固體激光器基本特性課件

光電子技術(shù)(2)(激光器件)1固體激光器基本特性光電子技術(shù)(2)(激光器件)1固體激光器基本特性固體激光器1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器2固體激光器1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一固體激光器第一臺紅寶石激光器的拆卸圖3固體激光器第一臺紅寶石激光器的拆卸圖3固體激光器特點運行方式多樣：CW，PW，QCW，調(diào)Q，鎖模，高平均功率，高重復(fù)率，高單脈沖能量及高峰值功率。譜線多，達(dá)數(shù)千條，分布于可見到近紅外區(qū)，通過頻率變換技術(shù)可到紫外區(qū)系統(tǒng)簡單，制造容易，傳輸靈活，可接光纖結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用，價格適宜4固體激光器特點運行方式多樣：CW，PW，QCW，調(diào)Q，鎖模，1.固體激光器基本特性1.固體激光器基本特性1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換1.2固體激光器的閾值1.3輸出能量（功率）、效率和最佳透過率1.4輸出穩(wěn)定性、光譜特性、偏振特性和方向性51.固體激光器基本特性1.固體激光器基本特性51.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換激光器組成61.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換激光器組成6固體激光器基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)泵浦源聚光腔諧振腔冷卻與濾光7固體激光器基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)7固體激光器的能量轉(zhuǎn)換8固體激光器的能量轉(zhuǎn)換8A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能級A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能級A31A30量子效率優(yōu)質(zhì)紅寶石:0.7普通紅寶石:0.5釹玻璃:0.4YAG:~19A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)斯托克斯損失或斯托克斯比A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能級A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能級A31A3010斯托克斯損失或斯托克斯比A21B12B21E2S32輸出耦合系數(shù)11輸出耦合系數(shù)111.2固體激光器的閾值黑體輻射121.2固體激光器的閾值黑體輻射12黑體輻射13黑體輻射13波耳茲曼分布E2E1A21B21B1214波耳茲曼分布E2E1A21B21B1214波耳茲曼分布能級簡并：15波耳茲曼分布能級簡并：15愛因斯坦系數(shù)E2E1A21B21B1216愛因斯坦系數(shù)E2E1A21B21B1216愛因斯坦系數(shù)17愛因斯坦系數(shù)17固體激光器的損耗透射損耗(T)工作物質(zhì)的吸收，散射（αi）其它元件的反射、吸收、散射及衍射損耗（αa）損耗系數(shù)α=αi+αa

18固體激光器的損耗18固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%總往返損耗率：無透射損耗率：19固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%總往返損耗率：無固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%//對于某些情況，Tβ可忽略20固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%//對于某些情況固體激光器的閾值I0工作物質(zhì)I’lR100%閾值條件：21固體激光器的閾值I0工作物質(zhì)I’lR100%閾值條件：21固體激光器閾值22固體激光器閾值22固體激光器閾值紅寶石Nd3+:YAGNd3+:Glass2.5E-20cm227~88E-20cm23E-20cm2受激輻射截面23固體激光器閾值紅寶石Nd3+:YAGNd3+:Glass2.固體激光器閾值24固體激光器閾值24三能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W13E3A31S32>>W13,n3=0n1+n2=ntotΔn=n2-n1(g2/g1)25三能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W13三能級系統(tǒng)閾值26三能級系統(tǒng)閾值26四能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W03E3E0A30調(diào)Q狀態(tài)不成立27四能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W03脈沖泵浦的閾值能量若泵浦期間的自發(fā)輻射可以忽略28脈沖泵浦的閾值能量若泵浦期間的自發(fā)輻射可以忽略28連續(xù)器件的閾值功率單位時間內(nèi)泵浦到E2上的粒子數(shù)密度單位時間內(nèi)損耗的粒子數(shù)密度29連續(xù)器件的閾值功率單位時間內(nèi)泵浦單位時間內(nèi)損耗的粒子數(shù)密度2三種工作物質(zhì)的閾值比較工作物質(zhì)尺寸：Φ6mm×100mm，損耗系數(shù)α＝0.01，輸出鏡透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2參數(shù)紅寶石Nd3＋：YAGNd3+:Glassσ21（cm2）νp（S－1）ntot(cm-3)η0Δnth(cm-3)n2th(cm-3)Eth(J)2.5×10－206.25×10141.58×10190.71.79×10188.8×101818450×10－204×10141.38×102018.9×10168.9×10160.833×10－204×10142.85×10200.51.49×10181.49×10182830三種工作物質(zhì)的閾值比較工作物質(zhì)尺寸：Φ6mm×100mm，損影響閾值的因素工作物質(zhì)的種類三能級閾值高于四能級閾值損耗系數(shù)α對三能級系統(tǒng)影響小對四能級系統(tǒng)影響顯著。質(zhì)量好的工作介質(zhì)和精心調(diào)節(jié)諧振腔可減小αηLηcηab提高發(fā)光效率提高聚光器效率提高光譜匹配效率輸出鏡反射率R增大R可減小閾值31影響閾值的因素工作物質(zhì)的種類31綜合泵浦系數(shù)工作物質(zhì)橫截面面積對于四能級系統(tǒng)32綜合泵浦系數(shù)工作物質(zhì)橫截面面積對于四能級系統(tǒng)321.3輸出能量（功率）、效率和最佳透過率輸出能量331.3輸出能量（功率）、效率和最佳透過率輸出能量33輸出功率34輸出功率34斜（率）效率35斜（率）效率35斜（率）效率36斜（率）效率363737總效率38總效率38最佳透過率當(dāng)輸入不變時，能得到最大輸出的輸出鏡透過率稱為最佳透過率(Topt)，對應(yīng)的最佳反射率用Ropt表示。四能級系統(tǒng)39最佳透過率當(dāng)輸入不變時，能得到最大輸出的輸出鏡透過率稱為最佳最佳透過率40最佳透過率40最佳透過率41最佳透過率41透過率選擇輸出能量(功率)高，透過率高。為防止腔內(nèi)元件損壞，易采用高透過率。依據(jù)經(jīng)驗用實驗方法確定透過率連續(xù)YAG：5～10％脈沖YAG：60～80％脈沖釹玻璃：50~60%脈沖紅寶石：40～60％依據(jù)最佳透過率公式T<<1，2αl<<1，有解析公式（三能級公式可參考“激光器件”）T較大，或2αl不遠(yuǎn)小于1時，無法得到解析解42透過率選擇輸出能量(功率)高，透過率高。421.4輸出穩(wěn)定性、光譜特性、偏振特性和方向性輸出穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性工作物質(zhì)劣化泵源老化聚光器污染諧振腔失調(diào)短期穩(wěn)定性電源不穩(wěn)燈觸發(fā)強(qiáng)度變化閾值附近工作外部光學(xué)元件反饋激光棒熱效應(yīng)高頻起伏馳豫振蕩431.4輸出穩(wěn)定性、光譜特性、偏振特性和方向性輸出穩(wěn)定性43光譜特性多縱模工作空間空穴效應(yīng)高增益多模利用充分利用了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有利于鎖模高注入，高輸出伴隨激光線寬增加44光譜特性多縱模工作44激光束方向性衍射極限倍數(shù)因子M245激光束方向性衍射極限倍數(shù)因子M245影響激光方向性因素高增益帶來的高階離軸模振蕩固體工作物質(zhì)雜質(zhì)，應(yīng)力，激活離子分布不均等缺陷引起的散射和折射光泵浦不均勻?qū)е路崔D(zhuǎn)粒子數(shù)不均勻，引起折射率不均勻熱透鏡的會聚作用使發(fā)散角增大諧振腔的調(diào)整精度46影響激光方向性因素高增益帶來的高階離軸模振蕩46激光的偏振特性偏振性主要取決于工作物質(zhì)各向同性介質(zhì)在應(yīng)力及熱效應(yīng)作用下導(dǎo)致應(yīng)力雙折射，激光輸出具有部分偏振特性。在諧振腔中有偏振元件，激光輸出也會具有偏振性47激光的偏振特性偏振性主要取決于工作物質(zhì)47光電子技術(shù)(2)(激光器件)1固體激光器基本特性光電子技術(shù)(2)(激光器件)1固體激光器基本特性固體激光器1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器49固體激光器1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一固體激光器第一臺紅寶石激光器的拆卸圖50固體激光器第一臺紅寶石激光器的拆卸圖3固體激光器特點運行方式多樣：CW，PW，QCW，調(diào)Q，鎖模，高平均功率，高重復(fù)率，高單脈沖能量及高峰值功率。譜線多，達(dá)數(shù)千條，分布于可見到近紅外區(qū)，通過頻率變換技術(shù)可到紫外區(qū)系統(tǒng)簡單，制造容易，傳輸靈活，可接光纖結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用，價格適宜51固體激光器特點運行方式多樣：CW，PW，QCW，調(diào)Q，鎖模，1.固體激光器基本特性1.固體激光器基本特性1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換1.2固體激光器的閾值1.3輸出能量（功率）、效率和最佳透過率1.4輸出穩(wěn)定性、光譜特性、偏振特性和方向性521.固體激光器基本特性1.固體激光器基本特性51.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換激光器組成531.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換激光器組成6固體激光器基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)泵浦源聚光腔諧振腔冷卻與濾光54固體激光器基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)7固體激光器的能量轉(zhuǎn)換55固體激光器的能量轉(zhuǎn)換8A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能級A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能級A31A30量子效率優(yōu)質(zhì)紅寶石:0.7普通紅寶石:0.5釹玻璃:0.4YAG:~156A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)斯托克斯損失或斯托克斯比A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能級A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能級A31A3057斯托克斯損失或斯托克斯比A21B12B21E2S32輸出耦合系數(shù)58輸出耦合系數(shù)111.2固體激光器的閾值黑體輻射591.2固體激光器的閾值黑體輻射12黑體輻射60黑體輻射13波耳茲曼分布E2E1A21B21B1261波耳茲曼分布E2E1A21B21B1214波耳茲曼分布能級簡并：62波耳茲曼分布能級簡并：15愛因斯坦系數(shù)E2E1A21B21B1263愛因斯坦系數(shù)E2E1A21B21B1216愛因斯坦系數(shù)64愛因斯坦系數(shù)17固體激光器的損耗透射損耗(T)工作物質(zhì)的吸收，散射（αi）其它元件的反射、吸收、散射及衍射損耗（αa）損耗系數(shù)α=αi+αa

65固體激光器的損耗18固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%總往返損耗率：無透射損耗率：66固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%總往返損耗率：無固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%//對于某些情況，Tβ可忽略67固體激光器的損耗I0工作物質(zhì)I’lR100%//對于某些情況固體激光器的閾值I0工作物質(zhì)I’lR100%閾值條件：68固體激光器的閾值I0工作物質(zhì)I’lR100%閾值條件：21固體激光器閾值69固體激光器閾值22固體激光器閾值紅寶石Nd3+:YAGNd3+:Glass2.5E-20cm227~88E-20cm23E-20cm2受激輻射截面70固體激光器閾值紅寶石Nd3+:YAGNd3+:Glass2.固體激光器閾值71固體激光器閾值24三能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W13E3A31S32>>W13,n3=0n1+n2=ntotΔn=n2-n1(g2/g1)72三能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W13三能級系統(tǒng)閾值73三能級系統(tǒng)閾值26四能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W03E3E0A30調(diào)Q狀態(tài)不成立74四能級系統(tǒng)閾值A(chǔ)21B12B21E2S32E1W03脈沖泵浦的閾值能量若泵浦期間的自發(fā)輻射可以忽略75脈沖泵浦的閾值能量若泵浦期間的自發(fā)輻射可以忽略28連續(xù)器件的閾值功率單位時間內(nèi)泵浦到E2上的粒子數(shù)密度單位時間內(nèi)損耗的粒子數(shù)密度76連續(xù)器件的閾值功率單位時間內(nèi)泵浦單位時間內(nèi)損耗的粒子數(shù)密度2三種工作物質(zhì)的閾值比較工作物質(zhì)尺寸：Φ6mm×100mm，損耗系數(shù)α＝0.01，輸出鏡透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2參數(shù)紅寶石Nd3＋：YAGNd3+:Glassσ21（cm2）νp（S－1）ntot(cm-3)η0Δnth(cm-3)n2th(cm-3)Eth(J)2.5×10－206.25×10141.58×10190.71.79×10188.8×101818450×10－204×10141.38×102018.9×10168.9×10160.833×10－204×10142.85×10200.51.49×10181.49×10182877三種工作物質(zhì)的閾值比較工作物質(zhì)尺寸：Φ6mm×100mm，損影響閾值的因素工作物質(zhì)的種類三能級閾值高于四能級閾值損耗系數(shù)α對三能級系統(tǒng)影響小對四能級系統(tǒng)影響顯著。質(zhì)量好的工作介質(zhì)和精心調(diào)節(jié)諧振腔可減小αηLηcηab提高發(fā)光效率提高聚光器效率提高光譜匹配效率輸出鏡反射率R增大R可減小閾值78影響閾值的因素工作物質(zhì)的種類31綜合泵浦系數(shù)工作物質(zhì)橫截面面積對于四能級系統(tǒng)79綜合泵浦系數(shù)工作物質(zhì)橫截面面積對于四能級系統(tǒng)321.3輸出能量（功率）、效率和最佳透過率輸出能量801.3輸出能量（功率）、效率和最佳透過率輸出能量33輸出功率81輸出功率34斜（率）效率82斜（率）效率35斜（率）效率83斜（率）效率368437總效率85總效率38最佳透過率當(dāng)輸入不變時，能得到最大輸出的輸出鏡透過率稱為最佳透過率(Topt)，對應(yīng)的最佳反射率用Ropt表示。四能級系統(tǒng)86最佳透過率當(dāng)輸入不變時，能得到最大輸出的輸出鏡透過率稱為最佳最佳透過率87最佳透過率40最佳