脉冲固体激光器特性参数测量课件
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6-1 固体激光器特性
实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究固体激光器是指以某些晶体或特种玻璃为工作物质的激光器。
目前，世界上找到的能产生激光的固体物质有几十种，但应用比较成熟的只有钇铝石榴石（YAG：Nd3+）红宝石、钕玻璃等。
固体激光器有连续和脉冲两种工作方式。
连续激光器能长时间持续输出稳定的激光，功率从几毫瓦到几百瓦，脉冲激光器又可分为单脉冲激光器及重复频率激光器。
前者几秒钟发射一个脉冲，后者一秒钟发射几个到几十个脉冲，激光持续时间为毫秒级，功率为千瓦级。
在脉冲激光器上加一个调Q装置就成为巨脉冲激光器，它可以使激光脉冲缩短到纳秒（10-9s）数量级，从而大大提高了脉冲功率（兆瓦数量级）。
近年来出现的锁模技术的激光器——锁模激光器，其激光脉冲为皮秒（10-12s），甚至达到飞秒（10-15s）数量级，脉冲功率有很大增加。
固体激光器能输出连续激光或功率高的激光脉冲，从而产生用通常方法难以达到的局部超高温、超高压，因而应用越来越广泛。
在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。
在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。
以固体激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上。
科学研究上常用固体激光器作为强光源实现动态全息摄影。
大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，前景十分广阔。
激光技术的飞速发展和广泛应用使得激光已成为高校中越来越多的学科、专业学习和研究的重要课题。
激光器的结构、工作原理，激光的形成条件及其性能和基本参数的检验与测定是非常必要的。
【实验目的】1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。
2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。
3、测定激光器输出光束的发散角。
【实验原理】（一）固体激光器的基本结构和工作原理激光，其英文为Laser，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation，全名译为辐射的受激发光放大。
最新第5章固体激光器ppt课件
在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这
时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半 导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带 上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果 我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可 跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半 导体。
长 的 时 间 隧 道，袅
第5章固体激光器
工作物质 物理过程 激光谱线
泵浦源 泵浦特点
优缺点
输出特性 特点
固体激光器
红宝石激光器
Al2O3＋Cr2O3；Cr3＋决定光谱性能 三能级系统
0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占优 势
脉冲氙灯
YAG激光器
Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3 ＋决定光谱性能
⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级。 (图f ); 两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。
4.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带
(图a—e )中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被 电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。
一实用的固体工作物质
大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米 转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比)
总体效率大概为0.5%-1%
1%-3%
输出能量大；峰值功率高；
5.1.4 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器 ➢高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。 ➢从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提 出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
小型脉冲固体激光器输出特性的实验研究
ｉ ｐ ｔｅ ｅ ｇ ｓｔ ｅ ｍｏ ｔｉ ｏ ｔ ｎ ｆｕ ｎ ｉ ｇ ｆ ｃ ｏ ｏ ｏ ｔ ｕ ｎ ｒ ｙ ｎ ｕ ｎ ｒ ｙ ｗａ ｈ ｓ ｍｐ ｒ ａ ｔｉ ｌ ｅ ｃｎ ａ ｔ ｒｔ ｕ ｐ ｔｅ ｅ ｇ ．Ｔｈ ｒ ｒ ｐ ｉ ｍ ｎ ｅ ｅ ｗｅ ｅ ｏ ｔｍｕ
＊
韩 玉 东 ， 张 方 唐 锐 陈 烁 。 ， ，
（ ． 械 工 程 学 院 光 学 与 电子 工 程 系 ， 北 石 家 庄 １军 河 ２ 中 国人 民解 放 军 ６８ ０部 队 ， ． ３５ 吉林 白城 ３ 中 国人 民解 放 军 ７４ ５ 队 ， 东 济 南 ． ２６ 部 山 ００ ０ ； ５ ０ ３ １７０ ； ３０ １ ２０２） ５ ０ ２
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏ ｔ ｔｃ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｆ ｐ ｒ ｍ ｎｔ ｌｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｕ ｐｕ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ｏ ｍ ｉ ｉ ｔ ｒ ｌｅ ｏ ｉ － ｔ ｔ ｄ ｌ ｓ ｒ ｎ ａ ｕ ｅ ｐｕ ｓ ｄ ｓ ｌｄ ｓ ａ ｅ ａ ｅ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ ａ ｅ ｅ ｈｎ ｏ ｄ ：ｌ ｓ ｒ ｔ ｃ ｏｌ ｇｙ；ｐ ｓ ｄ ｓ ｌｄ ｓ ａｔ ｄ ｌ ｓ ｒ ｕｌ ｅ ｏ ｉ — ｔ ｅ ａ ｅ ；ｏｕ ｐｕ ｈ ａ ｔ ｒ ｓ ｉｓ ｔ ｔｃ ａｒ ｃ ｅ ｉｔｃ
引 言
掺 钕钇 铝石 榴石 （ 以下 简称 Ｎｄ ＹＡＧ） 光 器 是 最 常用 的一 类 固体 激光 器 ， ： ： 激 Ｎｄ ＹＡＧ 基 质 为 钇 铝 石 榴石 晶体 Ｙ Ａ１ 其激 活 离子 为三 价钕 离 子 Ｎｄ ， 应用 于激 光 辐射 的第 一种 三价 稀 土 离子 ， 具 有 。 ｏ 是 其
ｌ ｎｇ ｈ ｏ ａ ｔ ｅ ｏ ｔ ｒａ ｔｍｕｍ ｒ ｎ ｍ ｉｔ ｎｃ ｓ ｏ ｕｔ ｕｔｍｉｒ ｅ ｔ ｆｃ ｖｉｙ ｒ ｓ ｎａ ｏ ｎｄ ｏｐ ｉ ｔ ａ ｓ ｔａ ｅ ｆｏ ｐ ｒ ｏｒｗｈｅ ｎｐｕ ｎ ｒ ｓ ｎｉ ｔｅ ｅ ｇｙ ｗａ
新激光ppt课件第八章 调Q技术与锁模技术
nL tc
式中tc
nL
c
为光子在腔内的寿命
d (G c 1 )
dt
n tc
d (G c 1 )
dt
n tc
当增益=损耗时，即为阈值条件
令 t tc
Gt
n ct c
则 d d (tcG n c1) (G G t 1)
GN
d
d
dN
N (
Nt 2
1) N
d
Nt
2.速率方程的解
1.工作物质储能调Q(PRM) 也叫脉冲反射式调Q.它是将能量以激活离子的
形式储存在工作物质中,能量储存的时间取决于激 光上能级的寿命.
(1).工作过程
(2).Q脉冲形成的三个时刻 (3).特点
Hale Waihona Puke 2.谐振腔储能调Q(PTM) 也叫脉冲透射式调Q.它是将能量以光子的
形式储存在谐振腔中,当腔内光子数密度达到最大 值时瞬间将腔内能量全部输出，因而也叫腔倒空法。
和选择合适的谐振腔，以降低Nt.
六、调Q方法
1. 电光调Q
电光调Q装置如图， 激光腔中插入起偏振片 及作为Q开关的KD*P晶 体。
原理:
电光调Q装置示意图
电光调Q激光器如图。未加电场前晶 体的折射率主轴为x、y、z。沿晶体光轴 方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应, 主轴变为 x 、y 、z 。令光束沿z轴方向传 播,经偏振器后变为平行于Z轴的线偏振光, 入射到晶体表面时分解为等幅的 x 和 y 方 向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折 射率 X 和 y 。经过晶体长度d距离后,二 偏振分量产生了相位差δ
由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而 使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若 这时突然撤除超声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损 耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。
第6章激光器的工作特性课件
固体脉冲自由运转激光器输出的尖峰脉冲 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 的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。
光泵激励： 反转粒子数密度
受激辐射： 反转粒子数密度
增加 减少
——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：
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 1. 模式竞争
2. 激光器的振荡阈值
阈值增益系数：
增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持 稳定振荡
激光器的阈值反转粒子数密度： 阈值泵浦功率和能量： 3. 激光器的振荡模式 思考：激光器中能够起振的模式数有多少 ？ 1 均匀加宽激光器的纵模竞争
空间烧孔引起多模振荡
2 非均匀加宽激光器中的多纵模振荡
6.4 连续激光器的输出功率
小信号增益系数
阈值增益系数
腔内光强增大：
增益系数
下降（增益饱和作用）
稳定工作状态
6.4.1 均匀加宽单模激光器
且增益系数不太大时： 腔内平均光强：
为介质长度； 为单程损耗； 激光器单纵模振荡。
——激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀） 若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ， 则总平均单程损耗：
n2
Laser Radiation
Absorption
1E1
n1
n
阈值泵浦功率：
能级阈值粒子数密度
2. 短脉冲
激光器的阈值泵浦功率：
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。
光泵激励： 反转粒子数密度
受激辐射： 反转粒子数密度
增加 减少
——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：
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 1. 模式竞争
2. 激光器的振荡阈值
阈值增益系数：
增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持 稳定振荡
激光器的阈值反转粒子数密度： 阈值泵浦功率和能量： 3. 激光器的振荡模式 思考：激光器中能够起振的模式数有多少 ？ 1 均匀加宽激光器的纵模竞争
空间烧孔引起多模振荡
2 非均匀加宽激光器中的多纵模振荡
6.4 连续激光器的输出功率
小信号增益系数
阈值增益系数
腔内光强增大：
增益系数
下降（增益饱和作用）
稳定工作状态
6.4.1 均匀加宽单模激光器
且增益系数不太大时： 腔内平均光强：
为介质长度； 为单程损耗； 激光器单纵模振荡。
——激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀） 若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ， 则总平均单程损耗：
n2
Laser Radiation
Absorption
1E1
n1
n
阈值泵浦功率：
能级阈值粒子数密度
2. 短脉冲
激光器的阈值泵浦功率：
激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质
8 2ν2t复合
f
νGGf (νν)a内8cν221Lf2νlnν2erd1rJ2
J阈
a内
21Llnr1r2
8
22ed
c2
5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
5.2.3 Ar+离子激光器
1. Ar＋激光器的结构
➢Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
2. Ar＋激光器的激发机理
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 ➢Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
➢图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激 光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。
➢He-Ne激光器是 典型的四能级系 统，其激光谱线 主要有三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器 ➢红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3) 生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)， 如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能 级模型
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-26) PN能带
➢在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级E
F
和E
F
，称为准费米能
级，如图(5-27)。
图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构
f
νGGf (νν)a内8cν221Lf2νlnν2erd1rJ2
J阈
a内
21Llnr1r2
8
22ed
c2
5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
5.2.3 Ar+离子激光器
1. Ar＋激光器的结构
➢Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
2. Ar＋激光器的激发机理
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 ➢Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
➢图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激 光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。
➢He-Ne激光器是 典型的四能级系 统，其激光谱线 主要有三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器 ➢红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3) 生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)， 如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能 级模型
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-26) PN能带
➢在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级E
F
和E
F
，称为准费米能
级，如图(5-27)。
图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构
第二篇 固体激光器-第一讲
哈工大光电子信息科学与技术系
Page: 12
§1.3 固体工作物质
固 体 激 光 器
1. 稀土离子 • 铥（Tm3＋） 铥（Tm
• 与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输 Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输 出。 • 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 • 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 • 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输 出
• 液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。 液氮冷却的作用下，CaF
哈工大光电子信息科学与技术系
Page: 13
§1.3 固体工作物质
固 体 激 光 器
2. 锕系离子
– 掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。 0.05%铀（U）的CaF 成功用于激光器，输出2.6um。
固 体 激 光 器
1. 稀土离子
• 钕（Nd3＋） 钕（Nd
• 实现了100多种基质中获得受激发射 实现了100多种基质中获得受激发射 • 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射 0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射
• 铒（Er3＋） 铒（Er
优质红宝石可达0.7，普通 优质红宝石可达0.7，普通 红宝石0.5，钕玻璃0.4， 红宝石0.5，钕玻璃0.4， Nd:YAG接近1 Nd:YAG接近1
A21 η2 = A21 + S21
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§1.3 固体工作物质
固 体 激 光 器
1. 稀土离子 • 铥（Tm3＋） 铥（Tm
• 与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输 Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输 出。 • 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 • 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 • 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输 出
• 液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。 液氮冷却的作用下，CaF
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§1.3 固体工作物质
固 体 激 光 器
2. 锕系离子
– 掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。 0.05%铀（U）的CaF 成功用于激光器，输出2.6um。
固 体 激 光 器
1. 稀土离子
• 钕（Nd3＋） 钕（Nd
• 实现了100多种基质中获得受激发射 实现了100多种基质中获得受激发射 • 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射 0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射
• 铒（Er3＋） 铒（Er
优质红宝石可达0.7，普通 优质红宝石可达0.7，普通 红宝石0.5，钕玻璃0.4， 红宝石0.5，钕玻璃0.4， Nd:YAG接近1 Nd:YAG接近1
A21 η2 = A21 + S21
激光原理与应用讲-第五章资料
➢YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如 图(5-5)所示，属于四能级系统。
➢YAG 激光器的两条荧光谱线中心波长分别 为1.35μm和1.06 μm ， 后者强度约为前者的 4倍，因此激光输出为1.064 μm 。
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
5.1.4 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器 ➢半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比主要优点包括： 能量转换效率高、产生的无功热量小、寿命长、结构简单、使用方便等。 ➢半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7) 所示。
➢其激光谱线主要有三条 : 3S2P 632.8nm 2S2P 1.15m 3S3P 3.39m
➢其他谱线还包括黄光和橙光。
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
He-Ne 激光管的工作原理
由于电子的碰撞,He被激发(到 23S和21S能级)的概率比 Ne 原子 被激发的概率大。
He 的23S，21S这两个能级都是亚稳态，集聚了较多的原子。由于Ne 的 5S 和 4S与 He的 21S和 23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非 常容易产生能量的“共振转移”；He 把能量传递给Ne而回到基态，而 Ne则被激发到 5S 或 4S态。
图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) ➢工作物质：将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而 成的，呈淡紫色；它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，吸收光谱如图(5-4)所示。
图(5-4) Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
1. He-Ne激光器的结构 ➢ He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。
固体激光器ppt课件
§5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
一、固体激光器的基本结构
1. 激光工作物质 2. 泵浦系统 3. 谐振腔 4. 冷却系统 5. 滤光系统
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)
固体激光器的基本结构
激光二极管端面泵浦固体激光器结构示意图 激光二极管侧面泵浦固体激光器结构示意图
5.1.4 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器 ➢半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所 示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
优点：模式匹配好， 阈值低，效率高 光束质量好
优点：可获得大功率输出
5.1.4 新型固体激光器
§5.1 固体激光器
固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的 激光器。
固体激光器主要特点： ① 运行方式多样。可在连续、脉冲、调Q及锁模下运行，获得
高平均功率、高重复频率、高单脉冲能量和高峰值功率； ② 能实现激光运转的固体工作物质多达数百种，激光谱线数千
条，多工作于可见光及红外光区，通过频率变换技术可到紫 外区； ③ 固体激光器系统简单，工作容易，传输灵活，可接光纤； ④ 结构紧凑，牢固耐用，价格低廉，应用前景广泛。 固体激光器应用： 目前固体激光器在激光应用中占有极其重要的地位，可用于 材料加工、激光测距、激光光谱学、激光医疗、激光化工、 激光分离同位素及激光核聚变等。
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
❖ 吸收特性与光的偏振状态有关（各向异性图(5导-3)致红宝）石中铬离子的能级结构 ❖ 红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带：
固体激光器综合实验资料
实验一固体激光器综合实验一. 主要功能和特点此套系统适用于光信息科学与技术、电子科学与技术、应用物理等相关专业。
可测量阈值、转换效率，倍频效率等参量，开设电光调Q ，选模等实验。
使学生全面了解激光原理和激光技术，掌握电光调Q 系统的调试方法。
电光调Q 固体脉冲激光器外罩机壳，整体美观大方，并可保护内部装置。
系统结构紧凑，采用内置三角导轨，具有良好的稳定性。
所有器件均采用标准件，互换性强，并且都可以拆卸，便于学生动手装调。
本装置的准直光源采用650nmLD 代替传统的He-Ne 激光器，具有体积小、使用安全、调节方便、光强可调等优点。
本装置采用脉冲氙灯泵浦Nd 3+:YAG 输出1064nm 激光，经倍频后可以输出532nm 激光。
采用P KD *电光晶体进行电光调Q ，可实现ns 级脉宽激光的输出。
二: 实验原理（一）: 激光原理简介 1：激光原理（1）自发辐射根据已知的理论，原子只能存在分立的能态，处在不同能态的原子具有不同的能量。
若原子处于内部能量最低的能量状态，称此原子处于基态，其它比基态能量高的状态，都叫做激发态。
在热平衡时，材料中处于下能态的原子数远比上能态的多，电磁波与其发生作用，能使原子从低能级上升到高能级。
这种原子在两个能级之间的变化叫做跃迁。
可以说，处于基态的原子，从外界吸收能量以后，将跃迁到能量较高的激发态。
在高能态上的原子是不稳定的，它总是力图使自己处于最低的能量状态；即使在没有任何外界作用的情况下，它也有可能从高能态2E 跃迁到低能态并把相应的能量释放出来。
这种在没有外界作用的情况下，原子从高能态向低能态的跃迁方式有两种：一种是在跃迁过程中，释放的能量以热量的形式放出，这称为无辐射跃迁；另一种跃迁过程中，释放出的能量是通过光辐射的形式放出，这称为自发辐射跃迁。
辐射的光子能量满足波尔关系：γh E E 12=- 1 （1.1）图2.1 自发辐射图2.2 受激吸收图2.3受激辐射原子自发辐射的特点是原子的自发辐射几率A21只与原子本身性质有关，与外界辐射场无关。
脉冲激光器分析ppt课件
7.1.1.Q调制激光器基本原理
图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。
在 t<0 时，损耗为 H ，腔内光子寿命为 H，相应的阈值为
711-3
第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
4
激光原理 陈历学 2011年2月
7.1.1.Q调制激光器基本原理
图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。 在 t<0 时，损耗为 H ，腔内 光子寿命为 H，相应的阈值为
如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。
由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值 功率较低，一般为几十千瓦数量级。
增大输入能量时，只能使尖峰脉冲的数目增多，而不能有效地提 高峰值功率水平。同时，激光输出的时间特性也很差。
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第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
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激光原理 陈历学 2011年2月
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第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
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激光原理 陈历学 2011年2月
7.1.2. 调Q激光器的峰值功率
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第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
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激光原理 陈历学 2011年2月
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第七章 脉冲激光理论
1 Q调制原理 .2. 调Q激光器的峰值功率； 3. 巨脉冲的能量； 7.1.4. 巨脉冲的时间特性
7.2 Q-调制技术
1 电光调Q技术； 2.声光调Q技术；3.被动调Q技术; 4.腔倒空技术
7.3 激光器锁模技术
1 激光锁模原理; 2. 振幅调制主动锁模; 3. 相位调制主动锁模; 4.均匀加宽激光器主动锁模自洽 理论; 5. 被动锁模
脉冲固体激光器静态特性及染料调q技术
应用价值。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
染料调Q技术的原理与应用
原理
染料调Q技术是一种通过调节染料激光器的腔内损耗来实现激光脉冲输出的技 术。通过快速恢复腔内的损耗，可以获得窄脉宽、高峰值的激光脉冲。
应用
在科学研究、光谱学、生物医学、光通信等领域有广泛应用，特别是在超快光 学和飞秒激光加工领域中具有重要价值。
02 脉冲固体激光器的静态特 性
激光光谱学
脉冲固体激光器的高亮度、高单色性和高相干性使其成为激 光光谱学研究的理想光源，可用于分析物质的结构和组成。
非线性光学
脉冲固体激光器能够提供高功率、短脉冲的光源，可用于研 究非线性光学现象，如光学倍频、光学参量放大等。
在工业生产中的应用
激光加工
脉冲固体激光器可用于激光切割、激 光焊接、激光打标等工业加工领域， 具有高精度、高效率和高可靠性的优 点。
激光雷达
脉冲固体激光器可用于激光雷达测距、 测速和成像，具有抗干扰能力强、测 量精度高的优点。
在医疗领域的应用
激光治疗
脉冲固体激光器可用于治疗各种皮肤疾病，如雀斑、黄褐斑等，还可用于治疗血管性疾病和肿瘤。
激光美容
脉冲固体激光器可用于改善皮肤质地、减少皱纹和美白等美容项目，具有无创、无痛、无副作用的优 点。
在激光加工领域，染料调Q技术可以 实现高精度、高效率的打标、切割和 焊接等操作。
在激光光谱学领域，染料调Q技术可 用于研究物质与光相互作用的规律， 以及痕量元素的分析和检测。
04 脉冲固体激光器的性能优 化
提高激光器效率的方法
优化光学谐振腔设计
通过改进谐振腔的结构和参数，提高光在谐振腔内的反射 和传输效率，从而提高激光器的输出功率和转化效率。
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染料调Q技术的原理与应用
原理
染料调Q技术是一种通过调节染料激光器的腔内损耗来实现激光脉冲输出的技 术。通过快速恢复腔内的损耗，可以获得窄脉宽、高峰值的激光脉冲。
应用
在科学研究、光谱学、生物医学、光通信等领域有广泛应用，特别是在超快光 学和飞秒激光加工领域中具有重要价值。
02 脉冲固体激光器的静态特 性
激光光谱学
脉冲固体激光器的高亮度、高单色性和高相干性使其成为激 光光谱学研究的理想光源，可用于分析物质的结构和组成。
非线性光学
脉冲固体激光器能够提供高功率、短脉冲的光源，可用于研 究非线性光学现象，如光学倍频、光学参量放大等。
在工业生产中的应用
激光加工
脉冲固体激光器可用于激光切割、激 光焊接、激光打标等工业加工领域， 具有高精度、高效率和高可靠性的优 点。
激光雷达
脉冲固体激光器可用于激光雷达测距、 测速和成像，具有抗干扰能力强、测 量精度高的优点。
在医疗领域的应用
激光治疗
脉冲固体激光器可用于治疗各种皮肤疾病，如雀斑、黄褐斑等，还可用于治疗血管性疾病和肿瘤。
激光美容
脉冲固体激光器可用于改善皮肤质地、减少皱纹和美白等美容项目，具有无创、无痛、无副作用的优 点。
在激光加工领域，染料调Q技术可以 实现高精度、高效率的打标、切割和 焊接等操作。
在激光光谱学领域，染料调Q技术可 用于研究物质与光相互作用的规律， 以及痕量元素的分析和检测。
04 脉冲固体激光器的性能优 化
提高激光器效率的方法
优化光学谐振腔设计
通过改进谐振腔的结构和参数，提高光在谐振腔内的反射 和传输效率，从而提高激光器的输出功率和转化效率。
实验七脉冲激光器输出特性实验和电光调Q实验
实验七 脉冲激光器输出特性和电光调Q 实验实验目的 1 •熟悉和深入理解脉冲固体激光器与电光调 Q 的工作原理。
2 •测量脉冲固体激光器的静态输出特性，了解谐振腔参数对激光器性能的 影响，掌握其调试方法。
3•测试电光Q 开关的消光经和电光调Q 激光器的输出特性（脉冲能量、脉 冲宽度、脉冲峰值功率、输出动静比），并与未调Q 时激光器输出相比较，从而 加深对调Q 激光器工作特性的理解。
4•通过本实验加深理解电光 Q 开关激光器的工作原理，熟悉电光Q 开关激 光器的调试方法。
实验原理1 •固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源、 和光学谐振腔。
图1是固体激光器的基本结构示意图。
激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性 在很大程度上由激活离子的能级结构决定。
目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即 Nd 3+:YAG ）晶体。
由于Nd 3+:YAG 晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高， 故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。
本 实验中即采用Nd 3+:YAG 作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为 Nd 3+,属 四能级系统，发射激光波长为 1.06卩m ，工作于脉冲方式。
Nd 3+:YAG 产生受激 辐射的能级如图2所示。
激活粒子（Nd 3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为： 在光泵作用下，处于基态能级E 1上的粒子被激发到高能级E 4上,由于E 4能级寿 命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能 级E 3上，E 3为亚稳图7-1 固体激光器结构示意图态，在E3能级上的粒子有较长的寿命(10-3~10-4S),因而易于实现粒子数积累。
当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E l。
脉冲激光器分析ppt课件
7.1Q-调制激光器基本原理
14
激光原理 陈历学 2011年2月
714-2
第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
15
激光原理 陈历学 2011年2月
714-3
714-3
第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
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激光原理 陈历学 2011年2月
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第七章 脉冲激光理论
7.1.1.Q调制激光器基本原理
图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。
在 t<0 时，损耗为 H ，腔内光子寿命为 H，相应的阈值为
711-3
第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
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激光原理 陈历学 2011年2月
7.1.1.Q调制激光器基本原理
图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。 在 t<0 时，损耗为 H ，腔内 光子寿命为 H，相应的阈值为
如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。
由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值 功率较低，一般为几十千瓦数量级。
增大输入能量时，只能使尖峰脉冲的数目增多，而不能有效地提 高峰值功率水平。同时，激光输出的时间特性也很差。
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第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
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激光原理 陈历学 2011年2月
声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间，属快开关类型。
由于开关的调制电压只需100多伏，所以可用于低增益的连续激 光器，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨 脉冲。
但声光开关对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调Q激 光器。
722-3
固体激光材料ppt课件
8
5、工作物质、亚稳态
前面分析了产生激光的必要条件是受激 辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条 件，激光的产生必须选择合适的工作介质， 可以是气体、液体、固体或半导体。在这种 介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激 光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实 现粒子数反转是非常必须的。
9
6、形成粒子数反转的结构-----原子能级系统
工作物质谐振腔和泵浦源19ppt课件灯泵浦的激光器结构图20ppt课件13激光的特点激光的四大特征1方向性好2单色性好3相干性好4亮度高21ppt课件15常见激光器的种类固体激光器红宝石激光器气体激光器氦氖激光器染料激光器用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂半导体激光器22ppt课件82基质与激活离子一对固体激光材料的基本要求具有高的荧光量子效率
好,机械强度高,耐水性好,熔点高,能承受高功率密度等. ⑦制备工艺简单,加工容易,成本低,并可获得足够大的尺寸.
23
二、基质材料
1. 基质晶体
优点：热导率高、硬度高、荧光谱线较窄。 缺点：光学质量和掺杂的均匀性比基质玻璃差。
①金属氧化物。如蓝宝石、钇铝石榴石、钇镓石榴石、钆镓石榴石和气 体钇等；
②磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐、钼酸盐、钡酸盐、铍酸盐晶体，如氟磷酸 钙、五磷酸钕、铝酸钇、铝酸镁镧、钨酸钙、钼酸钙、钡酸钇、铍 酸镧等；
小的光强Im，这种现象称为自激振荡。这表明, 当放大器足够
长时, 它可能成为一个自激振荡器.
15
9、谐振腔
谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的 反馈.
光学谐振腔结构
16
10、起振条件－－阈值条件，
稳定振荡条件－－增益饱和效应
由于R2<1，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔 内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增 益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡，即有
5、工作物质、亚稳态
前面分析了产生激光的必要条件是受激 辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条 件，激光的产生必须选择合适的工作介质， 可以是气体、液体、固体或半导体。在这种 介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激 光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实 现粒子数反转是非常必须的。
9
6、形成粒子数反转的结构-----原子能级系统
工作物质谐振腔和泵浦源19ppt课件灯泵浦的激光器结构图20ppt课件13激光的特点激光的四大特征1方向性好2单色性好3相干性好4亮度高21ppt课件15常见激光器的种类固体激光器红宝石激光器气体激光器氦氖激光器染料激光器用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂半导体激光器22ppt课件82基质与激活离子一对固体激光材料的基本要求具有高的荧光量子效率
好,机械强度高,耐水性好,熔点高,能承受高功率密度等. ⑦制备工艺简单,加工容易,成本低,并可获得足够大的尺寸.
23
二、基质材料
1. 基质晶体
优点：热导率高、硬度高、荧光谱线较窄。 缺点：光学质量和掺杂的均匀性比基质玻璃差。
①金属氧化物。如蓝宝石、钇铝石榴石、钇镓石榴石、钆镓石榴石和气 体钇等；
②磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐、钼酸盐、钡酸盐、铍酸盐晶体，如氟磷酸 钙、五磷酸钕、铝酸钇、铝酸镁镧、钨酸钙、钼酸钙、钡酸钇、铍 酸镧等；
小的光强Im，这种现象称为自激振荡。这表明, 当放大器足够
长时, 它可能成为一个自激振荡器.
15
9、谐振腔
谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的 反馈.
光学谐振腔结构
16
10、起振条件－－阈值条件，
稳定振荡条件－－增益饱和效应
由于R2<1，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔 内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增 益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡，即有
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用He-Ne激光管调整固体脉冲激光器谐振腔
2. 测量输入、输出能量 充电电压从900V或950V开始，逐次下降，每隔50V 测一个点，分别计算输入能量 、输出能量 ，以 为横坐标、 为纵坐标，画出E出-E入曲线，从而计算出绝对效率 和 斜效率 斜 ，并画出 - E出及 斜 - E入曲线。 3. 测量发散角 输出激光经透镜聚焦，在透镜的焦平面上放置一屏，上
R1和R2是谐振腔两端反射镜的光强反射率（包括反射镜的 吸收，透射和衍射损失），l是激活介质的长度，G是激活 介质的增益系数 ，意义为：频率为ν的单色光在激活介质 中传播单位距离所增加的光强的百分比。
最小值
1 Gm (v) ln( R1 R2 ) 2l
产生激光的条件
合适的工作物质，激励源和谐振腔，满足阈值条件。
【实验原理】
一、实现激光的条件 （1）粒子数反转
（2）光学谐振腔和工作物质
谐振腔的光放大和选频功能
亚稳态
谐振腔的选频
基态
2nh , m
=
mc 2nh
m=0,1,2.....
光源原子分子的能级有宽度
是输出的激光频率
（3）阈值条件
光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足 以补充由各种因素所导致的光的损耗的临界条件称为阈值 条件。产生激光的阈值条件为 dI ( z ) 2Gl G ( ) R1R2e 1 I ( z )dz
三. 脉冲固体激光器的输出特性 1. 输出特性曲线 输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间
的关系曲线。
2. 发射角
激光束的发散
激光束通过透镜后所成的像
Hale Waihona Puke 实验器材】Nd:YAG固体脉冲激光器，He-Ne激光器，能量计，会聚透镜， 底片纸，读数显微镜。
【实验内容】 1.调整激光器的谐振腔
激光器
激光与全息技术
激光核聚变
激光核聚变过程
美国激光核聚变装置
中国的磁约束核聚变装置（人造太阳）
【实验目的】 1. 了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整 激光器谐振腔，使其输出激光。 2. 测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计 算出激光器的绝对效率和斜效率。 3. 测定激光器输出光束的发散角。
激光器的组成
1. 受激辐射 2. 粒子数反转分布 3. 激光谐振腔 1.工作物质 2.激励源 3.谐振腔镜
三个组成部分
二. 脉冲固体激光器的基本结构和工作原理
亚稳态
Nd:YAG固体脉冲激光器结构 工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）
激励源：脉冲氙灯 输出的激光以1.06mm波长为主 Nd:YAG晶体的能级结构
实验1-4 脉冲固体激光器 基本特性参数测量
近代物理实验室
理学院物理与光电工程系
爱因斯坦提出的产生激光的基本原理 ——自发吸收，自发辐射和受激辐射过程， 以及粒子数反转
爱因斯坦 激发态 亚稳态 自发吸收 自发辐射 受激辐射
基态 粒子数反转和受激辐射
原子能级跃迁的三种过程
1960年，T.H.西奥多· 梅曼制成了第一台红宝石激光器。 1961年，伊朗科学家A.贾文等人制成了氦氖激光器。 1962年，R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。 2013年，南非科学与工业研究委员会国家激光中心研究人员 开发出世界首个数字激光器，开辟了激光应用的新前景。
面固定一张黑色相纸。在调节好位置后，打出三个聚焦烧
蚀斑点，用读数显微镜测出斑点直径D，用公式
D f
算出发散角。
【预习要求】 1. 光和原子体系相互作用的三个基本过程是什么？ 2. 产生激光的必要条件是什么？ 3. 谐振腔的作用是什么？ 4. YAG固体脉冲激光器的工作原理是什么？ 5. 什么是绝对效率和斜效率？如何测量？ 6. 如何测量激光的发散角？