2和2

根据相同的道理，可以组成n（多）倍压整流电路。

当n为奇数时，输出电压从下端的相应两点（B、C）取出；

当n为偶数时，输出电压从上端相应两点（A、D）取出。

输出直流电压的平均值，空载时为n

U2，负载时为n×

1.2U2。

电容C1上的电压为U2，其余电容上的电压均为2

U2，每个整流元件承受的反向电压都是2

大电阻：

大电阻起到限流保护电路的作用，用陶瓷制成，耐高温，可在较高功率下使用。

三、激光器的种类介绍

实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。

在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。

下面主要介绍比较常见的激光器。

（一）固体激光器

实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。

如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。

1、固体激光器的结构介绍

当今用于固体激光器的物质主要有三种：

掺钕铝石榴石（Nd：

YAG）工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；

钕玻璃工作物质，输出波长1.06μm呈紫蓝色光；

红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。

主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。

固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成

（1）、工作物质

工作物质—激光器的核心，是由激活粒子和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。

根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统与四能级系统。

工作物质的形状目前常用的主要有四种：

圆柱形、平板形、圆盘形及管状

（2）泵浦系统

泵浦源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，二极管（LD）泵浦是目前固体激光器的发展方向。

（3）聚光系统

聚光腔的作用有两个：

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。

（4）光学谐振腔

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正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。

5）冷却与滤光系统

冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。

固体激光器工作时会产生比较严重的热效应，所以通常都要采取冷却措施。

主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保证激光器的正常使用及器材的保护。

冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。

2、典型固体激光器介绍

（1）红宝石激光器（Cr3+:

Al2O3）

红宝石是由蓝宝石（Al2O3）中掺入少量的氧化铬（Cr3O2）而形成。

红宝石激光器的工作物质是Cr3+:

Al2O3，其中，Al2O3作为基质晶体，Cr3+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。

在室温情况下，红宝石激光器一般输出694.3nm的红光。

工作物质：

Cr3+:

Al2O3，Al2O3作为基质晶体，Cr3+是发光的激活粒子

泵浦方式：

用氙灯照射

能级结构：

红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了氙灯发射的光子而被激发到E3能级。

输出波长：

694.3nm（红光）

主要用途：

波长694nm的激光能被黑色素选择性吸收，而血红蛋白对该波长几乎不吸收，调Q脉冲红宝石激光被黑色素选择性吸收的特性使其成为去除纹身最好的激光器。

与

对组织灼烧炭化的治疗机理不同，调Q脉冲高能量瞬间作用于皮损部位使色素团块被击碎成为细小的颗粒，细小的色素颗粒通过人体自身免疫系统被巨嗜细胞吞噬，从而达到治疗目的，因此红宝石治疗色素病变不会产生疤痕，是一种安全有效的治疗手段。

我国天津大学研制的TD-98型调Q红宝石激光治疗仪，激光脉冲小于30ns，输出峰值功率可达100兆瓦。

可以治疗各种色素病变，尤其是治疗纹身和胎记的效果非常好。

非调Q红宝石激光去除毛发具有良好的疗效，尤其在欧美用激光去除毛发受到重视。

1997年美国FDA已批准几种以红宝石激光为基础的系统用于去毛发应用。

Cr3+的能级结构：

注意事项：

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，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。

（2）掺钕钇铝石榴石激光器

Nd3+:

YAG激光器是迄今为止使用最为广泛的固体激光器。

在固体基质中掺入了激活粒子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。

在室温下，Nd3+:

YAG一般输出的激光波长为1.064μm。

激活粒子Nd3+

光照

输出光波：

1.064μm

1、激光元件加工:

片状，方柱，圆棒，布儒斯特角端面等，可按用户要求加工镀膜:

2、不同波长的Nd:

YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用，可以获得良好的疗效。

医用Nd:

YAG激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛，特别是治疗皮肤色素性疾病，有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点。

Nd3+:

YAG的能级结构：

结构示意图：

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

（3）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Nd3+:

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（不隔离激光束将破坏），因此需要将激光器密闭在干燥的容器之中。

其输出的波长为2.94μm。

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；

脉冲氙灯泵浦

2.94μm

Er:

YAG激光输出2．94μm的波长，正好与水吸收光谱的峰值吻合，吸收系数为13000cm-1，在现有医疗激光器中为最高。

此吸收系数对应的光学穿透深度为1μm，相比于其他医疗用激光器而言，穿透深度非常浅，因此十分适合用在眼科、血管等精密医疗领域。

此外，由于Er:

YAG激光对含水组织的破坏属于水蒸发所引起的机械损伤，不会留下灼伤疤痕，也不会存在类似准分子激光器对细胞DNA的破坏从而导致基因变异的潜在危险，因此是非常安全实用的医疗用激光光源。

YAG的能级结构：

（4）、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：

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0.8~3.9μm。

正负离子或过渡族金属离子

0.8~3.9μm

国防应用：

快速信息获取和传递目标指示/测距，激光雷达（成像），跟踪/信标，陆海空天通讯…武器精确控制激光制导，激光引信，激光干扰/光电对抗，激光硬杀伤；

天文应用：

自适应光学信标－空间探测；

能源应用：

激光惯性约束聚变（IFE）电站；

激光投影显、示大屏幕激光显示等。

（二）气体激光器

　气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器。

它们工作在很宽的波长范围，从真空紫外到远红外，既可以连续方式工作，也可以脉冲方式工作。

（1）原子气体激光器　

包括各种惰性气体激光器和各种金属蒸气激光器，如氦氖激光器和铜蒸气激光器。

其中氦氖激光器是最早研究成功的，并且仍在普遍使用。

它的工作物质是混有氦的氖。

在这种混合气体中放电，部分氦原子被激发到亚稳激发态21S或23S。

这部分氦原子与基态氖原子碰撞时，能导致能量转移激发，使氖原子处于激发能级上，从而实现氖原子的粒子数反转分布。

氖原子在谐振腔中通过受激发射过程主要发出三个波长（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。

氦氖激光器输出的激光功率只有几毫瓦到100毫瓦，效率约为0.1％。

但是，氦氖激光器具有单色性好、方向性强、使用简便、结构紧凑坚固等优点，因而在精密测量、准直和测距中得到广泛的应用。

激光器名称：

氦氖激光器

氖原子

电刺激

四能级系统

它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15μm及3.39μm红外光。

632.8nmHe-Ne激光器最大连续输出功率可达到1W，寿命也达到10Kh以上。

借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005％，十分钟内的误差为0.015％的功率稳定度；

发散角仅为0.5毫弧度。

He-Ne激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。

He-Ne激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。

在瓜果照射的应用机理，激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，农业的实际应用上取得了良好效果。

可以应用于测量、激光照排、激光治疗

He的能级结构：

工作原理介绍：

　　He-Ne激光器结构大体可分为三部分，既放电管、谐振腔和激发的电源。

现在临床上最常应用的为内腔式He-Ne激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。

在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。

这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。

因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。

这就产生了激光必须具备的基本条件。

在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。

因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。

　　He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。

放电的内管直径约2～3mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。

管内主要按5：

1～10：

1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.66～3.99Pa。

管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。

这就构成了激光放电管。

在He-Ne激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。

一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。

在其中一端反射率为100％，另一端反射率由激光器的增益而定。

放电毛细管长度约15～20cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.5％～99.5％。

谐振腔的轴线和放电毛细管He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。

把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。

通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。

医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。

大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。

（2）离子气体激光器　

在惰性气体和金属蒸气的离子的电子态能级之间建立粒子数反转，其激光波长大多在紫外和可见光区域，输出激光功率较大。

典型的离子激光器有氩离子激光器、氪离子激光器和氦镉激光器等。

应用最多的是氩离子激光器。

它可以产生多条波长的激光，其中最强的是4480埃和5145埃。

连续输出激光功率为几百毫瓦至几百瓦，效率很低，约为0.1％。

氩离子激光器

氩气（Ar+），原子序数18，电子结构式1s22s22p63s23p6

激光波长：

具有多个波长，457.9nm（8%），476.5nm（12%），488.0nm（20%），496.5nm（12%），501.7nm（5%），514.5nm（43%）（由蓝光到绿光）。

488.0nm，514.5nm（蓝绿光）

输出功率：

是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器（几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦）

高压电激

四能级

氩离子激光器可以有35条以上谱线，其中25条是波长在408.9～686.1纳米范围的可见光，10条以上是275～363.8纳米范围的紫外辐射，并以488.0纳米和514.5纳米的两条谱线为最强，连续输出功率可达100瓦。

氩离子激光器的主要应用领域包括眼疾治疗、血细胞计数、平版印刷及作为染料激光器的泵浦源。

Ar+的能级结构：

（3）分子气体激光器　

工作物质是中性分子气体，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。

波长范围很广，从真空紫外、可见光到远红外。

其中以二氧化碳激光器最为重要，其特点是效率高，大约在10％～25％范围内，可以获得很高激光功率，连续输出功率高达万瓦，脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。

这种激光器工作在以9.4微米和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。

CO2激光器

CO2

4能级结构

CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。

按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。

二氧化碳激光器分为普通低气压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和高气压连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。

这些激光器可用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。

其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可调谐的激光器，特别适用于激光通信和高分辨光谱学。

CO2激光治疗外伤性面部瘢痕

1、色素沉着的问题：

对于这个问题可以选择色素类的激光及强脉冲光来进行治疗，或者是现在较流行的点阵激光也可以（只是要注意它只是用于陈旧性的瘢痕色素的问题起作用，对新鲜瘢痕不建议使用）。

在治疗时应该根据瘢痕表面的色素的深浅（指瘢痕表面色素细胞的多少以及色素所在瘢痕的层次的深浅）、形成色素的时间长短来选择治疗参数，特别是强脉冲光的参数设置上应该选择脉宽、波长较短有利于色素细胞吸收的治疗参数，以免造成新的色素沉着，甚至新的瘢痕。

2、瘢痕表面凹凸不平的问题：

针对这个问题的解决首选应该是激光磨削。

用于激光磨削的仪器目前有新型的超脉冲CO2激光和铒激光，当然点阵激光严格来说也应该属于这一类激光，只是说相对而言它的损伤较小、恢复较快。

作用机理上新型高能超脉冲CO2激光和铒激光它们采用高峰值短脉冲技术，能使激光在整个短脉冲期保持高峰值能量，可在瞬间准确地汽化瘢痕组织，且其作用于瘢痕组织的时间短于向周围组织的热弛豫时间，因此可最大限度地减少组织热损伤这是从根本上不同于以往的普通CO2激光。

超脉冲CO2激光和铒激光对真皮的热作用还能引起真皮胶原收缩、再生和重塑，从某种角度上说激光对瘢痕的磨削治疗可以使瘢痕在创伤后会向更好的方向上发展。

3、瘢痕外伤性的问题：

这主要是见于皮肤搽伤及煤炭等异物经爆炸所形成的外伤性文身，针对这个问题主要是运用Q开关Nd:

YAG激光来治疗，病变位置比较深，病变体积较大的皮损可以配合超脉冲CO2激光及手术进行治疗。

激光治疗原理同于色素激光对太田痣等的治疗原理。

4、普通外科缝合后遗留的针眼瘢痕的问题：

可以采用激光磨削的方式就可以完全解决了针眼的问题，至于中间瘢痕的问题要看情况有没有必要手术了。

对于新鲜的伤口建议尽快进行激光治疗以及必要的NA物治疗，让针眼瘢痕消失在萌芽状态。

CO2激光器的结构：

CO2激光器与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。

分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；

二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；

三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。

分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。

CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。

分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。

根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：

①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。

②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。

由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。

③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。

在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。

CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。

其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。

加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。

氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。

CO2激光器的放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。

放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。

这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。

CO2激光器结构组成为：

①激光管：

是激光机中最关键的部件。

常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。

最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。

CO2激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。

放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。

管长的粗一点，管短的细一点。

放电管长度与输出功率成正比。

在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。

加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。

放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。

分子气体激