第二章-激光原理与设备2
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激光原理与技术：第二章
件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个端 面，但一些激光器中会另外放置元件以限制光 束为理想的形状。
➢光学谐振腔的种类：
谐振腔的开放程度: 闭腔、开腔、波导腔 开腔通常可以分为: 稳定腔、非稳定腔、临界腔 反射镜形状: 球面腔与非球面腔，端面反射腔与分
布反馈腔 反射镜的多少: 两镜腔与多镜腔（折叠腔、环形
r00
T
r00
共轴球面镜腔 往返传输矩阵：
L A 1
f2
C
1 f1
1 f2
1
L f1
B L 2
L f2
D
L f1
1
L f1
1
L f2
•往返矩阵T与光线的初始坐标参数r0和
轴光线在腔内往返传播的行为
0
无关，因而它可以描述任意近
例：
L 3 R2 4
g1
1
L R1
1;
g2
1
L R2
1 4
§2.1.3. 光学谐振腔的损耗，Q值及线宽
损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，在激光振荡中， 光腔的损耗决定了振荡的阈值和激光的输出能量，也是腔 模理论的重要研究课题
➢光腔的损耗：
1. 几何损耗
选择性损耗、对不同模式，损耗不同
2. 衍射损耗 3. 腔镜反射不完全引起的损耗
非选择性损耗
4. 腔内介质不均匀引起的损耗
Q 2v R
Q
2v
R
2v
L'
C
❖腔的品质因数Q值是衡量腔质量的一个重要的物理量，它
表征腔的储能及损耗特征。
总之，腔平均单程损耗因子、光子寿命、与腔的品质因数三个 物理量之间是关联的，腔平均单程损耗因子越小，光子寿命越 长，腔的品质因数越高。
➢光学谐振腔的种类：
谐振腔的开放程度: 闭腔、开腔、波导腔 开腔通常可以分为: 稳定腔、非稳定腔、临界腔 反射镜形状: 球面腔与非球面腔，端面反射腔与分
布反馈腔 反射镜的多少: 两镜腔与多镜腔（折叠腔、环形
r00
T
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共轴球面镜腔 往返传输矩阵：
L A 1
f2
C
1 f1
1 f2
1
L f1
B L 2
L f2
D
L f1
1
L f1
1
L f2
•往返矩阵T与光线的初始坐标参数r0和
轴光线在腔内往返传播的行为
0
无关，因而它可以描述任意近
例：
L 3 R2 4
g1
1
L R1
1;
g2
1
L R2
1 4
§2.1.3. 光学谐振腔的损耗，Q值及线宽
损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，在激光振荡中， 光腔的损耗决定了振荡的阈值和激光的输出能量，也是腔 模理论的重要研究课题
➢光腔的损耗：
1. 几何损耗
选择性损耗、对不同模式，损耗不同
2. 衍射损耗 3. 腔镜反射不完全引起的损耗
非选择性损耗
4. 腔内介质不均匀引起的损耗
Q 2v R
Q
2v
R
2v
L'
C
❖腔的品质因数Q值是衡量腔质量的一个重要的物理量，它
表征腔的储能及损耗特征。
总之，腔平均单程损耗因子、光子寿命、与腔的品质因数三个 物理量之间是关联的，腔平均单程损耗因子越小，光子寿命越 长，腔的品质因数越高。
第2章陈鹤鸣激光原理
1
Ani
如果同时存在非辐射跃迁，则寿命也缩短。
2.2.2 受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
h E2 E1
受激吸收跃迁几率：
W12
( dn12 dt
)st
1 n1
W12 B12
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B12 ：受激吸收跃迁爱因斯坦系数
只与原子本身性质有关
2.2.3 受激辐射
对激光工作物质的要求：尽可能在其工作粒子的特定能级 间实现较大程度的粒子数反转；使这种反转在整个激光发射 作用过程中尽可能有效地保持下去。
2.4.3 泵浦源
作用：对激光工作物质进行激励，将激活粒子 从基态抽
运到高能级，以实现粒子数反转。
泵浦方式：
气体激光器气体放电激励示意图
1. 光泵浦； 2. 气体放电激励 3. 化学激励 4. 电子注入
I 0 —— z 0 处的初始光强
②大信号增益系数：
g0 g(I)
I(z) 1
Is
I s ——饱和光强（决定于增益介质的性质）
I(z) Is
g(I) g0
进一步讨论可知，增益系数还与光的频率有关。
（2） 损耗系数
dI(z) 1
dz I(z)
损耗因素：衍射、散射、透射、吸 收等
激发态
非辐射跃迁
泵浦
E2
亚稳态 （激光上能级）
产生激光
E1
基态 （激光下能级）
红宝石中铬离子能级图
Energy
E3
Laser Radiation
E2 Fast transition
Abs. E1
N
激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
精选ppt
9
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
精选ppt
5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
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6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
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4
第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
激光原理教案第二章
激光原理与技术
1，2两种损耗常称为选择损耗，不同模式的 几何损耗与衍射损耗各不相同。3，4两种称为 非选择损耗，通常情况下它们对各个模式大体 一样。
平均单程损耗因子：如果初始光强为 I0 ，在 无源腔内往返一次后，光强衰减为 I1 ，则
I1 I0e2
1 ln I1 ,
2 I0
为腔中各损耗因子的和
1.22
2a
W1 W1 W0
S1 S1 S0
a L 2 a2 a L 2
激光原理与技术
2L
a
2L
0.61
a2
1.22 a2
1 a2
1 N
L L
D
D
'
1 N
N：菲涅耳数，N愈大，损耗愈小。
激光原理与技术
§2.2共轴球面腔的稳定性条件 一、腔内光线往返传播的矩阵表示
激光原理与技术
0q 称为腔的谐振波长
q
q
c 2L,
q称为腔的谐振频率
当光腔内充满折射率为 的均匀物质时
L, L
q
q
c
2 L,
L q q
2
式中 q 为物质中的谐振波长
本征模式在腔的横截面
内场分布是均匀的，而 沿腔的轴线方向(纵向)形 成驻波，驻波的波节数 由q决定，q单值地决定 模的谐振频率。
激光原理与技术
激光原理与技术
腔与模的关系： 腔内电磁场的本征态应由麦 克斯韦方程组及腔的边界条件决定。不同类型 和结构的谐振腔的模式各不相同。
对闭腔，一般可以通过直接求解微分形式的 麦克斯韦方程组来决定其模式
寻求开腔模式的问题通常归结为求解一定类 型的积分方程。
模的基本特征：模在腔的横截面内的场分 布，模的谐振频率，模在腔内往返的相对功率 损耗；模的光束发散角。
激光原理第二章 激光器的工作原理
可以证明，在对称共焦腔内，任意傍轴光线可往返多次
而不横向逸出，而且经两次往返后即可自行闭合。
整个稳定球面腔的模式理论都可以建立在共焦腔振荡理 论的基础上，因此，对称共焦腔是最重要和最具有代表性的 一种稳定腔。
3.平行平面腔——由两个平面反射镜组成的共轴谐振腔
R1=R2=∞，g1=g2=1， g1 g2=1
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
➢凹凸稳定腔，由一个凹面镜和一个凸面镜组成，对应图中5区和6区。
➢ (g1>1,g2<1; g2>1,g1<1)
➢共焦腔，R1＝R2＝L，因而，g1=0，g2=0，对应图中的坐标原点。(特殊的稳定腔) ➢半共焦腔，由一个平面镜和一个R=2L的凹面镜组成的腔,对应图中E和F点g1=1，g2=1/2
1. 工作物质 2. 激励能源
受激辐射>受激吸收
3. 光学谐振腔
受激辐射>自发辐射
是否只要具备激励能源和工作物质就一定可以实 现粒子数反转？ 粒子数反转和什么因素有关？
速率方程方法: 量子理论的一种简化形式
——速率方程理论：把光频电磁场看成量子化的光子，把 物质体系描述成具有量子化能级的粒子体系。
(三)临界腔: g1 g2 = 0 , g1 g2= 1
临界腔属于一种极限情况,其稳定性视不同的腔而不同. 在谐振理论研究和实际应用中,临界腔具有非常重要的意义.
1.对称共焦腔——腔中心是两镜公共焦 点且：
R1=L
R2=L
R1= R2= R = L=2F F——二镜焦距
F
L
∵ g1 = g2 = 0 ∴ g1 g2 = 0
简化前提: 忽略量子化辐射场的位相特性及光子数的起伏特 性
优点: 形式特别简单, 且可给出激光的强度特性，并粗略描 述烧孔、兰姆凹陷、多模竞争等效应
激光原理及技术课件2
确制导武器的一种重要制导方式。
2014-10-16
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激光制导的种类
激光制导的种类主要有：半主动回波 式制导、全主动回波式制导和波束式制导。 目前应用较为普遍的是半主动回波式制导。
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1 、激光驾束制导：激光接收器臵于导弹上，导弹发射时
激光器对着目标照射，发射后的导弹在激光波束内飞行。当
2、对激光接收器干扰， 如果你的spy侦察到敌方使用的激 光的特定波长，利用同类型激光照射其他物体，把激光制导 导弹引向假目标。 3、利用“复合式假目标”装臵， 使用一种粉末状激光作
用物质。这种物质在燃烧过程中，可产生照射敌激光工作频
率段的电磁波，或者燃烧后游离于燃烧区外，在冷却过程中 产生所需波段的电磁波，从而干扰来袭的激光寻找目标。
导弹偏离激光波束轴线时，接收器敏感偏离的大小和方位并 形成误差信号，按导引规律形成控制指令来修正导弹的飞行。 2 、激光半主动式自动导引：使用位于载机或地面上的激 光器照射目标，导弹上的激光导引头接收从目标反射的激光
从而跟踪目标并把导弹导向目标。
3、激光主动式自动导引：激光照射器装在导引头上。这 种激光制导的自动化程度高，但实际上还没有应用到反坦克 导弹上。
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激光制导的详细说明
常见的激光波束制导，是由激光照射器发射激光波束 对准并跟踪目标，并使导弹发射时就位于激光波束的中心。 导弹在飞向目标的过程中。一旦导弹偏离光束的中心，安 装在导弹尾部的激光接收器便会发出偏差信号，然后通过 控制系统纠正弹道偏差，很显然，激光波束制导要求地面
上的激光发射器发射的激光束与导弹的发射方向严格配合，
因此技术要求高。但整个激光波束制导系统小巧轻便，适 合单兵使用。
周版激光原理课件第二章
数为：
P
nVd
8 2
c3
Vd
由此关系知，只能压缩V，但是不现实。从而提出开式腔
（无侧壁的封闭腔）。从发散角来看，封闭时为2 ，而
开式时为
a
2
L
压缩倍数为
2
/
a L
2
• 但是，我们知道开式腔是无侧壁的封闭 腔，那么内部会不会有稳定的电磁波存 在？如何求出该电磁波？
§ 2.1光腔理论的一般问题
(t
z
)
A2
A0
cos 2
(t
z
)
总波为二者叠加：
A
A1
A2
2 A0
cos
2
z
cost
稳定波存在必须满足驻波条件：
一维： L q
2
与谐振条件等价
从波动理论知：驻波是稳定存在的波。满足驻波条件的 那些光波称之为光腔的纵模，q为波节数，一般很大。一般 把由整数q所表征的腔内的纵向场分布称为腔的纵模。其特 点是：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向 形成驻波，驻波的波节数由q来决定。
共轴
球面 R1
共轴 R2
2. 开放式: 除二镜外其余部分开放 共轴: 二镜共轴 球面腔: 二镜都是球面反射镜(球面镜)
三.光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:
稳定腔 (光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外) 光腔 临界腔 (几何光学损耗介乎上二者之间)
非稳腔 (伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的
a
在这种条件下，可认为均匀平面波是F-P谐振腔内的最低损 耗模，从而为F-P谐振腔的模式提供一种粗略的，也是有用 的形象。
所以考虑均匀平面波在F-P谐振腔内沿轴线方向往返传播的 情形
激光原理第二章ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
四、光腔的损耗－－光子在腔内的平均寿命
四、光腔的损耗
损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，（与激 光阈值相关）本小节对无源、开腔的损耗进行分析。
• 开腔的损耗及其描述 • 光子在腔内的平均寿命 • 无源谐振腔的Q值 • 无源腔的本征振荡模式带宽 • 损耗计算举例
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
四、光腔的损耗－－开腔的损耗及其描述
2、平均单程损耗因子：
•定义：
I1 I0e2
若有多种损耗：
1 ln I0 2 I1
(与1-91比较)
n
i 12n
i
I1I0e 21e 22I0e 2
三、光腔的纵模－－多纵模振荡
1、腔内存在模式要形成稳定的振荡，还必须满足自激振荡
条件：单程小信号G0l增益大于单程损耗δ，即：G0l
2、如果以△νT表示增益曲线高于阈值部分的频带宽度，则 可能同时振荡的纵模数为：
讨论：
q [T ] 1 q
•
当 T q
1，激光器中至少有两个以上的纵模振荡。即多纵
§2.1 光腔理论的一般问题
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
一、光腔的构成与分类
激光与原理习题解答第二章
激光原理第二章习题答案1．估算2C O 气体在室温(300K)下的多普勒线宽D ν∆和碰撞线宽系数α。
并讨论在什么气压范围内从非均匀加宽过渡到均匀加宽。
解：2C O 气体在室温(300K)下的多普勒线宽D ν∆为11822770693103007.16107.161010.61044 0.05310H zD T M νν---⨯⎛⎫⎛⎫∆=⨯=⨯⨯⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭=⨯ 2C O 气体的碰撞线宽系数α为实验测得，其值为49K H z/Pa α≈2C O 气体的碰撞线宽与气压p 的关系近似为L p να∆=当L D νν∆=∆时，其气压为930.053101081.6Pa 4910Dp να∆⨯===⨯所以，当气压小于1081.6P a 的时候以多普勒加宽为主，当气压高于1081.6P a 的时候，变为以均匀加宽为主。
2．考虑某二能级工作物质，2E 能级自发辐射寿命为s τ，无辐射跃迁寿命为τ。
假定在t=0时刻能级2E 上的原子数密度为2(0)n ，工作物质的体积为V ，自发辐射光的频率为ν，求：(1)自发辐射光功率随时间t 的变化规律；(2)能级2E 上的原子在其衰减过程中发出的自发辐射光子数；(3)自发辐射光子数与初始时刻能级2E 上的粒子数之比2η，2η称为量子产额。
解：(1) 在现在的情况下有可以解得：11()22()(0)stn t n eττ-+=可以看出，t 时刻单位时间内由于自发辐射而减小的能级之上的粒子数密度为2/s n τ，这就是t 时刻自发辐射的光子数密度，所以t 时刻自发辐射的光功率为：222()()sdn t n n dtττ=-+(2) 在t dt →时间内自发辐射的光子数为：所以(3) 量子产额为：3．根据红宝石的跃迁几率数据：7151332312121310.510,310,0.310,S s A sA s S S ---=⨯=⨯=⨯=估算13W 等于多少时红宝石对694.3n m λ=的光是透明的。
激光原理(第2章)
三、光腔的损耗 损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，也是腔模理论的重要研究 课题。光学的损耗大致包括如下几个方面： (1)几何偏折损耗。光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出 去，这种损耗为几何偏折损耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸。 例如，稳定腔内傍抽光线的几何损托应为各零，非稳腔则有较高的几何 损耗。以非稳腔而论，不同几何尺寸的非稳腔，其损耗大小亦各不相同。 其次，几何损耗的高低依模式的不同而异。比如同一平行平面腔内的高 阶横模由于其传播方向与轴的夹角较大，因而其几何损耗也比低阶横模 为大。 (2)衍射损耗。由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，因而当 光在镜面上发生衍射时，必将造成一部分能量损失。本节以及本书后面 几章的分析表明，衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数 N＝a2/Ll有关，与 腔的几何参数g有关，而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。
(3)腔镜反射不完全引起的损耗。它包括镜中的吸收、散射以及镜的 透射损耗，通常的光腔至少有一个反射镜是部分透射的，有时透射率还 可以很高(例如，某些固体激光器的轴输出透射率可以＞ 50％)，另一个 反射镜即使通常称为“全反射”镜，其反射率也不可能做到100％。 (4) 材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物 ( 如布儒斯特窗、调 Q 元件、调制器等)所引起的损耗，等等。 上述 (1)(2) 两种损耗常常又称为选择损耗，因为不同模式的几何损 耗与衍射损耗各不相同。 (3)(4)两种损耗称为非选择损耗，在一般情况 下它们对各个模式都一样。 不论损耗的起源如何，我们都可以引进一个“平均单程损耗因子” d 来定量地加以描述。该因子的定义如下：如果初始出发时的光强为 I0， 在无源腔内往返一次后，光强衰减为I1，则
2.1 光腔理论的一般问题
一、光腔的构成和分类
在激活物质的两端恰当地放置两个反射镜片，就构成一个最简单的 光学谐振腔。
激光原理第二章习题解答
激光原理第二章习题解答(共15页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--《激光原理》习题解答 第二章习题解答1 试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限次，而且两次往返即自行闭合.证明如下：（共焦腔的定义——两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔。
共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔。
公共焦点在腔内的共焦腔是实共焦腔，反之是虚共焦腔。
两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔。
）根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明。
设两个凹镜的曲率半径分别是1R 和2R ，腔长为L ，根据对称共焦腔特点可知：L R R R ===21因此，一次往返转换矩阵为⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=211121222121221221221R L R L R L R L R R R L L R L D C B A T 把条件L R R R ===21带入到转换矩阵T ，得到：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1001D C B A T 共轴球面腔的稳定判别式子()1211<+<-D A 如果()121-=+D A 或者()121=+D A ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。
本题中 ，因此可以断定是介稳腔（临界腔），下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔。
经过两个往返的转换矩阵式2T ，⎥⎦⎤⎢⎣⎡=10012T 坐标转换公式为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1111112221001θθθθr r r T r 其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。
激光原理 第二章光学谐振腔理论
光学谐振腔一方面具有光学正反馈作用,另一方面 也存在各种损耗。损耗的大小是评价谐振腔质量 的一个重要指标,决定了激光振荡的阈值和激光的 输出能量。本节将分析无源开腔的损耗,并讨论表 征无源腔质量的品质因数Q值及线宽。
一、损耗及其描述 (1)几何偏折损耗: 光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面 偏折出去，我们称这种损耗为几何偏折损 耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺 寸。
概述
3.波动光学分析方法 从波动光学的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论出发,可以建立 一个描述光学谐振腔模式特性的本征积分方程。 利用该方程原则上可以求得任意光腔的模式,从而得到场的 振幅、相位分布,谐振频率以及衍射损耗等腔模特性。 虽然数学上已严格证明了本征积分方程解的存在性,但只有在 腔镜几何尺寸趋于无穷大的情况下,该积分方程的解析求解 才是可能的。 对于腔镜几何尺寸有限的情况,迄今只对对称共焦腔求出了 解析解。 多数情况下,需要使用近似方法求数值解。虽然衍射积分方 程理论使用了标量场近似,也不涉及电磁波的偏振特性,但与 其他理论相比,仍可认为是一种比较普遍和严格的理论。
第一节 光学谐振腔的基本知识
本节主要讨论光学谐振腔的构成、分类、作用,以及 腔模的概念
光学谐振腔的构成和分类
根据结构、性能和机理等方面的不同,谐振腔有不同 的分类方式。
按能否忽略侧面边界,可将其分为
开腔、 闭腔 气体波导腔
第一节 光学谐振腔的基本知识
开腔而言： 1. 根据腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低,又可分为 稳定腔、非稳腔及临界腔; 2. 按照腔镜的形状和结构,可分为球面腔和非球面腔; 3. 就腔内是否插入透镜之类的光学元件,或者是否考 虑腔镜以外的反射表面,可分为简单腔和复合腔; 4. 根据腔中辐射场的特点,可分为驻波腔和行波腔; 5. 从反馈机理的不同,可分为端面反馈腔和分布反馈 腔; 6. 根据构成谐振腔反射镜的个数,可分为两镜腔和多 镜腔等。
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一、CO2激光器的工作物质
❖ 分子的内能：电子运动、原 子间的振动、整体转动
❖ CO2激光器中CO2分子跃迁 发生在基态电子的不同振转 能级之间
❖ 振动能级：V1V2lV3
对称 V1 弯曲 V2 反对称 V3 l为弯曲振动的角量子数
❖ 转动能级
不存在纯振动， 振动时一定处 于某种转动之 中
❖ 红宝石的特点
在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充 分利用光能
化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导 热性好
阈值高 单位体积内产生粒子数反转所需的最小输 入能量高，三能级系统，半数以上的抽运才能实 现粒子数反转，需要较大的泵浦光能
温度影响大 50度以上功率减小，300度温度猝灭
❖ 导光系统的保护（人身和镜面）
光束方向改变
YAG 激光传输方式 --光纤传输
Nd:YAG Laser Beam Delivery
Laser
分光装置
扫描光路
§2.5.4 工业激光加工系统
激光加工设备
主要部件
辅助部件
激光器
导光系统
冷却系统
加工头
工件装夹
光路保护装置
控制系统
工件运动系统
辅助材料
整体旋转，转 动的能量是量 子化的
❖ 振转能级形成 CO2光谱的精 细结构，200多 条谱线
激发过程（基态000跃迁到上能级001）
❖ 慢速电子碰撞激发 CO2(000)+eCO2(001)+e
❖ 串级跃迁 CO2(00V3)+ CO2(000)CO2(00V3－1)+ CO2(001) （V3>1）
功率高；4、光束质量差(高阶模或环形模)
轴流式CO2激光器
Fast-Axial Flow Lasers -Theory Of Operation
PRC Laser
The Carbon Dioxide Fast Axial Flow Laser
Schematic diagram of a fast axial flow CO2 laser
二、固体激光器的结构
第一台红宝石激光器的结构
Haas YAG Laser
Cross Section
The Nd:YAG Solid State Laser
Modern CW lamp pumped
Nd:YAG laser
Schematic diagram of an Can also use diode
红宝石棒成本高
发散角大3～10mrad、总效率低0.2~0.5%
2.掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
❖ YAG: Y3Al5O12（Y2O3 和 Al2O3按3：5克分子比）
❖ Nd3+ 代替Y3+: Y2.97Nd0.03Al5O12
❖ Nd3+：四能级系统
❖ 两条吸收谱线：750nm和 810nm
大功率激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
板材激光焊接机
激光焊接聚焦头
金刚石锯片激光焊接机
金刚石锯片激光焊接车间
全自动焊接机
半自动焊接机
金刚石刀片制造系统
缸套激光热处理机
汽车缸套激光热处理机
北京切诺基缸套在线激光热处理机
河南孟州缸套激光热处理车间
激光热处理汽车缸套
聚焦
反射聚焦与透射聚焦
Beam focusing
0.6mm
Reflective 4kW Nd:YAG beam print ~150mm focal length
Transmissive
Power density at focus ~1,500,000 W/cm2
Copyright © 2003, TWI Ltd
❖ 危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭” ❖ 冷却方式：全腔式、分离式
六 调Q技术
❖ Q激光器的品质因子
定义：
Q 2 W
dW
其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量， v为频率
❖ Q：反映了谐振腔的损耗，Q越大，起 振越容易，损耗越小
❖ 调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄 脉冲
调Q过程和方法
❖ 调Q方法：
World Centre for Materials Joining Technology
双焦点的获得
三、匀光系统
❖ 目的：功率密度均匀分布的矩形光斑 ❖ 形式：
离焦光斑 振动镜 旋转多棱镜 积分镜
匀光系统
四、导光系统
❖ 目的：将光束引入到加工位置 ❖ 形式：
光束转动和光学关节臂 光纤传输系统 分光系统
§2.5 工业激光加工设备
§2.5.1 固体激光器 §2.5.2 气体激光器 §2.5.3 激光加工的光学系统 §2.5.4 工业激光加工系统
工业激光器
❖ 固体激光器
红宝石 铷玻璃 Nd3+:YAG
❖ 气体激光器
CO2 CO
能量输出方式：脉冲，连续
激光器的组成
❖ 激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大， 具备亚稳态的多能级系统
一、固体激光器的工作物质
1、红宝石：Al2O3晶体中掺 入少量Cr3+
❖ Cr3+是激活粒子， Al2O3晶体是基体
❖ 三能级系统：
基态E1：4A2 激发态E3：4F1 、 4F2 亚稳态E2: E、2A
❖ 由于谱线竞争，激光 多产生于R1线 (694.3nm)
❖ 两个吸收能带
❖ 410nm(蓝光带) ❖ 550nm(绿光带)
机械转镜 电光开光 声光开光
M1
M2
转镜调Q
§2.5.2 气体激光器
❖ 增益介质为气体, 可以是原子，分子或离子 ❖ He-Ne激光器 ❖ CO2 分子激光器:
高功率:25kw,欧洲尤里卡计划100kw 高效率：量子效率达40％，电光总效率15％，
YAG：2～3％ 高光束质量，连续稳定输出低阶模 长波长：非金属吸收，金属强烈反射
特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏 振态有关；离子能级受晶格场的影响
玻璃. 掺杂浓度高，均匀
缺点：热性能，机械性能较差, 谱线较宽 特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3
激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-3—10-4 s 储能大 泵源：一般用光泵激励 激光器组成： 固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统
Modern RF excited fast Axial flow CO2 laser
❖ 快轴流(200~500m/s)和慢轴流(0.1~1m/s)
❖ 特点:
光束、气流、电场同向 分段激励 单位长度输出功率大 500w/m，体积大大减小 输出光束质量好：基模或低阶模 可连续或脉冲输出
三、影响CO2激光器功率输出的因素
Nd:YAG laser
lasers for pumping
Copyright © 2003, TWI Ltd
World Centre for Materials Joining Technology
三、泵浦光源
❖ 要求：电光效率高、发光谱线与工作物质的 吸收谱线一致、功率大、亮度高、寿命长
❖ 光源种类：
氯化钾(KCl)
CO2激光透射材料性能比较
常用反射材料的反射率
二、聚焦光学系统
❖ 透射聚焦：2kw以下时常用
良好的聚焦性能、小光斑 与工作区域较近、容易污染（气流保护） 热透镜效应
❖ 反射聚焦：可用于大功率
高导热材料、背面冷却 镜面稳定、热畸变小、破坏阈值高 同轴球面聚焦、离轴球面聚焦、校正的离轴球面
❖ 共振转移＋N2(振动能级E(v)与00V3相近) N2(V=1~4)+ CO2(000)N2(V=0)+ CO2(00V3=1~4) V3=1 001 V3>1 再通过串级跃迁到001
弛豫过程（100、020000）
❖ 分两步
100、020010(很快) 010000(很慢，加快气体)
❖ 下能级尽快排空，维持粒子数反转
惰性气体放电灯：Kr灯、Xe灯 金属蒸汽灯：汞弧灯、碱金属蒸汽灯 半导体发光二极管（激光和非相干光）
❖ 灯光形状：直线型或螺旋形 ❖ YAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯
四、聚光器
❖ 又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统
五 冷却系统
❖ 热量来源：
电光转换效率30～60％ 工作物质无辐射跃迁 聚光器内壁吸收泵浦光 激光工作物质吸收的多余的泵浦光线 反射镜片吸收的部分光
上下料
质量监控
3D laser cutting and welding
激光加工系统图片
大功率激光切割机
VECTOR数控激光切割机
激光切割聚焦头
数控5轴激光切管机
Profile 数控激光切割机
中小功率激光焊接机
小型通用激光焊接机
首饰激光焊接机
中小功率激光焊Biblioteka 机LWY50C4多光束激光焊接机 多光束激光焊接聚焦系统
❖ 工作气体的成分
CO2产生激光 N2：共振激发，同时加速弛豫过程 He：抽孔下能级（碰撞），导热性好、散热 不同结构具有不同最佳比例 气体“老化”：分解、空气滲入、不同的解决方法
❖ 温度的影响：温度升高，下能级粒子数增多，功率绛低 ❖ 放电电流的影响：一定范围内，电流增大功率增大；电
流过大加速CO2分解和温度上升，功率下降
❖ E0(光激励)E3 E2(10－3s) (10.6um)E1 E0
E*10-3cm-1 750nm 810nm 10600nm
22
20
E3
18
16
12
E2
10
8
6