固体激光器基本特性

N e A21t 0

N0e
21
爱因斯坦系数
热平衡：N2 ＝N1 ＝0 t t
N2 A21 N2 ( 21)B21 N1 ( 21)B12
8 2h 21
A21
（
）＝
21
c3
h
e kT 1

( g1
g2 )(B12
B21
B21) exp(h 21
kT )
5
1.1固体激光器的基本结构及能量转换 激光器组成
6
固体激光器基本结构
1. 激光工作 物质
2. 泵浦源 3. 聚光腔 4. 谐振腔 5. 冷却与滤
光
7
固体激光器的能量转换
8
量子效率
E3
A31
W13
S32
E2
A21 B12 B21
E1
a) 三能级
E3
S32
A30
W03
E2
A21 B12 B21
k 1.381023 J K
室温T 300K
300T k hc / 50m
N
2
N1


e
50 0.69
1032
14
波耳兹曼分布
能级简并：
N1 g1N1'
N2 g2N2'
N2 N1

g2
N
' 2
g1N1'

g2 g1
exp

(
E2 kT
E1
)

15
爱因斯坦系数

1
21
(

1 2l
ln
1 R
)
.........(1.2
5)
若g1 g2
n2th

1 2
(ntot

nth )......(1.2

6)
26
四能级系统阈值
E3
S32
A30
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
调Q状态不成立
n

n2

g2 g1
n1
n2
n2th

nth
光电子技术 精品课程
1 固体激光器基本 特性
光电子技术(2)(激光器件)
固体激光器
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
2
固体激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图
3
固体激光器特点
运行方式多样：CW，PW，QCW，调Q， 锁模，高平均功率，高重复率，高单脉冲 能量及高峰值功率。

I0
I0 Re2l I0
1 Re2l
无透射损耗率： =1-e-2l
19
100% I0
工作物质
固体激光器的损耗
R
I’ l
R 1T
1 e2l gb 1 (1 t)(1 ) T T gb T //对于某些情况，Tβ可忽略
E1
E0
b) 四能级
量子效率0

亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2

A21 A21 S21
四能级1
=
S32
S32 +A30
+A31
优质红宝石: 0.7 钕玻璃: 0.4
9
普通红宝石: 0.5 YAG: ~1
斯托克斯损失或斯托克斯比
E3
A31
W13
S32
E2
A21 B12 B21
E1
a) 三能级
E3
S32
A30
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
b) 四能级
0
0, 激光频率
p
p ,泵浦光频率
10
T
T
输出耦合系数
T，输出镜透射率
，谐振腔往返损耗率
11
黑体辐射
1.2固体激光器的阈值
单色辐射密度：（）＝
谱线多，达数千条，分布于可见到近红外 区，通过频率变换技术可到紫外区
系统简单，制造容易，传输灵活，可接光 纤
结构紧凑，牢固耐用，价格适宜
4
1.固体激光器基本特性
1.固体激光器基本特性
1.1固体激光器的基本结构和能量转换 1.2固体激光器的阈值 1.3输出能量（功率）、效率和最佳透过率 1.4输出稳定性、光谱特性、偏振特性和方向性
20
100% I0
I’
工作物质
固体激光器的阈值
R
l
阈值条件：
21
固体激光器阈值
gth


1 2l
ln
1 R
.................(1.2 1)
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
g n 0 A21 4 2n2
其中，n

n2

g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
21 0 A21 / 4 2n2
1
A21
B21

8 2h
c3
B21

g1 g2
B12
17
固体激光器的损耗
透射损耗(T) 工作物质的吸收，散射（αi） 其它元件的反射、吸收、散射及衍射
损耗（ αa） 损耗系数α= αi +αa
18
100% I0
工作物质
固体激光器的损耗
R
I’ l
总往返损耗 gb
率：

I0 I' I0
g n 21......................(1.2 2)
高斯线型
21 0 A21 ln 2 / 4 2n2
22
固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
23
固体激光器阈值
nth

gth
21

1
21
(

1 2l
ln
1) R
.............................(1.2 3)
24
三能级系统阈值
E3
S32
A31
W13
E2
A21 B12 B21
E1
S32>>W13, n3=0
n1+n2=ntot Δn=n2-n1(g2/g1)

1
21
(

1 2l
E2
A21 B12 B21 E1
N2 N1 Ntot E2 E1 hv21
自发辐射系数A21
自发辐射寿命
21
=
A
-1 21
受激辐射系数B21
N t
2
＝－B21（
21）N
2
受激吸收系数B12
N1 t
＝－B12
（
21）N1
16
N2 t
N2 A21
t
N2 (t)
n2

( g2 g1
ntot

n)
(1 g2 )..................(1.2 4) g1
25
三能级系统阈值
n2th

( g2 g1
ntot

nth )
(1 g2 ) g1
nth

1
21
(

1 2l
ln
1) R

(1
1 g2
/
g1 )

g2 g1
ntot
8
c3
2
h
h
e kT 1
维恩位移定律：m ( m
)＝ 2898 T (K )
12
黑体辐射
13
波耳兹曼分布
N2 exp( (E2 E1Biblioteka Baidu)
N1
kT
E2
A21 E1
B12 B21
例如：红宝石
0.69m
h 6.6 1034 J s
E2 E1 h 2.861019 J