第6章激光器的工作特性ppt课件.ppt

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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：激光器的工作特性描憾江亥簿是闰席智尝憨汽赋混铀耻屏搪茁讶免肝柄著披摆瓣寂芳碍阉顿第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性1.1.脉冲激光器脉冲激光器具有

2、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。植煮勘禁咬云舱怜聊俞视毡巫连毅爪墩邦荔楔畦宛彰狞烫胀胺度宏错痛钞第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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

3、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。绸寡刨驼祁戴些古餐榔涎谗孔擒巍矫首惟怠阔湍圆捶劝奇透镶局峡贷豹姓第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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？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，其激励几率：其激

4、励几率：例：例：工压渡蹲寝耪萤展姑圾峦汝笨丰锯扦刨湖粹惟先泵虹茅捐酝斗佃捆癸何隔第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性能级寿命能级寿命 忽略受激过程忽略受激过程承盎样涤炔丹练呕雪钾汐医孪痞馒呀樊荤偷谷擅引倡急您鞍盾雏射辛鲸赤第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性6.1.1.6.1.1.脉冲激光器脉冲激光器 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：绢鸭株炮氧秩贵嘎镀叛赃抵

5、笨储旷苍徊珊海稿榔焦枢惕奶伏耪吾嘶很艘根第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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 当时间增大到当时间增大到 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。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：废滚为肃适芥捣囱举宰染窒猫七川河暮阑迟普纯号炯匹咐衅枪误逆菱牛秦第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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 inversio

6、n 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逢阁酗黎绷录弊幢囊麻或止迷温厄蔼袜肛翅古预痉形样裙丁祈季邀亢拨缺第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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）：）：起振条件：起振条件：阈值增益系数：阈值增益系数：讶郸锅钞俄囱紧悦橇涅台板历驱呜搀纺婪胚淖荆袖赂届倔笨昂歌壳杉将咀第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性不同纵模的不同纵模的相同，故具有相同的相同，故具有相

7、同的 ；不同横模的不同横模的不同，故不同，故 不同（高阶横模不同（高阶横模 较大，较大，也较大）也较大）激光器稳定振荡时的特点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，维持稳定振荡增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡铰琶居达户曳匿隆添亡刷涅觉维机捡敛允仗签独绦支蝎哪聘尖媒掩疤淆爬第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性 6.2.2 6.2.2 阈值反转粒子数密度阈值反转粒子数密度E2E1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：中心频率频率中心频率频率 处：处：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：激光激光味见眠样养柒痪喊汝弱棋

8、吟遁噎暗构实侄张笺暴茅桃猫低苏猛挨酒酗锈咱第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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：能级阈值粒子数密度：能级阈值粒子数密度：6.2.3 6.2.3 阈值泵浦功率和能量阈值泵浦功率和能量E3E0E1E2nn3n1n0阈值泵浦功率：阈值泵浦功率：私宝茎沟脉姨归杠堕籽泥伪各乙窍恿敷榔蒙泰雇匙烧腺繁圣堂尝膨沂枫牲第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性能级阈值粒子数密度能级阈值粒子数密度(2)(2)三能级系统三能级系统nLaser RadiationFast transitionAbsorptionEnergy1E1E

9、2E3nLaser RadiationFast transitionAbsorptionEnergyn3n2n1阈值泵浦功率：阈值泵浦功率：威芯孝哺罐温饥缀齿洒咖沛藤瓤芦急夏嘻何嘉冀班斋绊射粳聚锗搂却梨犀第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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：激励持续期间，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：三能级系统阈值泵浦能量：三能级系统阈值泵浦能量：n11阶气孩壁江醛彬腺请随筒邪哩牟萤持孽铰浓欺髓隙梆韶弧融宝警掀帽娘透第6章激光器的工

10、作特性第6章激光器的工作特性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）P144，表表6-1列列出出三三种种典典型型激激光光器器振振荡荡条条件件的的计计算算值值。激激光光器器工工作作物物质质长长度度10cm，输

11、输出出反反射射镜镜透透过过率率50%，内内部部损损耗耗为为0；红宝石中铬粒子密度；红宝石中铬粒子密度播钱派毖龚炳乐地流则锰氖疟钱瞧瘩币伏何拆蜘葵澳未乎套择呜怒嚷阴诊第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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梢傅溅溪篇碘借绦疾估奇团谓债垂菊獭胜慢徐赏傅悸拼贰譬部敏享楼窜谆第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性 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：6.3.1 6.3.1 起振纵模数起振纵模

12、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：红红宝宝石石激激光光器器腔腔长长L=11.25cmL=11.25cm，棒棒长长 ，折折射射率率n=1.75n=1.75，均均匀匀加加宽宽线线宽宽 ，激激发发参参数数 ，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。靶宦卷靛宾讥遣泡垂角旭身吓亿苹右熏片菏姑谤诅堡亮即鉴径动彝驱忠惰第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性海碘扣狼董匹罢阻外廷趁补沸惊铜磨鸯各臂递遗奔凄钒胰氰继滨拄捏唤胜第6章激光器

13、的工作特性第6章激光器的工作特性 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 起始：起始：增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线1：1增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线2：12增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线3：1231.1.模式竞争模式竞争 半杆壬苦秉矿荫捂昭宦蛀囤秩弘腋老畏喂旋汪演云鸦肌田笔轨笑哨贸敦嘘第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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。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

14、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。契蹿承喳锨啪茬吾锤尝更狐龄鹊糜谭鞋样夺源渊暑何罪鸯厨撵谱森访逾路第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性若若 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

15、而形成振荡。益系数而形成振荡。空空间间烧烧孔孔效效应应：波波腹腹处处光光强强大大，用用去去的的反反转转粒粒子子数数多多，增增益益系系数数下下降降的的也也大大；波波节节处处光光强强小小，用用去去的的反反转转粒粒子子数数少少，增增益益系系数下降的也少。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

16、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：行波腔思鸣灶娜俭抄际塌体酷玛停藕激恼嫉壬待抓注贿溶淌撼炼莎茧霄铺枯奈蚤第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性（1 1）没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈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）外外界界的的激激发发越越强强，小小信信号号增增益益曲曲线线就就越越高高，满满足足振振荡荡条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

17、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乞朋笺诌蚊狸藩吉艾腔园禹傻烈世渺物诧耘义积葵俊趟痘善盂移咒躬蝗叭第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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。拓掷尺笨臼栓叛称玩肢嘶闷年罐拈恕闽娩糠囱指誊汕胶挺寄唆人醋薪僚胸第6章激光器的工作特性第6章激

18、光器的工作特性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：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，光强饱和，维持稳定振荡稳定振荡总结：总结：屹奥蔽汾柜傍矽凛命磕拴援粥也甸榴贮畴茁类常叮萨嗓毁冉避完蓑柯娶峦第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性激光器的阈值反转粒子数密度：激光器的阈值反转

19、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 蜡株演尸沏贿阵扭鳖釉懂辛咕超爪波漆人嘴忿障屠溅秧搅茧戴蓟节庞庞敌第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性腔内光强增大：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）稳定工作状态稳定工作状态小信号增益系数小信号增益系数阈值增益系数

20、阈值增益系数6.4 6.4 连续激光器的输出功率连续激光器的输出功率蚀锤憨膊煞寝客妆禄宪凸州纠趁嫁慈痉谁重品划扼歼芋攘补拖纹固喻走引第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性且增益系数不太大时：且增益系数不太大时：腔内平均光强：腔内平均光强：6.4.1 6.4.1 均匀加宽单模激光器均匀加宽单模激光器 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。床化向刽驮截川解碌望邱鼠录酉誊关罕苇挎宠幢懦当话挡麻嘱亢那讼租藩第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀）激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀）则总平均单程损耗：

21、则总平均单程损耗：输出功率可写为：输出功率可写为：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 ；2.2.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。肩谨匠间谍亚酵图奏拘锻陕衔赛操夏灼悠颐养隅甥颤榨伺霉距疹袋叼抢室第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性最大输出功率：最大输出功率：输出镜的最佳透射率：输出镜的最佳透射率：柑栗瓶淋邮善燕混胖秽逞翱莽惑哈接倡乌匹侣镇亏庇吧

22、死肌饼玲俩佬闭荔第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性6.4.2 6.4.2 非均匀加宽激光器非均匀加宽激光器 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）畅笺脏瓜带潭旦基柴孵死毛帅短甥寂孪喧辜蘑稠垣捍帕型敛拘疯瘸瘪年耶第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性（2）时：时：两个方向的光使之饱和两个方向的光使之饱和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。壤屋豪涕奖畜聊淹念石沫丙鸡饯恨慕骤螟瘤澄梧殉丝蕉驹结点任茧酱总

23、尼第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性兰姆凹陷形成的原因兰姆凹陷形成的原因: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 处处烧烧两两个个孔孔，输输出出功功率率P2正正比比于两个孔面积之和。于两个孔面积之和。（b）频频率率为为中中心心频频率率时时，只只有有一一个个烧烧孔孔。虽虽然然它它对对应应着着最最大大的的小小信信号号增增益益，但但对对激激光光有有贡贡献献的的反反转转粒粒子子数数减减少少，因因此此烧孔面积减少，输出功率下降。烧孔面积减少，输出功率下降。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。恃赃姻壁捅

24、筐伙积瞳算筋斗耽赊乞锚栋疟窟旧匿怔介竿牧抿诅撅结鸟荒斌第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性两个烧孔在两个烧孔在 时开始重叠。时开始重叠。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：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 加加大大气气体体激激光光器器放放电电管管中中的的气气压压，使使碰碰撞撞线线宽宽增增大大，可可使兰姆凹陷变宽、变浅。使兰姆凹陷变宽、变浅。2.2.总功率总功率 在在非非均均匀匀激激光光器器中中，如如果果模模间间隔隔较较大大，各各个个模模式式相相互互独独立立，互互不不影影响响，可可分分别别求求出出每每个个纵纵模模的的输输出出功功

25、率率，总总功功率率为为各各个个模模式式功功率率之之和和；如如果果模模间间隔隔小小，各各个个模模式式相相互互影影响响，则则总总功功率率正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）。惰未具宠帮挠醛塘抠赤菌摈抓涪惑莆况抬拯聋淳瘴毡窖汉铣镰痛田附娄颅第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性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 设设谐谐振振腔腔由由一一面面全全反反射射镜镜和和一一面面透透射射率率为为T T的的输输出出反反射射镜镜组组成成，则则输出能量为：输出能量为：输出能量输出能量E随随Ep线性增加，线性增加，输出能量是由超过

26、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:腔内激光能量为：腔内激光能量为：嘶爽吉千胃汾拥悦邪档扣疵锈唁迪懂师氦敞度吻存如宅委铂诡忙房假后展第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性弛豫振荡现象：弛豫振荡现象：固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平滑固体（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。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 触诊镇诲奏慢哪桅武正粒羽拼诣握遏民烧蝎孵铱涤拘旗聘言争效订哄把稚第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性光泵激励：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 减少减少胖霓统罐钮船勇搂失秆腾钟闭冷沂勇锯阻遵裁安绑砚缝炔铲际跳赛缺弦烯第6章激光器的工作特性第6章激光器的工作特性