激光器工作特性
激光器的工作原理-增益系数与增益饱和
增益饱和的物理机制
1
激光介质中的粒子数反转程度受到激发态和基态 的粒子数分布影响。
2
随着输入光功率的增加，激发态上的粒子数逐渐 增多，基态上的粒子数逐渐减少，导致粒子数反 转程度降低，光增益减小。
3
当输入光功率达到一定值时，粒子数反转程度达 到极限，光增益饱和，输出光功率不再增加。
放大器
放大器是另一种利用增益系数和增益饱和效应的激光器件。放大器的主 要功能是将输入的弱信号放大，输出强激光。
在放大器中，增益介质中的粒子数反转程度决定了放大器的增益效果。 当输入信号通过增益介质时，会激发粒子数反转，产生光放大效应。
增益饱和效应在放大器中也有所体现，它限制了放大器的最大输出功率。 当输入信号的功率过高时，增益介质中的粒子数反转会降低，导致增益 系数减小，从而限制了放大器的输出功率。
05
结论
激光器工作原理的重要性
激光器在现代科技中具有广泛应用，如通信、医疗、工业等 领域，因此理解其工作原理对于技术应用和改进至关重要。
增益系数与增益饱和是激光器工作原理中的核心概念，深入 理解它们有助于优化激光器的性能，提高输出光束的质量。
对未来研究的展望
随着科技的不断发展，激光器的应用领域将更加广泛，对激光器的性能要求也将更加严格。因此，对 激光器工作原理的深入研究，特别是增益系数与增益饱和机制的探索，具有重要的理论意义和实际价 值。
未来研究可以进一步探索增益系数的物理机制，以及如何通过材料和器件结构的优化来提高增益饱和 阈值，从而实现更高功率、更稳定、更高效的激光输出。同时，研究增益系数与增益饱和的动态变化 特性，对于激光器的瞬态行为和调谐性能的掌握也具有重要意义。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、具有高纯度、高单色性的光束的装置。
它的工作原理是通过将一些能量源输入到激光介质中，从而激发介质中的原子或分子跃迁到一个激发态，然后在受激辐射的影响下，将能量原子或分子从激发态跃迁到一个更低的能级，从而产生出高度聚焦、单色性良好的激光光束。
激光器可以应用于多个领域，下面将介绍一些典型的应用。
首先是激光器在医疗领域的应用。
激光可以用于低侵入性手术，如激光抛光、激光热凝固等，这些手术使用激光器可以减少创伤和出血，使手术更加安全和有效。
此外，激光还可以用于治疗皮肤病、眼科手术和癌症治疗等，因为激光可以精确地照射到目标组织，达到切除或破坏病变组织的目的。
其次是激光器在通信领域的应用。
激光可以用于光纤通信系统中的激光器发射端和接收端。
在激光器发射端，激光器产生的激光光束可以通过光纤传输数据，传输效率高、带宽大，可以满足高速数据传输的需求。
在激光器接收端，激光可以被光探测器接收并转换成电信号，进一步处理和传递。
激光器在光纤通信系统中发挥着非常重要的作用，是现代通信技术的关键。
另外，激光器还在制造业中有广泛的应用。
激光可以被用来切割、焊接、打孔、打标等。
比如，激光切割可以通过将高能量密度的激光束直接照射在材料上，使材料熔化、汽化，从而实现切割。
此外，激光打标可以将图案或文字刻在各种材料上，广泛应用于包装、饰品、汽车零配件等制造行业。
此外，激光器还应用于测距、测速、光谱分析等领域。
激光测距原理是通过发送激光脉冲并测量其返回时间来计算出物体与激光器的距离，被广泛应用于测绘、地质勘探、机械制造等领域。
激光测速原理是通过测量激光光束的多普勒频移来计算速度，被广泛应用于交通违章监控、车辆测速等。
激光光谱分析可以通过测量物质吸收、发射或散射激光光束的方式，获得物质的化学成分、构造和性质。
总的来说，激光器作为一种具有特殊光学特性的光源，被广泛应用于医疗、通信、制造业和科学研究等领域。
3激光工作特性-4
c 1 L L ν mnq = q + (m + n + 1)arccos (1− )(1− ) 2ηL π R1 R2 对于对称共焦腔 对称共焦腔(R 可求出谐振频率。 对于对称共焦腔 1=R2=L=2f)可求出谐振频率。 可求出谐振频率
2、对称共焦腔的共振频率： 、对称共焦腔的共振频率：
等相位面 孔阑 传输模
输入平面波
腔中多次反射所形成的横向稳态场分布。 腔中多次反射所形成的横向稳态场分布。即在 腔内每次渡越后都能实现再现的模。称为横模或 腔内每次渡越后都能实现再现的模。称为横模或 自在现模。 自在现模。 基模的产生: 基模的产生 是由严格沿平行光轴方向传播的光波， 是由严格沿平行光轴方向传播的光波，所形 成的横模，光强分布如前图的TEM00q型。 成的横模，光强分布如前图的 高次模的产生: 高次模的产生 形路线。 由光线传播方向稍微偏离轴线，走Z形路线。虽 光线传播方向稍微偏离轴线， 形路线 经多次反射仍没有跑出腔外，且产生干涉加强， 经多次反射仍没有跑出腔外，且产生干涉加强， 形成的模， 高次模。 形成的模，为高次模。
横模的谐振频率。 三 、横模的谐振频率。
三 、横模的频率
1、谐振腔的共振条件 、谐振腔的共振条件: 共振条件 横模在谐振腔镜面之间传播一个来回， 横模在谐振腔镜面之间传播一个来回 ， 只有 位相改变为2π整数倍的模， 位相改变为 π整数倍的模 ， 才能得到稳定的 分布和光强的极大，即产生共振。 分布和光强的极大，即产生共振。 不同的腔， 有着不同阶的横模。 不同的腔 ， 有着不同阶的横模 。 通过对波动方程 的求解， 结合谐振条件及有关近似条件， 的求解 ， 结合谐振条件及有关近似条件 ， 可求出 一般稳定球面镜谐振腔的谐振频率 稳定球面镜谐振腔的谐振频率为 一般稳定球面镜谐振腔的谐振频率为
激光基本概述范文
激光基本概述范文激光是一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是一种能产生激光的装置，通常由激发源、增益介质和光腔三部分组成。
激光由于其特殊的性质，在科研、医疗、通信、材料加工等多个领域有着广泛的应用。
激光的单色性是指激光具有极窄的频率谱线，一般能够达到很高的频率稳定性。
这是由于激光的产生依赖于特定的能级跃迁，因此能够产生具有固定频率的光波。
与其他光源相比，激光的单色性使得其具有更强的穿透力和辨识能力。
激光的相干性是指激光光束中的光波具有非常好的相位关系。
这种相位关系使得激光光束能够形成明亮、锐利、高对比度的干涉条纹。
相干性使得激光在干涉、衍射和散射等方面有着独特的应用，例如激光干涉测量和激光全息术等。
激光的方向性是指激光光束能够在相当长的距离上保持较小的光束发散角度。
这是由于激光的光波具有在空间上高度一致的波前形状，能够通过适当设计的光学系统将光束聚焦成较小的点。
激光的方向性使得其在光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同，可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
气体激光器利用气体放电产生激发能级，再通过受激辐射过程产生激光。
常见的气体激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
固体激光器利用固体增益介质，通过光泵浦方式产生激发能级，再进行受激辐射过程得到激光。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、激光二极管等。
半导体激光器是利用半导体材料的特殊性质产生激光，这类激光器尺寸小、功耗低，广泛应用于光通信和激光打印等领域。
激光的应用十分广泛，其中激光切割是一种主要的激光材料加工方法，广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割和雕刻领域。
激光打印技术利用激光的单色性和方向性，可以高速、高质量地实现文件和图像的打印。
此外，激光还在医疗领域有着广泛的应用，例如激光治疗和激光手术等。
总之，激光作为一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同有气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
4.7 激光器的锁模-20200513
1/4 plate
Pockels cell
Nd:YAG Rod Dielectric polarizer
PZT
Nd:YAG Rod
Flashlamp
脉冲调Q Nd:YAG激光器示意图
16
2
sin2 1 t
2
第二四、章锁激模光器脉的冲工特作特性性
(1) 峰值功率 (光强极大值Im )
当 t 2m (m 0,1,......) 时有极大值：
sin2 1 (2N 1)(t )
Im
E02
.
t
lim
2m
2 sin2 1 (t )
(2N 1)2 E02
2
锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的(2N＋1)倍
未锁定时
I
t
(2N
1)
E
2 0
(
t
)
模式个数多，有利于锁模脉冲峰值功率的提高
模式个数
振荡模式增多的途径：1、Lq 2、F
(2) 锁模脉冲间隔－相邻脉冲极大值之间间隔 (T0)
T0
2
2L c
1
q
第(3四)章脉激冲光宽器度的(工)作脉特性冲半功率点的时间间隔
2
2N 1
2L' c
1 2N 1
q
t=0
t=1/31 t=2/31 t= 1/1
E1=E2=E3=E0 E1=E2=-1/2E0 , E3=E0 E1=E2=-1/2E0 , E3=E0 E1=E2=E3=E0 ,
E=3E0 , E2=9E02 E=0 E=0 E=3E0 , E2=9E02
E
t
I(t)
0 1/31 2/31 1/ 1
0 0 0
激光四大特性
激光的四大特性
实验证明，激光器所发射的光是一种偏振光， 偏振光在前进中周围带有电磁场力，研究得出 偏振光能够重新排列液晶分子，而细胞膜类似 于液晶分子，所以激光照射时能使细胞分子按 偏振光的电场力方向重新排列，使细胞膜表面 不正常结构发生改变（细胞表面带电性能，从 而使血粘度，血小板变化等）。但是它的振动 只发生在一个平面内（共振），且方向固定。 例如：激光照水不发生折射；偏振镜可以防反 光。
相干性
激光的四大特性
激光束的发散角非常小，几乎是一 条直线，能量集中，可以很强的穿透皮 肤、肌肉、血管壁照射血液。而普通光 是向四面八方扩散的，无法说清它的发 散方向。 例如：医学上用激光针灸；晚上在一间 漆黑的房子里打开一盏灯和打开一束激 光的区别激光器所发射的光是一种偏振光偏振光在前进中周围带有电磁场力研究得出偏振光能够重新排列液晶分子而细胞膜类似于液晶分子所以激光照射时能使细胞分子按偏振光的电场力方向重新排列使细胞膜表面不正常结构发生改变细胞表面带电性能从而使血粘度血小板变化等
主讲：
激光的四大特性
激 光
四大特性
单色性
偏振性
干涉性
方向性
激光的四大特性
单色性
光的颜色是由光的波长（或频率）决定。而光总有一定 的频率宽度（波长范围），频率宽度越小，则此光的单色性 越好。普通光源发射的光波，它的谱线宽度比较大，有一定 的频率范围，这频率范围内的所有频率，都可以在它所发射 的光波中找到，也就是说颜色很杂很多，无法准确判断其颜 色。如普通光源中单色性最好的氪灯，它的谱线宽度已达 4.7×10-3-纳米。但是，经过光学谐振腔（激光器）的原理 选择后，只有那些满足谐振腔共振条件而又落在工作物质的 谱线宽度内的频率光才能形成激光输出，不满足共振条件的 频率，都在谐振腔内干涉相消了。可见，经过谐振腔选择后， 发射出来的光波的频率宽度即波长分布范围非常窄，一般激 光谱线宽度仅为10-9纳米，是氪灯的五万分之一。所以，激 光的颜色极纯，单色性很好。 益健堂激光选择红色光的原因：单红色激光能被血红细胞所 强烈的吸收，对人体 的健康是很有好处的。 例如：光纤通信中用激光传播来减少光信号的损耗，所有通 信光缆的信号很好。
4.6 激光器的驰豫振荡Q调制-20200513
第四章 激光器的工作特性
2、声光调Q(acoustooptical Q-switch)
如果入射光与声波波面的夹角θ满足
sin 2s
s; 声波与入射光的波长
则透射光束分裂为零级与+1级(或-1级)， +1级
或-1级衍射光与声波波面的夹角也为，一级衍
射光强与入射光强之比为
I1 sin 2 ( D )
Ii
2
式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位
变化的幅度。
D 2 Dd (2 d MP)2
H
换能器：将高频信号转化为超声波(铌酸锂、石英等压电材料)
声光介质：熔融石英(Fused Silica)，钼酸铅、重火石玻璃等
属于快开型开关；对高能量激光器开关能力差
23
第四章 激光器的工作特性
商用声光调Q开关
21vN 0 A21 W03
Dn 1 N R
Dn(t )N (5-4-7)
(t )
N0 R
N (t ) R
21vN 0Leabharlann n(5-4-8)二阶常系数微分方程
(5-4-7),(5-4-8) 再次求导后代入
(5-4-7),(5-4-8)
d2Dn dt 2
dDn dt
Dn
0
d2N dt 2
dN dt
调Q & 锁模目的: 压窄脉冲宽度，提高峰值功率
激光器的 Q调制
第四章 激光器的工作特性
连续激光器
激光器：
脉冲激光器 —— 可获得较高的峰值功率 • 获得脉冲激光的方法之一： 脉冲激励(电脉冲、光脉冲) • 存在的问题：
驰豫振荡、脉冲宽(几百s~ms)
• 上述激光器称作自由运转激光器
第一章 激光的基本原理及其特性
1913年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。
1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体
辐射的普朗克公式，在推导中提出了两个极为重要地概
念：受激辐射和自发辐射。
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
原子的能级
• 基态
激发态
电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在 特 定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且 该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： ∆Ed t 0
受激跃迁几 率
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
受激吸收的特点
原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关 原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦系数有关 原子的受激吸收几率与外来光辐射能量密度有关
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
光的受激辐射
入射光
h E 2 E 1
(t ) N u 0 e 1 Au 1 1
N u 0e
t
u
u u
Au i
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《激光原理与技术》
自发辐射的特点
原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界 辐射场无关 自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态 和传播方向杂乱无章
光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定 的偏振状态。
原子数按能级分布
热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律:
N2 N1
e
( E 2 E1 ) kT
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
6激光工作特性-2
E
B -1 -2
g1=1－(L／R1) g2 =1一(L／R2)
50、O点表示g1=g2=0，即R1＝R2 =L ,说明两反 射面有共同的焦点，称为 共焦腔。
g1=1－(L／R1) g2 =1一(L／R2)
60、D点表示 g1=g2= 1，即 R1＝R2 = ，表示两反 射面是平面，所以是 平行平面腔。 说明：
1、今有一球面腔，R1＝1.5m, R2＝-1m, L=0.8m. 试证该腔为稳定腔。
证: 只要证明此式成立 L L 1 (1 )(1 )0 R1 R2
例1
0.8 0.8 (1 )(1 ) 0.467 1.8 0.84 1.5 1
1 0.84 0
证得该腔为稳定腔。
I cv nchv /
光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器
n 4 1011
对于普通光源到目前为止还没有发现 n 1 的
主要内容
<一>、光学谐振腔： 1 、谐振腔的结构及分类 2 、稳定腔 3、非稳腔
<二>、 激光产生的阈值条件
B
A 1 O E D
•C 1 k
g1
L L 1 (1 )(1 )0 R1 R2
非稳腔的特点： (1) 具有较大的模体积。
(2) 具有较好的选模能力。 (3) 能实现光束的侧向耦合输出: 非稳腔常用来产生高增益、大功率激光器。 4、谐振腔损耗的三个参数 10、单程损耗 20、光子寿命 g 30、谐振腔的品质因素 腔内存储的能量 Q 2v 每秒损耗的能量 L 2v g 2 v c
不推, 可参阅<激光原理>
2、 1 (1 )(1 )0 R1 R2
激光器的光谱特性分析
激光器的光谱特性分析激光器是一种利用受激辐射原理产生激光的设备，具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点。
在现代科技领域中，激光器已经广泛应用于医疗、通信、制造等领域，并成为了现代技术和科研的重要工具。
激光器的光谱特性是激光产生的重要基础之一，对于研究激光器的物理特性以及应用具有重要意义。
本文将从激光器的基本理论入手，分析激光器的光谱特性。
一、激光器的基本理论激光器的工作原理是利用受激辐射原理，通过外部能量激发激光介质原子或分子的外层电子跃迁到高能级态，使其受到促发并跃迁回基态，从而产生激光。
具体来说，激光器由激发能源、激光介质、反射镜（或衰减器）和光学谐振腔等元件组成。
激发能源可以是电场、光场、化学反应或者核反应等。
典型的激发能源包括弧光灯、氖气激发器、合成晶体、气体放电管等。
这些能源可以提供足够的能量，使得激光介质原子或分子跃迁到高能级态。
激光介质是指能够产生激光的物质，常见的激光介质包括固体、气体和半导体等。
不同的激光介质具有不同的激发能级和电子结构，从而决定了激光器的性能和应用。
反射镜和衰减器是激光器光学谐振腔的重要组成部分。
反射镜是将光线反射回入口端，从而形成多次光程，放大激光信号，并且增加激光稳定性的光学元件。
拥有波长选择性的薄膜反射镜可以增大反射率，提高光强。
而衰减器则可以调节激光器的输出功率和光强。
二、激光器的光谱特性激光器波长的稳定性和准确定位性是激光应用的重要指标，与激光器的线宽和频率稳定性密切相关。
激光器的光谱特性是指激光器本身产生的光波长分布情况，通常用光谱线宽、光波长偏差、光波长变化等参数来描述。
1. 光谱线宽激光器的光谱线宽是光谱上一个特定频率范围内的光强度变化程度，通常用光谱线宽半高宽（FWHM）等参数进行描述。
光谱线宽越窄，说明激光器能够产生更为单色的激光，具有更高的频率稳定性和准确定位性。
光谱线宽受到激光介质材料、激光光程、光学元器件等多个因素的综合影响。
2. 光波长偏差光波长偏差是指激光器产生的光波长与目标波长之间的差异，通常用波长偏移等参数进行描述。
半导体激光器特点
半导体激光器特点半导体激光器是一种利用半导体材料的电子能级结构产生激光的装置。
它具有以下几个特点：1. 高效率：半导体激光器的光电转换效率相对较高，通常可达到30%以上。
这是因为半导体材料具有较高的折射率，能够实现较长的光程，并且电流注入激活的载流子浓度较高，使得激光产生的概率增大。
2. 小型化：半导体激光器具有体积小、重量轻的特点，可以制成非常小巧的器件。
这使得它可以广泛应用于光通信、激光打印、激光雷达等领域，同时也方便集成到其他电子器件中。
3. 快速调制：半导体激光器的调制速度非常快，可以达到几十Gbps甚至上百Gbps的水平。
这使得它成为光纤通信和光存储等领域中的重要组件，能够实现高速数据传输和处理。
4. 低功率消耗：由于半导体激光器是利用电流注入产生激光，相对于其他类型的激光器，它的功耗较低。
这使得半导体激光器在便携式设备和低功耗应用中具有优势，例如激光指示器和激光笔等。
5. 单色性好：半导体激光器的输出光束通常是单色的，具有较窄的谱线宽度。
这使得它在光谱分析、光纤传感和光谱测量等领域中有着广泛的应用。
6. 长寿命：半导体激光器的寿命相对较长，可以达到几万小时以上。
这使得它在长时间稳定工作和持续使用的应用中具有优势，例如激光切割和激光医疗等领域。
7. 可调谐性：某些类型的半导体激光器具有可调谐的特性，可以通过改变电流或温度等参数来调节输出的激光波长。
这使得它在光谱分析、光通信和光存储等领域中具有灵活的应用。
半导体激光器具有高效率、小型化、快速调制、低功率消耗、单色性好、长寿命和可调谐性等特点。
在现代科学技术的发展中，半导体激光器在光电子学、光通信、光存储、医疗等领域发挥着重要的作用，并且具有广阔的应用前景。
第五章 连续激光器的增益和工作特性
5.0小信号增益系数
• 3、G与入射光频率的关系
n0 n0W03 2 ，即Δn0与频率 – 小信号情况下， 无关； – 若采用G0(ν)表示小信号增益，则：
G n
0
0
v
2 2
8
A21 g , 0
G 0 ( )
– 可知小信号增益与频率相关， 其曲线形状完全由谱线的线 型函数决定。
5.0小信号增益系数
• 1、增益系数
– 如图的工作物质，假设已经形成粒子数反转，有强度为I0的准单 色光入射，则： I I(L)
G
dI z
0
I z dz
I(L) I0
I(z) dI(z)
dz
– 如何用Δn表达G？ – Δn可以用速率方程 表示，四能级系统中：
z z z+dz L
g 2 A21 dN c n2 n1 g , 0 N N dt g1 n
g2 n n2 n1 g1
h vdN G n 21 , 0 2 I z dz Nh v dt
• 其中的σ21是碰撞截面； • 此式是由四能级系统的速率方程推导出的，但是是一个具 有普遍意义的公式；
dI z
5.0小信号增益系数
• 2、小信号反转粒子数Δn
E0
S32 E2 S21 A21 W21 W12 E1 S10
5.0小信号增益系数
• 在连续运行状态下： dn0 dn3 dn2 dn1 0
dt dt dt dt
• 由于 S10 W03 , S32 W03 , n3 A30可忽略 ： W03 dn3 n3 n0 0 n0W03 n3 S32 A30 S32 dt dn0 W03 n1S10 n0W03 n3 A30 n1 n0 0 dt S
激光器简介介绍
05 激光器的未来发展趋势和 挑战
高功率激光器的研发和应用
高功率激光器在国防、工业和 医疗等领域具有广泛的应用前 景。
研发高功率激光器的关键在于 提高输出功率、光束质量和稳 定性，以及降低制造成本。
高功率激光器在材料加工、激 光雷达、照明和通信等领域已 取得重要进展。
超快激光器的研发和应用
应用
二氧化碳激光器在医疗美容中应用广 泛，如激光手术刀、皮肤美白等。
固体激光器
特点
体积小、重量轻、效率高、操作简单。
应用
用于材料加工、打标、雕刻等领域。
液体激光器
特点
输出波长可调、效率较高。
应用
用于生物医学、光谱学等领域。
半导体激光器
要点一
特点
体积小、寿命长、价格便宜。
要点二
应用
用于光纤通信、数据存储等领域。
激光打标
利用激光的高能量密度在 物体表面刻印图案、文字 或编码等标识，实现高效 、环保的打标方式。
激光焊接
通过激光束将两个或多个 材料连接在一起，具有高 精度、高强度和高密封性 等优点。
医学领域
激光治疗
利用激光的能量照射人体组织， 通过热能、光化学效应等作用达 到治疗目的，如激光手术、激光
美白等。
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光纤激光器
特点
输出波长稳定、效率高、光束质量好。
VS
应用
用于高速光纤通信、激光雷达等领域。
03 激光器的组成和工作02
03
04
增益介质
用于提供能量放大作用，通常 由气体、液体、固体或半导体
等材料组成。
泵浦源
用于向增益介质提供能量，通 常采用光、电、化学等方法。
3激光工作特性-3
v
q-2
q q+2
纵模个数与G()关系
也就是说，因为光在谐振腔中传播时，由于透 射、散射、衍射等损耗，只有当增益大于损耗的 频率，才能产生真实的振荡。
30、跳模现象：
2L 激光器中常会出现的一种现象。
qc
c / 2L
在气体激光器中，气体放电电流的变化可使 和温度变化，由此引起光程的变化，最终导 致v的漂移。
的波节数。
1、纵模的形成
2L=q （q=1，2，3 2L/ ） 说明：激光器的腔长L确定后，只有某些波长的光 波才能满足干涉加强的条件，这些光波的频率： qc c 2L v 此式为谐振腔中沿轴向传播的平面波的谐振条件， 又称为驻波条件。
由此说明： 谐振腔具有选频作用: 它从分子(原子)发出频带很 宽的光波中，仅选出满足谐振条件的频率。
（1）满足驻波条件 qc （q=1，2，3， 2L/ ） 2L 也就是说谐振腔内能满足此条件的频率是很多的。
后面举例说明
由
G ( v ) n
A21c 2 8 2v 2
g(v )
q-1 q+1 q-2 G() q q+2
(2)、位于线型函数线宽之内的频 率才能产生振荡，放大。 频率值有可以有无限多个。 但其强度不一定相同，由增益 函数确定。 谐振腔的的增益曲线如图
主要内容
一、激光的纵模
二、实现稳定振荡的条件 1、均匀加宽的纵模 2、非均匀加宽的纵模
3、频率牵引效应
§3-4 激光的纵模与频率特性 激光器要获得稳定的输出，首先要在谐振腔中 产生振荡，并形成稳定的光场分布，而光场的稳 定分布就必须满足驻波条件。 谐振腔为开放式光腔： 两端有反射镜，侧面是
各功率激光的特点
各功率激光的特点功率激光是一种产生高能量和高功率输出的激光器。
它们通常用于工业、医学、国防等领域，具有许多独特的特点。
下面将详细介绍一些常见功率激光的特点。
1.CO2激光器CO2激光器使用碳气混合物来产生激光束，通常工作在10.6微米的波长。
CO2激光器具有以下特点：-高功率输出：CO2激光器可以产生高达几千瓦的功率输出，是一种非常强大的激光器。
-高效率：CO2激光器的光电转换效率通常在10-30%之间，能够最大限度地将电能转换为光能。
-较低的光束质量：CO2激光器的光束质量较差，通常具有较大的光斑尺寸和较差的光束射准度。
2.光纤激光器光纤激光器是一种使用光纤作为激光体的激光器，产生的激光束通常工作在1微米以下的波长。
光纤激光器具有以下特点：-高功率输出：光纤激光器具有较高的功率输出，通常为几千瓦。
-高效率：光纤激光器的光电转换效率较高，通常在30-40%之间。
-高光束质量：光纤激光器可以产生具有较小光斑尺寸和出色光束质量的激光束。
-可靠性和耐用性：光纤激光器具有较长的寿命和较高的可靠性，适用于长时间运行和恶劣环境。
3.二极管激光器二极管激光器是一种使用半导体材料作为激活介质的激光器，常见的波长包括808nm、940nm和980nm。
二极管激光器具有以下特点：-小巧轻便：二极管激光器体积小，重量轻，便于安装和携带。
-高效率：二极管激光器的光电转换效率通常在50%以上，具有优秀的能源利用率。
-窄光谱：二极管激光器产生的光束具有相对较窄的光谱线宽，适用于许多精密应用。
-快速调制：由于二极管激光器具有快速的调制特性，它们常用于通信和数据传输领域。
4.固体激光器固体激光器使用固体材料（如Nd:YAG、Nd:YVO4等）作为激活介质，并通过泵浦光源来激活材料产生激光束。
固体激光器具有以下特点：-高功率输出：固体激光器通常可以产生较高功率，从几十瓦到几千瓦不等。
-高光束质量：固体激光器可以产生较小的光斑尺寸和出色的光束质量。
激光原理教案第四章
hvP nV hvP V t EPt 1 1 21l
激光原理与技术
三能级系统须吸收的光泵能量的阈值为
EPtΒιβλιοθήκη hvP nV 21对于脉冲宽度t0可与相比拟的情况，泵浦能量的阈 值不能用一个简单的解析式表示。但可以用数字计 算的办法求出EPt的值。实验说明，当固体激光器的 氖灯储能电容越大因而光泵脉冲持续时间t0增长时， 光泵的阈值能量也增大。这是由于t0越长自发辐射 的损耗越严重所致。
hvP nV 2 F s
四、短脉冲激光器的阈值泵浦能量 若光泵激励时间很短，则在激励持续期间E2能级的 自发辐射和无辐射跃迁的影响可以忽略不计。在这种 情况下，要使E2能级增加一个粒子，只须吸收1／1 个泵浦光子。因此，当单位体积中吸收的泵浦光子数 大于n2t／1时，就能产生激光。由此可见，四能级系 统须吸收的光泵能量的阈值为
激光原理与技术
4.2 激光器的振荡模式
一、均匀加宽激光器中的模竞争
1．增益曲线均匀饱和引起的自选模作用
图4.2.1 均匀加宽激光器中建立稳态振荡过程中的模竞争
激光原理与技术
图4.2.2 说明空间烧孔效应的图
激光原理与技术
g(vq1, Ivq1 , Ivq , Ivq1 ) gt , g(vq1, Ivq1 , Ivq , Ivq1 ) gt
激光原理与技术
PPt
hvP ntV
F s
F 21 s l
hvP V
2.三能级激光器
n2t
n nt 2
在典型三能级系统红宝石中
17 3
n 1.9 10 cm
19
3
n nt 8.7 10 cm , nt n, n2t 2
激光工作特性
dΦ n =( − 1)Φ dt ′ nth
另外, 在泵浦将尽,腔损耗突然减小时，布居数的速率方程可写成
(1)
dN 2 N = R2 − 2 − B Q ( N 2 − N 1 ) ≈ − B Q ( N 2 − N 1 ) dt τ2
同理有 所以得到
dN 1 = + B Q( N 2 − N1 ) dt d ( N 2 − N1 ) = −2 B Q ( N 2 − N 1 ) dt
dΦ cl 1 = (g − )Φ dt ηL τ c
式中 g 是增益系数。再引入无量纲时间 t ′ = t / τ c , 进一步得到
dΦ cl g = ( g τ c − 1)Φ = ( − 1)Φ ηL dt ′ g th
gth 是 增 益 系 数 的 阈 值 。 由 于 g / g th = n / nth , 这 里 n 是 腔 内 布 居 数 反 转 的 总 数, n = ΔN ⋅ Va , nth 是它的阈值. 所以上式写成
由图可见当 ni / nth >> 1
以腔内部居数反转的总数表示,考虑到 ΔN th = 1 /( B τ c ) ,并引入无量纲时间 t ′ = t / τ c ,则 上式成
dn n = −2 Φ dt ′ nth
(Hale Waihona Puke )(1),(2)组成调Q系统的速率方程,一般无解析解,需作数值计算. 时间起点取在调Q开始时. 如图所示. 设初值为ni,开始时Q 值迅速变大,使布居数反转超过阈值,腔内光子数因受激 辐射而剧增,同时伴生n的下降,当 n ≤ nth 时,受激辐射停止,这时, 腔内光子数达到最大值, 形成光脉冲的峰值. 当n 低于nth 时,腔内光子数衰减, 其衰减时间基本为腔内光子寿命
第6章激光器的工作特性ppt课件
0 2 2 t t0
t0
t
结论： 各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态
dN dt 0 ，dni dt 0
6.2 激光器的振荡阈值
阈值条件
阈值增益系数
gain threshold
阈值反转粒子数
Population inversion threshold
阈值泵浦功率
0 t t0 :
n2
(t
)
1W13 n
1 2
W13
[1
e
(
1 2
1W13
)t
]
n2 (t0 )
t t0 : W13 0 (t t0 )
n2 (t ) n2 (t0 )e 2
0 t0
t
6.1.1. 脉冲激光器
W12 (t)
W12
t0 2
0 t0
N2 (t)
N2 (t0 )
T T t0
n1 0，
E3
n3
n n2 n1 n2
E2 能级阈值粒子数密度：
E2
n2t nt 21l
E1
1 S32 (S32 A30 )
n2t 2 s
n1
n2 n2t
2 A21 (S21 A21 )
F 12
阈值泵浦功率：
n2t F s E0
PPt
h PntV F s
h PV F s 21l
6.3.3 非均匀加宽激光器的输出模式
1.非均匀加宽激光器的多纵模振荡
腔长较小，各纵模之间间隔较大时
（1）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，所以非均匀加宽激光器通常都是多
激光器的特性及其参数测量
平均值
五、实验内容
光栅
激光器
功率计探头
功率计
1. 按上图调整好光路， 预燃激光器20～30分钟，待激光输 出功率基本稳定后开始测量
2. 每隔0.5 mA 测量一次功率， 画出P（功率）-I （电流） 曲线，电压-电流曲线。
3. 每隔一段时间测量一次功率，求出在总测量时间内的功 率稳定度。（步长30秒，测20组数据，注意选择功率计 的最佳量程）
二、实验目的与要求
1. 正确使用激光器、激光能量计（功率计） 2. 掌握激光的常见特性及其参数的测量原理
三、实验仪器
He-Ne 激光器、半导体激光器、 激光功率计、 光电探测器、光具座、 透镜 、 偏振镜、光阑、 读 数显微信镜、光栅
四、实验原理
（一）输出功率的特点及其测量——光电法 利用激光的入射功率与光电探测器的输出电流成正比
（也可以采用光热法或光压法），在总压强 和 He-Ne 配比 一定的情况下，激光器的输出功率和放电电流存在特定的关
系。 对应输出功率极大值的放电 电流称为最佳放电电流。
由于受到放电电流、工作频率、谐振腔耗损、以及温度 等因素的影响，He-Ne 激光器的输出功率会随时间变动。
定义功率稳定度ห้องสมุดไป่ตู้ 最大值
最小值
实验二 激光器的特性及其参数测量
一、背景知识介绍
激光作为一种新型光源，具有方向性强、单色 性好、高亮度等突出特点。1960年第一台红宝石激 光器诞生，激光器的工作物质可以是气体、液体、 固体。激光应用的领域有非线性光学，傅立叶光学、 全息技术等，在计量科学、通讯、化学、生物、材 料加工、军事、医学、农业等方面都有应用。
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(1)温度升高→腔长变大→光频向低频漂移
(2)由于模式竞争,光频漂移到 0
1 2
q
处被 0
1 2
q
模代替
3、规律
(1)输出光频在0
1 2
q 至 0
1 2
q
范围内变化
(2)腔长每伸长
1 2
,产生一次跳变
证 q c
2L
d
dL
qc 2L2
q
c 2L2
L
L
L
c L
L
c 2L
c c L 2L L
一、阈值条件
激光模式起振的阈值条件主要有三种：阈值增
益系数，阈值反转粒子数密度，阈值上能级粒
子数密度。
1、阈值增益系数 Gt l
证 I1 I0e2(G l )
为使 I1 I0 ,必须有G l 0
Gt
l
2、阈值反转粒子数
S32
G( , v0 )
n
A32 v 2
8
ν
2 0
g( ν, 0 )
二、均匀加宽激光器的模式竞争
1.增益曲线均匀饱和引起的自选模作用
假设有多个模式的谐振频率落在均匀加宽增益曲 线振荡线宽范围内，那么,这些模式是否都能维持稳态 振荡呢?为了讨论方便,假设有频率为νq-1、νq和νq+1的三 个模式满足上述要求(如图所示)。
（1）开始时,对这三 个模式来说,小信号增 益系数都大于Gt ， 因而光强Iνq-1、Iνq、 Iνq+1都逐渐上升。由 于饱和效应，增益曲 线将随光强的上升而 不断下降。当增益曲 线下降到曲线1时，
n t
Gt S32
证
S32
G n
n G S32
n t
Gt S32
3、阈值上能级粒子数
(1)三能级
n1+n2=n n2-n1=n
n2
n
n 2
n2t
n
n t 2
(2)四能级
n3=n
n3t=nt
二、起振模式数
1、激发参量 2、振荡线宽
Gm Gml
Gt
G0()
(1)定义 小信号增 Gm
益曲线中大于Gt部 分的线宽
1)
dP 0 dT
2Gml(T a) - (T a)2 2GmlT 0
( 2Gml T a
1)
T
- 2Gml (T a)2
0
2Gmla - (T a)2 0
T a 2Gmla
Tm 2Gmla a
Pm
1 2
STm
I
s
(
2Gml Tm a
1)
1 2
SIs (
2Gmla a)(
（4）以上讨论说明,在均匀加宽激光器中,几个满 足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争,结果总 是靠近中心频率v0的一个纵模得胜,形成稳定振荡, 其他纵模都被抑制熄灭。因此,理想情况下,均匀 加宽稳态激光器的输出应是单纵模的,单纵模的频 率总是谱线中心频率附近。
同样,不同横模间也会发生上述竞争过程,由于不同 横模具有不同的 Gt 值,竞争的情况比较复杂。
2Gml 1) 2Gmla
1 2
SIs (2Gml
2Gmla
2Gmla 2Gmla
a)
1 2
SIs (2Gml
2
2Gmla a)
1 2
SIs (
2Gml
a )2
五、非均匀加宽激光器的输出功率（兰姆凹陷） 和均匀加宽激光器不同的是,当振荡模频率νq≠ν。 时,I+和I-两束光在增益曲线上分别烧两个孔。对 每一个孔起饱和作用的分别是I+或I-,而不是两者 之和。
2
i
4ln 2( 0 )2 ln
2 i
(
0)2
ln 4ln 2
i2
1, 2
0
1 2
ln ln
2
i
T
ln ln
2
i
3、起振模式数
G0()
q [ T ] 1 q
Gm
[x]:取整函数
T
q
c 2L
Gt
:本征纵模频率间隔
0
例1 三能级激光介质总粒子数密度为n=51013m-3,
发射截面为S=2.510－14m2，介质长l＝20cm,单程 损耗率δ= 0.01．求阈值增益系数、阈值反转粒子 数密度和阈值上能级粒子数密度
第四章 连续激光器的稳态工作特性
本章在速率方程及据此导出的激光工作物质增益 饱和的基础上讨论激光器的振荡条件、激光形成过程、 模竞争效应、激光输出功率或能量等基本特性，还将 讨论激光线宽及频率牵引等重要特性。
§1 激光形成的阈值条件
如果谐振腔内工作物质的某对能级处于集居数反转 状态,则频率处在它的谱线宽度内的微弱光信号会因增益 而不断增强。另一方面,谐振腔中存在的各种损耗,又使 光信号不断衰减。能否产生振荡,取决于增益与损耗的大 小。下面推导激光器自激振荡的阈值条件。
I
P0
STI
0
1 2
STI
0
I+
I-
T
四、均匀加宽激光器的最佳透射率与最大输 出功率(=0)
Tm 2Gmla a
Pm
1 2
SIs (
2Gml -
a )2
a:除输出损耗外的其它往返 损耗率
P
1 2
STI
s
(
1)
Ta 2
Gm Gml 2Gml Gt T a
P
1 2
STI
s
(
2Gml T a
三、非均匀加宽激光器的模式竞争
在非均匀加宽激光器中,假设有多个纵模满足 振荡条件,由于某一纵模光强的增加,并不会使整 个增益曲线均匀下降,而只是在增益曲线上造成 对称的两个烧孔,所以只要纵模间隔足够大,
各纵模基本上互不相关,所以小信号增益系数大 于 Gt 的纵模都能稳定振荡。因此,在非均匀加宽 激光器中,一般都是多纵模振荡。如图表示,当外 界激发增强时,小信号增益系数增加,满足振荡条 件的纵模个数增多,因而激光器的振荡模式数目 增加。
解 Gm Gm 4
Gt
L
均匀加宽：
T 1F 3F 1.732150 260MHz
非均匀加宽：
T
ln ln 2
F
ln ln
4 2
F
2F 1.414150 212MHz
例3 He-Ne激光器放电管及腔长都为L=1.6m,直
径为d=2mm,两反射镜透射率分别为0和T=0.02,其
G( q1 , 0 ) Gt
因而 Iq1 不再增大。
但 q , q1 的增益系数仍大于阈值，Iq , Iq1仍将继 续增加,增益曲线继续下降,这将使 G(q1, Iq1 ) Gt 故该模式的光强 Iq1 很快减弱，直至熄灭。
（2）同理，当曲线下降到2时，导致 Iq1 很快熄 灭。
（3）当曲线下降到3时，G( q , Iq ) Gt ，Iq 光强达 到稳定值，不再增大。整个增益曲线也不再下降。
I0 Is (2 1)
证 稳定时
Gi (0 ,I0 ) G t
G i (ν1, I1 )
Gm 1 I1
Is
4ln 2( 1 0 )2
e
2 i
Gm 1 I1
Gt
Is
I0 Is (2 1)
三、输出功率
P 0
1 2
STI
0
S:激光介质横截面积, T:输出镜透过率
证
I=I++I-
I
I
1 2
实验表明,在一定的激发速率下,即当G0( )一定 时,激光器的输出功率保持恒定,当外界激发作用 增强时,输出功率随之上升,但在一个新的水平上
保持恒定。下面分析这一稳定状态是如何建立起 来的。
如果腔内某一振荡模式的频率为νq,开始时, 由于 G(q, I ) Gt,腔内光强Iνq逐渐增加。同时,由于
Gt
T
0
(2)大小 ①均匀加宽 T 1H
证
νH 2
νH 2
2
2 (ν ν0 )2
Gm
Gt
νH 2
2 (ν ν0 )2
νH 2
2
(ν ν0 )2
(
1)
νH 2
2
ν1,2 0
1
νH 2
νT
1H
②非均匀加宽
T
证
G e G
4ln
2(0 i2
)
2
m
t
ln ln
L 2
§3 连续激光器的输出功率
按工作方式分，激光器可分为连续激光器与 脉冲激光器。连续工作的激光器属于稳态激光器， 它工作时，介质中的粒子数密度反转分布值和腔 内外辐射场均具有稳定的分布，我们只对这种激 光器进行讨论。
一、激光器稳定状态的建立
如果一个激光器的小信号增益系数恰好等于 阈值，激光输出是非常微弱的。实际的激光器总 是工作在阔值水平以上,即G0( ) Gt ,此时腔内光强 不断增加。那么,光强是否会无限增加呢?
宽为主的固体光器一般为多纵模振荡。在含光 隔离器的环形行波腔内,光强沿辅向均匀分布,不 存在空间烧孔,因而可以得到单纵模振荡。
激光器中,除了存在轴向空间烧孔外,由于横 截面上光场分布的不均匀性,还存在着横向的空 间烧孔。由于横向空间烧孔的尺度较大,激活粒 子的空间转移过程不能消除横向空间烧孔。不同 横模的光场分布不同,它们分别使用不同空间的 激活粒子,因此当激励足够强时,可形成多横模振 荡。
二、腔内稳定光强(=0)
1、均匀加宽激光器
I0 Is ( 1)
谐振腔内光强
证 稳定时
GH (0 ,I0 ) G t
νH 2