第6章 激光器的工作特性.ppt

激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦 1. 脉冲激光器 具有较大输出峰值功率，适合于激光打标、切割、测距等. 常见脉冲激光器：钇铝石榴石（YAG） 激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、 氮分子激光器、准分子激光器等。 2. 连续激光器 3. 准连续激光器(Quasi-continuous-wave :QCW) 以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类 输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术等）的场合 泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。 激光上能级粒子数 随时间如何变化 ？ 粒子数密度为 的红宝石被矩形脉冲激励光照射， 其激励几率： 例： 能级寿命 —— 忽略受激过程 6.1.1. 脉冲激光器 整个抽运期间，激光上能级粒子数随时间增长，抽运结束瞬间达到最大值。 各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，系统处于非稳定态 结论： 6.1.2. 连续激光器与长脉冲激光器 当时间增大到 完成增长过程而达到稳定值，保持为常数。 时， 各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态 结论： 阈值增益系数 gain threshold 阈值条件 阈值反转粒子数 Population inversion threshold 阈值泵浦功率 Pump power threshold 6.2 激光器的振荡阈值 6.2.1 阈值增益系数 光在谐振腔内往返一周后的光强（考虑损耗与增益）： 起振条件： 阈值增益系数： 不同纵模的 相同，故具有相同的 ； 不同横模的 不同，故 不同（高阶横模 较大， 也较大） 激光器稳定振荡时的特点 ？ 增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡 6.2.2 阈值反转粒子数密度 E2 E1 增益系数和反转粒子数间的关系： 中心频率频率 处： 激光器的阈值反转粒子数密度： 激光 1.连续或长脉冲 激光器的阈值泵浦功率： 能级阈值粒子数密度： 6.2.3 阈值泵浦功率和能量 E3 E0 E1 E2 n n3 n1 n0 阈值泵浦功率： 能级阈值粒子数密度 (2)三能级系统 n Laser Radiation Fast transition Absorption Energy 1 E1 E2 E3 n Laser Radiation Fast transition Absorption Energy n3 n2 n1 阈值泵浦功率： 2. 短脉冲 激光器的阈值泵浦功率： 激励持续期间， 能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响可忽略 四能级系统阈值泵浦能量： 三能级系统阈值泵浦能量： n 1 1 关于激光器阈值泵浦功率（能量）的结论： （1）三能级系统所需的阈值功率（能量）比四能级大得多； （2）三能级系统激光器中损耗对阈值功率（能量） 影响不大； 四能级系统中，阈值功率（能量）正比于损耗； （3）四能级激光器的阈值能量（功率） P144，表6-1列出三种典型激光器振荡条件的计算值。激光器工作物质长度10cm，输出反射镜透过率50%，内部损耗为0；红宝石中铬粒子密度 三种典型激光器振荡条件的计算值 ——振荡带宽： 激光器小信号增益系数中大于阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围。 起振模式数： 6.3.1 起振纵模数 思考：激光器中能够起振的模式数有多少 ？ 6.3 激光器的振荡模式 例6-1：红宝石激光器腔长L=11.25cm，棒长 ，折射率n=1.75，均匀加宽线宽 ，激发参数 ，求（1）满足阈值条件的振荡带宽；（2）起振纵模数。 6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式 起始： 增益曲线下降到曲线1： 1 增益曲线下降到曲线2： 1 2 增益曲线下降到曲线3： 1 2 3 1. 模式竞争 1.横模间也有竞争； 2.横模竞争情况较复杂； 3.可通过选模措施获得单横模输出。 均匀加宽激光器横模之间如何竞争 ？ 模式竞争：通过增益饱和效应，某一模式逐渐把其它模式振荡 抑制下去，最后只剩下一个纵模。 竞争结果是最靠近谱线中心频率的纵模取胜。 理想情况下，均匀加宽稳态激光器输出模式是单纵模，位于谱线中心频率附件。 若 的波腹与 的波节重合，则 模式可能得到较高的增益系数而形成振荡。 空间烧孔效应：波腹处光强大，用去的反转粒子数多，增益系数下降的也大；波节处光强小，用去的反转粒子数少，增益系数下降的也少。 空间烧孔引起多模振荡 2. 空间烧孔 纵模的空间竞争：由于轴线方向