第6章激光器的工作特性课件.ppt

1、6.1 连续与脉冲工作方式连续与脉冲工作方式 脉冲激光器脉冲激光器 连续激光器连续激光器 Pulsed laser:PLPulsed laser:PL连续激光器连续激光器 准连续激光器准连续激光器Continuous Wave Laser:CWL Continuous Wave Laser:CWL 脉冲激光器：长脉冲、短脉冲、超短脉冲。长脉冲可视为准脉冲激光器：长脉冲、短脉冲、超短脉冲。长脉冲可视为准连续连续第六章：激光器的工作特性第六章：激光器的工作特性1.1.脉冲激光器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

2、光器：钇铝石榴石（常见脉冲激光器：钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、光器、钕玻璃激光器、氮分子激光器、准分子激光器等。氮分子激光器、准分子激光器等。2.2.连续激光器连续激光器3.3.准连续激光器准连续激光器(Quasi-continuous-wave:QCW)QCW)以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式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

3、合通信、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。泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。13()Wt13W00tt激光上能级粒子数激光上能级粒子数 随时间如何变化随时间如何变化？2n1313()0WWt 00tt 0tt 粒子数密度为粒子数密度为 的红宝石被矩形脉冲激励光照射，的红宝石被矩形脉冲激励光照射，n其激励几率：其激励几率：例：例：330,0dnndt 31133323131()dnnWn SASdt 123nnnn 3321213()n Snn W 313132321SASS 211222122121332()dnnWn WnASn Sdt 3321213()n

4、 Snn W 221211AS 能级寿命能级寿命 2E12113()11321213()1WtW nnteW 00:tt 0:tt 013 W02()220()()ttntnte 2()n t20()n t00tt忽略受激过程忽略受激过程1312131122)(nWnWdtdn 6.1.1.6.1.1.脉冲激光器脉冲激光器 02t 整个抽运期间，整个抽运期间，激光上能级粒子激光上能级粒子数随时间增长，数随时间增长，抽运结束瞬间达抽运结束瞬间达到最大值。到最大值。各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，系统处于非稳定态系统处于非稳定态结论：结论：12()W

5、t12Wt00tT0Tt2()N t20()N tt00tT0Tt0dN dt 0idn dt ，6.1.2.6.1.2.连续激光器与长脉冲激光器连续激光器与长脉冲激光器 02t 当时间增大到当时间增大到20tt 完成增长过完成增长过程而达到稳定值，程而达到稳定值，保持为常数。保持为常数。2()n t时，时，各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态结论：结论：12()Wt12Wt00t0t2()N t20()N tt020tt 2阈值增益系数阈值增益系数 gain threshold 阈值条件阈值条件阈值反转粒子数阈值反转粒子数 Population inver

6、sion threshold 阈值泵浦功率阈值泵浦功率 Pump power threshold 6.2 6.2 激光器的振荡阈值激光器的振荡阈值6.2.1 6.2.1 阈值增益系数阈值增益系数光在光在谐振腔谐振腔内往返一周后的光强（内往返一周后的光强（考虑损耗与增益考虑损耗与增益）：）：02()10G lII e 起振条件：起振条件：10II 02()0G l 0Gl 阈值增益系数：阈值增益系数：tGl 001q 00q 001q 002q 011q 01q 011q 01tg0()g 00tg不同纵模的不同纵模的 相同，故具有相同的相同，故具有相同的 ；tG不同横模的不同横模的 不同，故不

7、同，故 不同（高阶横模不同（高阶横模 较大，较大，也较大）也较大）tG tG激光器稳定振荡时的特点激光器稳定振荡时的特点？tgg 增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡zg 0g0z()I z0ImI021nnn 6.2.2 6.2.2 阈值反转粒子数密度阈值反转粒子数密度?tn E2E12n1n增益系数和反转粒子数间的关系：增益系数和反转粒子数间的关系：210()(,)gn 210210210()(,)()(,)ttlggnn 中心频率频率中心频率频率 处：处：0 2100(,)21tnl 激光器的阈值反转粒子数密度：激光器的阈值反转粒子

8、数密度：激光激光1.1.连续或长脉冲连续或长脉冲 激光器的阈值泵浦功率：激光器的阈值泵浦功率：02()t 12120nnnnn ，能级阈值粒子数密度：能级阈值粒子数密度：2E221ttnnl 6.2.3 6.2.3 阈值泵浦功率和能量阈值泵浦功率和能量1323230()SSA 2212121()ASA 12F 22tsn 2tFsn 22tnn E3E0E1E2nn3n1n0阈值泵浦功率：阈值泵浦功率：21PtPPtFsFshnVhVPl 2222tttnnnnnnnn 能级阈值粒子数密度能级阈值粒子数密度2E22tnn(2)(2)三能级系统三能级系统nLaser RadiationFast

9、transitionAbsorptionEnergy1E1E2E3nLaser RadiationFast transitionAbsorptionEnergyn3n2n1阈值泵浦功率：阈值泵浦功率：2PPtFshnVP 2.2.短脉冲短脉冲 激光器的阈值泵浦功率：激光器的阈值泵浦功率：02()t 激励持续期间，激励持续期间，2E能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响可忽略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四能级系统阈值泵浦能量：1121PtPPthnVhVEl 三能级系统阈值泵浦能量：三能级系统阈值泵浦能量：12PPthnVE 21tn 22tnn 0E1E2En3E1

10、1关于激光器阈值泵浦功率（能量）的结论：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；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）三能级系统激光器中损耗对阈值功率（能量）影响不大；影响不大；四能级系统中，阈值功率（能量）正比于损耗；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）四能级激光器的阈值能量（功率）211ptFE P144，表，表6-1列出三种典型激光器振荡条件的计算值。激光器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工作物质长度10cm，输出反射

11、镜透过率，输出反射镜透过率50%，内部损耗为，内部损耗为0；红宝石中铬粒子密度红宝石中铬粒子密度3190109.1 cmn三种典型激光器振荡条件的计算值三种典型激光器振荡条件的计算值 0()g q T tgT 振荡带宽：振荡带宽：激光器小信号增益系数中大于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阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围。对应的频率范围。起振模式数：起振模式数：1Tqq 6.3.1 6.3.1 起振纵模数起振纵模数 思考：思考：激光器中能够起振的模式数有多少激光器中能够起振的模式数有多少？6.3 6.3 激光器的振荡模式激光器的振荡模式例例6-16-1：红宝石激光器腔

12、长：红宝石激光器腔长L=11.25cmL=11.25cm，棒长，棒长 ，折射，折射率率 n=1.7 5n=1.7 5，均 匀 加 宽 线 宽，均 匀 加 宽 线 宽 ，激 发 参，激 发 参数数 ，求，求（1 1）满足阈值条件的振荡带宽；（）满足阈值条件的振荡带宽；（2 2）起振纵模数。起振纵模数。zHMHv5102 tHGvG/)(00 cml10 6.3.2 6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式均匀加宽激光器的输出模式 0 tg0()g g 1q q 1q 起始：起始：11()()()qtqtqtgggggg 增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线1：11()()()qtqqtggggg 、

13、0 tg1q q 1q 0()g 1g 增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线2：1()()qtqtgggg 0 tg1q q 0()g 12g 增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线3：()qtgg 0 tgq 0()g 12g 31.1.模式竞争模式竞争 1.1.横模间也有竞争；横模间也有竞争；2.2.横模竞争情况较复杂；横模竞争情况较复杂；3.3.可通过选模措施获得单可通过选模措施获得单横模输出。横模输出。g00tg 0 1q q 1q 0()g 01tg02tg均匀加宽激光器横模之间如何竞争均匀加宽激光器横模之间如何竞争？模式竞争：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通过

14、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。抑制下去，最后只剩下一个纵模。竞争结果是竞争结果是最靠近谱线中心频率的纵模取胜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。于谱线中心频率附件。若若 的波腹与的波腹与 的波节重合，的波节重合，则则 模式可能得到较高的增模式可能得到较高的增益系数而形成振荡。益系数而形成振荡。q q q 空间烧孔效应：空间烧孔效应：波腹处光强大，波腹处光强大，用去的反转粒子数多，增益系用去的反转粒子数多，增益系数下降的也大；波节处光强小，数

15、下降的也大；波节处光强小，用去的反转粒子数少，增益系用去的反转粒子数少，增益系数下降的也少。数下降的也少。空间烧孔引起多模振荡空间烧孔引起多模振荡LzqI zn zqI 2.2.空间烧孔空间烧孔 纵模的空间竞争：纵模的空间竞争：由于轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模由于轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡的现象。使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡的现象。气体激光器由于粒子数的空间转移，没有该现象。固体激光气体激光器由于粒子数的空间转移，没有该现象。固体激光器存在。器存在。解决办法：行波腔解决办法：行波腔（1 1）没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈

16、值增益系数没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈值增益系数的纵模都能形成稳定振荡，所以的纵模都能形成稳定振荡，所以非均匀加宽激光器通常都是多非均匀加宽激光器通常都是多纵模振荡。纵模振荡。（2 2）外界的激发越外界的激发越强，小信号增益曲线强，小信号增益曲线就越高，满足振荡条就越高，满足振荡条件的纵模个数也越多。件的纵模个数也越多。6.3.3 6.3.3 非均匀加宽激光器的输出模式非均匀加宽激光器的输出模式1.1.非均匀加宽激光器的多纵模振荡非均匀加宽激光器的多纵模振荡 u腔长较小，各纵模之间间隔较大时腔长较小，各纵模之间间隔较大时2.2.纵模在烧孔内的竞争纵模在烧孔内的竞争 腔长较大时，纵模频

17、率间隔足够小，烧孔重叠，腔长较大时，纵模频率间隔足够小，烧孔重叠，两个纵两个纵模共用同一部分反转粒子数模共用同一部分反转粒子数，所以存在模竞争。，所以存在模竞争。1.1.激光器的运转方式激光器的运转方式 脉冲激光器脉冲激光器连续激光器连续激光器 各能级粒子数及腔内光子数处于变化中，系统处于非稳定态各能级粒子数及腔内光子数处于变化中，系统处于非稳定态各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态0dN dt 0idn dt ，2.2.激光器的振荡阈值激光器的振荡阈值 阈值增益系数：阈值增益系数：tgl 增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持增益与损耗达到动态平衡，光强饱

18、和，维持稳定振荡稳定振荡tgg 总结：总结：21tnl 激光器的阈值反转粒子数密度：激光器的阈值反转粒子数密度：阈值泵浦功率和能量：阈值泵浦功率和能量：3.3.激光器的振荡模式激光器的振荡模式 思考：思考：激光器中能够起振的模式数有多少激光器中能够起振的模式数有多少？（1 1）均匀加宽激光器的纵模竞争）均匀加宽激光器的纵模竞争 空间烧孔引起多模振荡空间烧孔引起多模振荡（2 2）非均匀加宽激光器中的多纵模振荡）非均匀加宽激光器中的多纵模振荡 腔内光强增大：腔内光强增大：增益系数增益系数 下降（下降（增益饱和作用增益饱和作用）(,)qqgI 稳定工作状态稳定工作状态(,)qqtgIgl 小信号增益

19、系数小信号增益系数阈值增益系数阈值增益系数tg)(0 g10T 2TT I I 6.4 6.4 连续激光器的输出功率连续激光器的输出功率且增益系数不太大时：且增益系数不太大时：1T II 腔内平均光强：腔内平均光强：2qIIII 6.4.1 6.4.1 均匀加宽单模激光器均匀加宽单模激光器 0()(,)1()qqHqHqsqggIIlI 0()()1qHqsqglII zI I I I L0 为介质长度；为介质长度；为单程损耗；为单程损耗；激光器单纵模振荡。激光器单纵模振荡。l 0()11()122HqqsqglPATIATIATI A激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀）激光束的有效截面

20、面积（设横截面内光强均匀）则总平均单程损耗：则总平均单程损耗：2T 输出功率可写为：输出功率可写为：02()1()12HqsqglPATIT 提高激光器的输出功率的方法：提高激光器的输出功率的方法：若除输出损耗以外的其它往返损耗率为若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ，1.1.加大外界泵浦激励作用，从而增大加大外界泵浦激励作用，从而增大 ；0()HG2.2.减小谐振腔的往返净损耗减小谐振腔的往返净损耗 ；3.3.加大激光工作物质的长度加大激光工作物质的长度 和面积和面积A。l 最大输出功率：最大输出功率：201()2()2msqHqPAIgl 输出镜的最佳透射率：输出镜的最佳透射率：02()m

21、HqTgl0dPdT202()4ln 2(,)1(,)qDqqmiqsiqggIeIIgIl 2022()4 ln 21qDmsg lIIe 6.4.2 6.4.2 非均匀加宽激光器非均匀加宽激光器 0q 时，输出功率为：时，输出功率为：（1 1）只有一个方向的光使只有一个方向的光使之饱和之饱和1.1.各个模式的功率（模式间隔大，相互不影响）各个模式的功率（模式间隔大，相互不影响）（2）0q 时：时：02IIII 0(,)1qmiqsggIII 02()1msg lII 21()12msg lPATIATI 两个方向的光使之饱和两个方向的光使之饱和2022()4ln21qDmsg lPATIA

22、TIe 频率偏离中心频率越多的纵模输出功率越小。频率偏离中心频率越多的纵模输出功率越小。P3P0P2P00 3 2 1 兰姆凹陷形成的原因兰姆凹陷形成的原因:1()g 1g00 3 2 2 3 01()g 1 u兰姆凹陷兰姆凹陷（a）频率不是中心频率时）频率不是中心频率时（如（如 ），激光振荡在），激光振荡在 处烧两个孔，输出功率处烧两个孔，输出功率P2正比正比于两个孔面积之和。于两个孔面积之和。（b）频率为中心频率时，只）频率为中心频率时，只有一个烧孔。虽然它对应着最有一个烧孔。虽然它对应着最大的小信号增益，但对激光有大的小信号增益，但对激光有贡献的反转粒子数减少，因此贡献的反转粒子数减少，

23、因此烧孔面积减少，输出功率下降。烧孔面积减少，输出功率下降。2v22vv，一个孔的面积小于两个孔的面积之和。一个孔的面积小于两个孔的面积之和。两个烧孔在两个烧孔在 时开始重叠。时开始重叠。0(/2)1/HsII 兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔的宽度：兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔的宽度：1HsII 不同气压下输出功率和频率的关系不同气压下输出功率和频率的关系 加大气体激光器放电管中加大气体激光器放电管中的气压的气压，使碰撞线宽增大，可，使碰撞线宽增大，可使兰姆凹陷变宽、变浅。使兰姆凹陷变宽、变浅。2.2.总功率总功率 在非均匀激光器中，如果模间隔较大，各个模式相互独立，在非均匀激光器中，如果模间隔较大

24、，各个模式相互独立，互不影响，可分别求出每个纵模的输出功率，总功率为各个模互不影响，可分别求出每个纵模的输出功率，总功率为各个模式功率之和；如果模间隔小，各个模式相互影响，则总功率正式功率之和；如果模间隔小，各个模式相互影响，则总功率正比于总的烧孔面积（重叠部分不能重复计算）。比于总的烧孔面积（重叠部分不能重复计算）。6.5.1 6.5.1 短脉冲激光器的输出能量短脉冲激光器的输出能量 设谐振腔由一面全反射镜和一设谐振腔由一面全反射镜和一面透射率为面透射率为T T的输出反射镜组成，则的输出反射镜组成，则输出能量为：输出能量为：211()outpptpTTEEEEaTaT i i n n 输出能

25、量输出能量E随随Ep线性增加，线性增加，输出能量是由超过阈值的那部输出能量是由超过阈值的那部分能量转换而来。分能量转换而来。输出能量和光泵输入电能的关系输出能量和光泵输入电能的关系 6.5 6.5 脉冲激光器的工作特性脉冲激光器的工作特性对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为:)()(202ptPpEEhvVnn 腔内激光能量为：腔内激光能量为：)(21ptppinEEvvE 弛豫振荡现象：弛豫振荡现象：固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平滑的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。滑的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。6.5.2 6.5.2 驰豫振荡驰豫振荡固体脉冲自由运转激光器输出的尖峰脉冲固体脉冲自由运转激光器输出的尖峰脉冲 光泵激励：光泵激励：反转粒子数密度反转粒子数密度 增加增加受激辐射：受激辐射：反转粒子数密度反转粒子数密度 减少减少n n