第20讲 连续激光器工作特性
合集下载
激光器工作特性
ν1, 2 0 1
ln T i ln 2
νT 1 H
②非均匀加宽
证
G me
2
4 ln 2 ( 0 ) 2 i2
Gt
4 ln 2( 0 ) 2 ln 2 i
ln ln 1 ln 2 ( 0 ) i 1, 2 0 i T ln 2 i 4 ln 2 2 ln 2
3、起振模式数
T q [ ] 1 q
Gm
G0()
[x]:取整函数
c q : 本征纵模频率间隔 2L
Gt
T
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 Gt 0.05 0.01 12 3 1 解 Gt n 2 10 m 0.05m t 14
均匀加宽激光器空间烧孔效应
t 因此虽然νq模在腔内的平均增益系数等于 G ,但实际 上轴向各点的反转集居数密度和增益系数是不相同 的,波腹处增益系数(反转集居数密度)最小,波节处 增益系数(反转集居数密度)最大。这一现象称作增 益的空间烧孔效应。我们再来看频率为νq'的另一 纵模,其腔内光强分布示于图(c)。由图可见,q'模式 的波腹有可能与q模的波节重合而获得较高的增益, 从而形成较弱的振荡。以上讨论表明,由于轴向空 间烧孔效应,不同纵模可以使用不同空间的激活粒 子而同时产生振荡,这一现象叫做纵模的空间竞争。
q 1
但 q , q 1 的增益系数仍大于阈值，I , I 仍将继 续增加,增益曲线继续下降,这将使 G( , I ) G 故该模式的光强 I 很快减弱，直至熄灭。 （2）同理，当曲线下降到2时，导致 I 很快熄 灭。 （3）当曲线下降到3时，G( , I ) G ，I 光强达 到稳定值，不再增大。整个增益曲线也不再下降。 （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。
第四章连续激光器的稳态工作特性1
q 0 4 ln 2 D
2
该模式的输出功率为
P q SI T STI s {[e
q 0 4 ln 2 D
2
] 1}
2
(4-3-14） q 0 时，I+与I- 同在增益曲线中心处产 生一个烧孔，稳定振荡模式的光强
1 1 (4-3-5） P STI ST hv 2 2 I hv (4-4-9） 如果忽略除输出损耗以外的其它损耗，也就 是δ=T/2 P (4-4-10） Shv
分配到频率为ν模式上的自发辐射跃迁几率
A21 A g ( , 0 ) m V
(4-4-3)
s 0及 s 0
这种理想激光器发光的物理图景是：腔内的 受激辐射能量补充了损耗的能量，而且由于 受激辐射所产生的光波与原来的光波具有相 同的位相，两者相干叠加使腔内光波的振幅 始终保持恒定。因而，输出激光在此理想情 况下是一个无限长的波列，其线宽等于零。 实际情况是，自然界不可能存在绝对的单色 光，即使单纵模激光器输出的激光线宽也不 会等于零。 原因：忽略了自发辐射的存在。
第四章 连续激光器的稳 态工作特性
输出功率、模式竞争、频率牵引以及线宽极 限
4．1 激光形成的阈值条件
光在腔内往返一周所获得的增益>或=各种损 耗的总和，激光便可产生，否则激光便不能产 生。
一、阈值条件
（一）阈值增益系数 讨论的是激光形成的阈值，在阈值附近腔内 光强还很弱，相当于小信号情况。当增益和 损耗同时存在时光往返一周后的光强为：
G>Gt频率范围为振荡带宽 T
1, 2
振荡带宽
H 0 1 2
激光器的工作特性
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
11
思考：激光器设计中，“阈值条件”的意义是什么 ？
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
Pump power threshold
2020/9/17
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
ggG000((()))
ggGgtttt00001001
00q1
00q1 01q1
0000qq01q
0000qq1101q10000qq 22
01q1 01q
01q 1
思考：图中有几个模式可以起振 ？
2020/9/17
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
15
NJUPT 赵新彦
讨论：增益曲线如何变化 ？
激光上能级粒子
数随时间增长，
抽运结束瞬间达
到最大值。
t
结论： 各能级粒子数及腔内光子数处于
剧烈变化中，系统处于非稳定态
2020/9/17
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
9
NJUPT 赵新彦
6.1.2. 连续激光器与长脉冲激光器
W12 (t)
W12
t0 2
0
N2 (t)
N2 (t0 )
0 2 2 t t0
第六章 激光器的工作特性
2020/9/17
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
1
NJUPT 赵新彦
§6.1 连续与脉冲工作方式
脉冲激光器 Pulsed laser:PL 连续激光器Continuous Wave Laser:CWL
连续激光器 准连续激光器（长脉冲激光器）
连续激光器的增益和工作特性PPT学习教案
n3 S32
A30
dn2
dt
n2 g2n1 / g1
21
, 0
vNl n2
A21 S21
n3S12 W03
A30
S30
dn0
dt
n1S10
n0W03 n3 A30
n0 n1 n2 n3 n
E0
S32 E2
S21
A21
W21
W12
E1 S10
第3页/共55页
所以弱光的增益系数为：
n n0
1
1 0 2 0 2 H
H / 22
/ 22
1 I1
/
IS
GH , I1
n
21
, 0
G0H
1
1 0 2 0 2 H
H / 22
/ 22
1 I1
/
IS
第18页/共55页
增益饱和
如果ν1=ν0， Iν1=IS，则
；
每时个，Δ粒n子也都就对减G少H了(ν)对有其贡它献频，率当信Iν1号的的受GH增激益辐, IS起射 作消G用耗0H 的了 粒激/ 2子发；态的粒子
5.2非均匀加宽工作物质的增益系数
这一部分粒子的饱和行为可以用均匀加宽情况下得出的公式描述：
如果入射光频率为νA，则对中心频率为νA的粒子，相当于均匀加宽情况 下的入射光频率等于中心频率，当光强足够强时有：
对于中心频率为νB的粒子，由于νA偏离νB引起的饱和效应较小，对应B1 点；
对于中心频率为νC的粒子，n
整个增益曲线以同等的份额均匀下降；
均匀加宽激光器中，当一个模开始振荡后，就会使其它模的增益 降低，从而阻止其它模的振荡，即产生了模式竞争；
第19页/共55页
4 激光器工作特性
3、规律 、
(1)输出光频在 ν0 − 1 ∆νq至 ν0 + 1 ∆νq 范围内变化 输出光频在 2 2 (2)腔长每伸长 λ,产生一次跳变 腔长每伸长 产生一次跳变
1 2
证
ν =q
c 2L
dν qc =− 2 dL 2L c c = ∆L 2L λL
∆ν = q
c ν c ∆L = ∆L = ∆L 2 2L L λL
c 3×108 ∆νq = = = 93.75M z H 2L 2×1.6
∆ =[ q
∆ T ν 3000 ]+1=[ ]+1= 33 ∆ q ν 93.75
§2 模式竞争 一、基本概念 满足振荡条件的激光模式由于使用相同反转 的激光模式由于使用相同 满足振荡条件的激光模式由于使用相同反转 粒子数而产生的竞争 二、特点 1、均匀加宽 、 所有模式间有竞争 靠近中心频率处的模 所有模式间有竞争,靠近中心频率处的模 有竞争 式取胜
激光器放电管及腔长都为L=1.6m,直 激光器放电管及腔长都为 直 例3 He-Ne激光器放电管及腔长都为 径为d=2mm,两反射镜透射率分别为0和T=0.02,其 两反射镜透射率分别为0 径为 两反射镜透射率分别为 其 它损耗的单程损耗率为δ=0.5%,萤光线宽ΔνF 它损耗的单程损耗率为δ 萤光线宽Δ 萤光线宽 =1500MHz, 其峰值小信号增益系数 m=3×10-4/d 其峰值小信号增益系数G × 1/mm。求①激发参量α②可起振的纵模个数Δq 激发参量α 可起振的纵模个数Δ 。 δ 0.015 Gt = = = 0.009375m−1 解 δ=0.01+0.005=0.015 L 1.6
ν
ν0
t
2、解释 、
温度升高→腔长变大 光频向低频漂移 温度升高 腔长变大→光频向低频漂移，当vq+1比vq靠 腔长变大 光频向低频漂移， 比 靠 近中心频率时， 会取胜， 近中心频率时， vq+1会取胜，从而抑制 ，则输出频率 会取胜 从而抑制vq， 突然由vq 增至vq+1 ，产生一次跳变。 产生一次跳变。 突然由 增至
第二部分-(IV)-激光器的工作特性
近轴情况
S2 1 1 1 R1 l1, R2 l2 l1 l2 F 发散(+) 会聚(-)
物距 像距 焦距
1 11 R2 R1 F
1 q2
1 R2
l i w22
1 11 R2 R1 F
w2 w1
（薄透镜）
1 11 q2 q1 F
第二部分
激光的基本原理及特性
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
（6）、激光形成的阈值条件
光在激活介质中传输时，一方面获得增益，使光强增大；另一方面还存在 各种损耗，使光强变小。因此，要产生激光（形成激光振荡）必须使光在谐振 腔内往返一周获得的增益大于或等于损耗。
形成激光振荡的条件： G0（）≥ a
G0（）是介质对频率为的光的小信号增益， a为损耗系数（单位长度光强的损耗率）。
dIz) gz) aIz)dz
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
(5). 增益饱和 g (I)
问题: 何时会出现饱和？
• 增益饱和－光强增大到一定程度, g 将随 I 的增大而减小
假设n分布均匀, g(z)g0 Is －饱和光强
nz)
1
n
Iz)
Is
1
Rz)
Re
q1z),
1
w2 z )
l
Im
1
qz)
Reqz) Rz), Imqz) ~ w2z)
第二部分
激光的基本原理及特性
高斯光束
• 若已知高斯光束某一位置的q参数 w(z), R(z),
光腰处（z＝0）
激光器的稳定工作特性
v v
q
v
q +1
v
q + 2
v
q + 3
v
q − 2vq −1 Nhomakorabeaq
v
q +1
v
q + 2
v
q − 2
v
q −1
v
q
v
q +1
v
q + 2
作业： 作业：
思考题： 思考题： P57 12、13 、 习 题：
简述激光单色性高的原因。 简述激光单色性高的原因。
预 习： P78---P90 §5.1 电光调制
1 1 G (ν ) ≥ α (ν ) + ln 2L ρ1 ρ 2
(4) 激光稳定输出模式：增益饱和效应 激光稳定输出模式：
1 1 G (ν ) = α (ν ) + ln = Gm 2L ρ1 ρ 2
单模线宽Δνc:
c 1− ρ ∆vc = 2πnL ρ
G (v、 v0 )
G 0 (v、 v0 )
G (v、 I (vi )) ∑
增益和损耗曲线
G (v、 I (v0 ))
α (ν ) +
1 1 ln = Gm 2L ρ1 ρ 2
v−2
v −1
v0
∆ v0
v1
v2
腔内可能模式
vq−3
vq−2 v q −1
vq
v q +1
vq+2
vq+3
可起振模式
vq−2 v q −1
vq
增益介质： 增益介质：
A 21c G (ν ) = ( n 2 − n1 ) ⋅ ⋅ g (ν ,ν 0 ) 2 8πν
激光物理激光器的工作特性
激光器的工作特性
汇报人：XX
目录
添加目录标题
激光器的产生
激光器的特性
激光器的应用
激光器的分类
添加章节标题
激光器的产生
原子能级跃迁：激 光器中的原子从高 能级向低能级跃迁， 释放出光子
共振腔：通过共振 腔对光子进行放大 和选频，形成激光
泵浦源：通过泵浦 源激发原子，使高 能级原子数量增加
谐振腔：谐振腔的 作用是选频和放大， 使特定频率的光得 到放大
激光器的特性
激光器产生的光波是相干的，即具有相同的频率、相位和偏振状态。 相干性使得激光器发出的光束具有高度的方向性和准直性。 相干性也是实现激光干涉和衍射的重要条件，在光学精密测量和计量领域有广泛应用。 激光器的相干性与原子或分子的能级结构有关，不同类型激光器具有不同的相干性质。
特性：由于光谱线宽极窄，激 光的单色性远优于普通光源
定义：激光器发出的光波长 单一，具有极高的光谱纯度
应用：在光谱学、光学测量、 医学等领域有广泛应用
优势：单色性好使得激光的相 干性较好，有利于实现干涉、
衍射等光学现象
激光器发出的光束具有高度的准直性和指向性，能够在很远的距离上保持光束的平直和 指向不变。
激光器的光束发散角很小，通常在毫弧度甚至微弧度量级，因此其光束在空间中的传播 方向非常稳定。
液体激光器：以液体作为工作物质， 常见的有染料、荧光等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
气体激光器：以气体作为工作物质， 常见的有氦氖、二氧化碳等
半导体激光器：以半导体材料作为 工作物质，常见的有砷化镓、磷化 铟等
连续激光器 脉冲激光器 调Q激光器 锁模激光器
连续激光器：输出 波形连续不断，能 量稳定，应用广泛
汇报人：XX
目录
添加目录标题
激光器的产生
激光器的特性
激光器的应用
激光器的分类
添加章节标题
激光器的产生
原子能级跃迁：激 光器中的原子从高 能级向低能级跃迁， 释放出光子
共振腔：通过共振 腔对光子进行放大 和选频，形成激光
泵浦源：通过泵浦 源激发原子，使高 能级原子数量增加
谐振腔：谐振腔的 作用是选频和放大， 使特定频率的光得 到放大
激光器的特性
激光器产生的光波是相干的，即具有相同的频率、相位和偏振状态。 相干性使得激光器发出的光束具有高度的方向性和准直性。 相干性也是实现激光干涉和衍射的重要条件，在光学精密测量和计量领域有广泛应用。 激光器的相干性与原子或分子的能级结构有关，不同类型激光器具有不同的相干性质。
特性：由于光谱线宽极窄，激 光的单色性远优于普通光源
定义：激光器发出的光波长 单一，具有极高的光谱纯度
应用：在光谱学、光学测量、 医学等领域有广泛应用
优势：单色性好使得激光的相 干性较好，有利于实现干涉、
衍射等光学现象
激光器发出的光束具有高度的准直性和指向性，能够在很远的距离上保持光束的平直和 指向不变。
激光器的光束发散角很小，通常在毫弧度甚至微弧度量级，因此其光束在空间中的传播 方向非常稳定。
液体激光器：以液体作为工作物质， 常见的有染料、荧光等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
气体激光器：以气体作为工作物质， 常见的有氦氖、二氧化碳等
半导体激光器：以半导体材料作为 工作物质，常见的有砷化镓、磷化 铟等
连续激光器 脉冲激光器 调Q激光器 锁模激光器
连续激光器：输出 波形连续不断，能 量稳定，应用广泛
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
第4章激光器的工作特性
n3 0
n 1W 1 3 n 3 S 3 2 A 3 1
n3 S 32
1
g2 n2 n1 2 1 , 0 v N l n 2 S 2 1 A 2 1 n 3 S 3 2 dt g1
泵浦效率 1 S 32 S 32 A31
11
钕玻璃 7× 10 7× 10
12
Nd:YAG 1 .9 5 × 1 0 2 .3 × 1 0
11
He-Ne 1 .5 × 1 0 7× 10 10
9 9
－3
－4
－4
－9
)
8 .7 × 1 0
17
1 .4 × 1 0 1 .4 × 1 0 0 .4 0 .9 5 1400
18
1 .8 × 1 0 1 .8 × 1 0 1 4 .9 × 1 0 21
1 e
A 21
2
1W 1 3 t
讨论:1.经历两种变化过程
0<t<t0 激励过程中 t>t0
W 13 0
n2 n2
n2(t0)
泵浦脉冲撤除
dn dt
2
t0
n 2 A 21 2 n 2 A 21 S 21
光泵作用过程中, n2(t) 处于不断增长的非稳态 4.t0 >>t2 (长脉冲泵浦)
n 2 t
激励时间足够长
n 1 t n n 2 t A 21 n A 21 1 2W 13
1W 13 n
A 21
2
1W 13
n2 完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理;n1也达到稳定值
激光器的工作特性
输出能量和光泵输入电能的关系
对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为:
E ou t aT TE i n腔内2 激p 1光1能a量T 为T ：(E pE pt)
6.5.2 驰豫振荡
弛豫振荡现象：
固体脉冲自由运转激光 器输出的尖峰脉冲
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。
g(q1) gt g(q1)、g(q) gt
增益曲线下降到曲线2：
g ( q 1 ) g t
g ( q ) g t
增益曲线下降到曲线3：
qq 11 00 qq qq 11
g(q ) gt
模式竞争：通过增益饱和效应，某一模式逐渐把其它模式振荡 抑制下去，最后只剩下一个纵模。
（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
g0( )
gt
g ( q , I q )
g(q,Iq ) gt
l
T1
腔0内光强增大：
增益系数
I下降 （增益饱和作用）
稳定工作状态
I 小信号增益系数
阈值增益系数
T2 T
6.4.1 均匀加宽单模激光器
T 1 且增益系数不太大时：
I I
0(时 开始H 重/2 叠)。 1I/Is
兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔的宽度：
H
1 I Is
加大气体激光器放电管中的气压，
使碰撞线宽增大，可使兰姆凹陷变
宽、变浅。
不同气压下输出功率和频率的关系
2. 总功率 在非均匀激光器中，如果模间隔较大，各个模式相互独立，互不影响，
可分别求出每个纵模的输出功率，总功率为各个模式功率之和；如果模 间隔小，各个模式相互影响，则总功率正比于总的烧孔面积（重叠部分 不能重复计算）。
连续激光器的工作特性
连续激光器的⼯作特性第五章连续激光器的⼯作特性⼀、学习要求与重点难点学习要求1．了解激光器速率⽅程的近似处理；2．掌握激光器振荡阈值条件；3．掌握三、四能级系统的阈值泵浦功率密度；4．理解均匀加宽介质激光器的模竞争，和单纵模振荡；5．理解⾮均匀加宽介质激光器中的烧孔现象，和多纵模振荡；6．理解单模运转激光器在均匀和⾮均匀加宽介质两种情形下的输出功率特性，及其影响因素；7．了解蓝姆凹陷，及其应⽤；8．了解速率⽅程理论的局限性。
重点1.单模、多模激光器速率⽅程建⽴，及其近似⽅法；2.激光器振荡阈值条件；3.阈值泵浦功率密度，及其影响因素；4.单模运转激光器输出功率特性，及其影响因素；难点1.激光器速率⽅程的近似处理；2.激光器涉及的效率；3.单模运转激光器输出功率的影响因素；4.蓝姆凹陷及其应⽤。
2⼆、知识点总结1. 激光器速率⽅程的特点→-=????→全填充激活介质的有限填充忽略模间耦合受激跃迁⼏率差别忽略各模的光⼦寿命、近似⽅法：主要关⼼：单模纵模式：近似⽅法：平⾯波主要关⼼：基模横模式：模式：腔内光⼦寿命正反馈局部损耗光学谐振腔：近似影响腔内光⼦数RR dt d τ??τ ??-?=?+-?-?-?-=-?=?-?-?-=??τ??ηη?η?τ?η?η)()()(:I )()(:I R R R R R P R R R R P n B V dt d n B A n g g nA n B W n n dt n d n B V dt d nA n B W n n dt nd 112211222112211三能级系统四能级系统速率⽅程：3=+++==in outs p P t R t R dP dP S A A S A S S v ηηηηηηνηττδδη激光器斜率效率：＝总量⼦效率：三能级系统四能级系统激光上能级荧光效率三能级系统四能级系统抽运能级驰豫转移效率泵浦量⼦效率：泵浦源光⼦利⽤率：光学谐振腔效率：效率：212121************:I :I :I :I 2. 激光器阈值特性4=?+?≈≈-?+=?≈?-?=≡≡→?l G r g g g g hn V P L hV V P n n A n n g g W A n n n n A n W L G v v g LhvB V n m P H P a pt PH P a pt t t pt t t t pt tH t dt d δνηηηννπδηηηλνννπηηηδνδ?/)(//:I :I )()(:I )()(:I )(:),(:002112122130221122100210000111121114泵浦超阈度：三能级系统四能级系统泵浦功率密度：三能级系统四能级系统泵浦速率：增益系数⼩信号布居反转数密度阈值：上下＝5→-?-≈→→?+??==?-?=?沿轴：多横模⼏个纵模振荡波腹空域：多纵模振荡频域⾮均匀加宽沿轴：多横模⼏个纵模振荡波腹空域烧孔偏移纵模频率向的单纵模振荡靠近均匀加宽纵模数⽬：⾮均匀加宽：均匀加宽出光带振荡：烧孔⾊散压扁增益曲线:::),(log ::H q q H q q mnq osrD os m H os l I G N r q m νννπννδνννννννννν000022211 3. 连续激光器的输出≈==→?=→--=???-=-=-==out R s a R n s a R n m so out s opt pt in p R p out t s out P h V n B L V V L V B n y f y r AT I P l G AI P l G T P P v P h P 22222200122218222)()(])e xp([)()()(::I max ννππ?δπν?δκααανηηητν?激四能级系统⾃发辐射的贡献损耗：极限线宽：⾮均匀加宽：最⼤输出功率：最佳输出耦合：均匀加宽功率输出：三、典型问题的分析思路1、振荡纵模式数问题。
第20讲 连续激光器工作特性
20.1 激光器的阈值条件•从上式可以得出：•δ为平均单程损耗因子。
•不同的纵模具有不同的平均单程损耗因子，因而具有不同的阈值增益系数G t ；•高阶横模的损耗要大于低阶模式，如右图：()0/t G G lνδ≥=20.2 模式竞争•1、均匀加宽的纵模竞争–开始时，G0>G t，νq，νq+1，νq-1都能形成自激振荡；–当G下降到曲线1时，G(νq+1)=G t，此时Iν不再增加，而Iνq和Iνq-1会继续增加；q+1–当G下降到曲线2时，G(νq+1)<G t，此时Iν会逐渐减小而熄灭，G(νq-1)=G t，则Iνq+1不会再增加，而Iνq会继续增加；q-1–当G下降到3时，G(ν)<G t，此时Iνq-1会逐渐减小而熄灭，G(νq)=G t，即腔内q-1只剩下频率为νq的模式继续存在。
20.2 模式竞争–对均匀加宽，总是靠近中心频率的纵模在竞争中获胜，即均匀加宽稳态激光器应该是单纵模输出的。
•2、空间烧孔引起的多模振荡：–A、多纵模–成因如右图：–当空间中剩下反转粒子数较大的区域，若有另一纵模也可能形成振荡；对气体激光器而言，不易出现空间烧孔，而固体激光器一般都存在空间烧孔；–空间烧孔会引起多纵模振荡；–B、多横模：由于不同横模具有不同的横向分布，故消耗反转粒子数也具有横向分布，也能引起多横模振荡。
20.2 模式竞争•3、非均匀加宽–对不同频率ν的入射光，只会引起频率范围ν+dν内的增益饱和，而其他的频率可以顺利形成振荡；–多普勒展宽情况下，每个不等于ν0的入射光将会引发ν0两侧对称的两个烧孔，若νq= ν0，则νq+1与νq-1将会产生竞争，其输出功率为两种模式的随机起伏；–若νq与νq+1之间频率间隔不大于烧孔宽度，他们的烧孔会重合，也会产生模式竞争。
20.3 连续激光器输出功率•1、均匀加宽单模激光器–若T<<1，则I +≈I -，腔内平均光强为，均匀加宽时，I +与I -同时参与加宽：–则–其中G m 为中心频率处小信号增益系数。
连续激光器的增益和工作特性课件
医疗保健
连续激光器在皮肤科、眼科、外科等领域中有着 广泛的应用，如皮肤激光美白、激光矫正视力、 激光切除肿瘤等。
连续激光器的限制因素
能效低
连续激光器在工作过程中会产生大量的热量，需要大量的冷却水 进行冷却，能效较低。
成本高
连续激光器的成本较高，需要投入大量的资金进行研发和生产。
维护难
连续激光器需要定期进行维护和保养，需要专业技术人员进行操作 和维护，维护难度较大。
增益介质的作用
作为光放大介质，提供光子能量放大所需的介质。
增益的影响因素
注入电流
注入电流增加会导致增益增 加，但过大的电流会导致介
质损坏。
1
温度
温度对增益的影响主要是由 于温度变化导致介质折射率
和吸收系数变化。
波长
不同波长的光子在介质中的 吸收系数和散射系数不同， 因此会影响增益。
激光器结构
激光器结构会影响光子在介 质中的传播路径和吸收次数 ，从而影响增益。
果。
结合实验数据和图表，对连续激光器的增益和工作特性进行分 析，探讨不同参数对激光输出性能的影响及其物理机制。
06
案例研究与讨论
高功率连续激光器的研究与应用
总结词
高功率连续激光器在材料加工、医疗、军事等领域有 着广泛的应用，研究其增益和工作特性对于提高激光 器的性能和拓展应用领域具有重要意义。
详细描述
行热特性分析，以优化其设计和性能。
连续激光器的控制与稳定性研究
总结词
连续激光器的控制与稳定性对于其性能和应用至关重 要，通过对连续激光器进行控制和稳定性研究可以提 高其应用效果和可靠性。
详细描述
连续激光器的控制包括温度控制、功率控制等，这些控 制方法可以有效地提高连续激光器的稳定性和可靠性。 同时，通过对连续激光器的光束进行监测和控制，可以 提高连续激光器的光束质量和输出功率。此外，连续激 光器的稳定性也受到多种因素的影响，如增益介质的温 度变化、光学元件的变形等，需要对这些因素进行深入 研究和控制以提高连续激光器的稳定性和可靠性。
连续激光器在皮肤科、眼科、外科等领域中有着 广泛的应用，如皮肤激光美白、激光矫正视力、 激光切除肿瘤等。
连续激光器的限制因素
能效低
连续激光器在工作过程中会产生大量的热量，需要大量的冷却水 进行冷却，能效较低。
成本高
连续激光器的成本较高，需要投入大量的资金进行研发和生产。
维护难
连续激光器需要定期进行维护和保养，需要专业技术人员进行操作 和维护，维护难度较大。
增益介质的作用
作为光放大介质，提供光子能量放大所需的介质。
增益的影响因素
注入电流
注入电流增加会导致增益增 加，但过大的电流会导致介
质损坏。
1
温度
温度对增益的影响主要是由 于温度变化导致介质折射率
和吸收系数变化。
波长
不同波长的光子在介质中的 吸收系数和散射系数不同， 因此会影响增益。
激光器结构
激光器结构会影响光子在介 质中的传播路径和吸收次数 ，从而影响增益。
果。
结合实验数据和图表，对连续激光器的增益和工作特性进行分 析，探讨不同参数对激光输出性能的影响及其物理机制。
06
案例研究与讨论
高功率连续激光器的研究与应用
总结词
高功率连续激光器在材料加工、医疗、军事等领域有 着广泛的应用，研究其增益和工作特性对于提高激光 器的性能和拓展应用领域具有重要意义。
详细描述
行热特性分析，以优化其设计和性能。
连续激光器的控制与稳定性研究
总结词
连续激光器的控制与稳定性对于其性能和应用至关重 要，通过对连续激光器进行控制和稳定性研究可以提 高其应用效果和可靠性。
详细描述
连续激光器的控制包括温度控制、功率控制等，这些控 制方法可以有效地提高连续激光器的稳定性和可靠性。 同时，通过对连续激光器的光束进行监测和控制，可以 提高连续激光器的光束质量和输出功率。此外，连续激 光器的稳定性也受到多种因素的影响，如增益介质的温 度变化、光学元件的变形等，需要对这些因素进行深入 研究和控制以提高连续激光器的稳定性和可靠性。
《激光器工作特性》PPT课件
它损耗的单程损耗率为δ=0.5%,萤光线宽ΔF =1 500MHz, 其峰值小信号增益系数Gm=3× 10-4/d 1 /mm。求①激发参量②可起振的纵模个数Δq
解
δ=0.01+0.005=0.015G t
L
0.015 1.6
0.009375m 1
Gm
3 10 4 2
1.5 104 mm 1
0.15m1
三、跳模现象
1、现象 均匀加宽激光器点燃时,输出激光的频率在中心频率附 近产生周期性变化
0
1 2
q
0
0
1 2
q
t
2、解释
(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12 ,产生一次跳变
二、特点 1、均匀加宽 所有模式间有竞争,靠近中心频率处的模式取胜
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
GH ()
Gt
0
2、非均匀加宽
(1)烧孔不重叠的模式之间无竞争,造成多纵模输出 (2)关于中心频率对称的两模式间有竞争,随机取胜
解
Gm Gm 4
Gt
L
连续激光器的增益和工作特性学习教案
随着连续激光器的应用越来越广泛，其面临的挑战也越来越多，如如何提高输出功率和光束质量、如何实现小型化和集成化等。
挑战
连续激光器的发展趋势和挑战
随着新材料和新技术的不断发展，连续激光器的性能和可靠性将得到进一步提升，同时其应用领域也将进一步扩大。
新材料和新技术的应用
未来连续激光器的发展方向将向着高功率和小型化方向发展，以满足不同领域的需求。
连续激光器的特点
连续激光器具有较高的输出功率、较好的光束质量和较长的使用寿命等特点，因此在工业、医疗、科研等领域得到了广泛应用。
要点三
连续激光器的工作特性
03
能级分布原理
连续激光器的工作能级分布主要依赖于激活介质和泵浦源的相互作用。在激活介质中，电子从基态跃迁到激发态，然后通过辐射跃迁回到基态，从而产生激光。
用于选择和放大特定波长的光，并形成激光输出。
保持激光器的稳定性和可靠性。
1
激光器的工作原理
2
3
泵浦源激发增益介质中的原子或分子，使其处于激发态。
受激辐射：处于激发态的原子或分子释放能量，以光子形式释放，形成激光。
谐振腔选择和放大特定波长的光，并通过多次反射形成激光输出。
连续激光器的定义和特点
良好的相干性：由于连续激光器的输出是连续的，因此它具有良好的相干性，适用于各种光学测量和科学研究。
高功率：连续激光器可以产生高功率激光，适用于各种高能量应用。
稳定的输出：连续激光器具有稳定的输出特性，可以在长时间内提供一致的光束质量。
定义：连续激光器是一种能够连续输出激光的装置，其特点是能够长时间稳定地输出激光。
特点
连续激光器的增益机制
02Biblioteka 光增益的基本概念光增益定义
挑战
连续激光器的发展趋势和挑战
随着新材料和新技术的不断发展，连续激光器的性能和可靠性将得到进一步提升，同时其应用领域也将进一步扩大。
新材料和新技术的应用
未来连续激光器的发展方向将向着高功率和小型化方向发展，以满足不同领域的需求。
连续激光器的特点
连续激光器具有较高的输出功率、较好的光束质量和较长的使用寿命等特点，因此在工业、医疗、科研等领域得到了广泛应用。
要点三
连续激光器的工作特性
03
能级分布原理
连续激光器的工作能级分布主要依赖于激活介质和泵浦源的相互作用。在激活介质中，电子从基态跃迁到激发态，然后通过辐射跃迁回到基态，从而产生激光。
用于选择和放大特定波长的光，并形成激光输出。
保持激光器的稳定性和可靠性。
1
激光器的工作原理
2
3
泵浦源激发增益介质中的原子或分子，使其处于激发态。
受激辐射：处于激发态的原子或分子释放能量，以光子形式释放，形成激光。
谐振腔选择和放大特定波长的光，并通过多次反射形成激光输出。
连续激光器的定义和特点
良好的相干性：由于连续激光器的输出是连续的，因此它具有良好的相干性，适用于各种光学测量和科学研究。
高功率：连续激光器可以产生高功率激光，适用于各种高能量应用。
稳定的输出：连续激光器具有稳定的输出特性，可以在长时间内提供一致的光束质量。
定义：连续激光器是一种能够连续输出激光的装置，其特点是能够长时间稳定地输出激光。
特点
连续激光器的增益机制
02Biblioteka 光增益的基本概念光增益定义
2023大学_激光原理第6版(周炳坤著)课后答案下载
2023激光原理第6版（周炳坤著）课后答案下载2023激光原理第6版（周炳坤著）课后答案下载
内容主要包括光和物质作用经典理论、速率方程理论、光学谐振腔理论，以及对连续激光器工作特性的分析。
对激光放大器、激光器性能改善技术也做了简要介绍。
《激光原理》可作为高校激光原理课程的`教材，也可供从事激光工作的研究人员、技术人员以及高校有关专业的研究生参考。
激光原理第6版（周炳坤著）：内容简介
第1章激光概论
第2章光和物质的近共振相互作用
第3章速率方程理论
第4章光学谐振腔理论
第5章连续激光器的工作特性
附录A常用物理常数表
附录B激光大事记及在国内发展足迹
激光原理第6版（周炳坤著）：目录
点击此处下载激光原理第6版（周炳坤著）课后答案。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
20.3 连续激光器输出功率
• Pp上升、l上升或者δ下降都会造成P上升； • IS大的工作物质可以产生较大的输出功率； • 将输出功率表达式对t求导数可求出最佳透 过率：
Tm 2Gmla a
• 此时的输出功率为：
Pm 1 AI S 2
2Gml a
2
20.3 连续激光器输出功率
耗因子，a<<1，上式可得：
P 1 ATI S 2Gml / a T 1 2
• 以上结果是在T<<1情况下得到的，此时I+ 与I-不相等且会发生变化，但严格证明上式 仍然成立；
20.3 连续激光器输出功率
• 由
IS 21 2 P h p V pt F 21 S l h 0
• 2、非均匀加宽单模激光器
2 Gm Gt q , I q exp 4ln 2 q 0 / D 2 1 I / IS
– 当νq≠ν0时，I+与I-会在增益曲线的两侧对称的引起两个 烧孔，对每个孔其饱和作用的分别为I+和I-，则：
– 其中Gm=Gi0(ν0)，稳定工作时： Gt – 可以得到：
20.1 激光器的阈值条件
• 连续激光器阈值泵浦功率
– 1、四能级系统中，激光下能级E1为激发态，由于S10很大，因此：
n1 0, n n2 g2n1 / g1 n2
– 因此E2能级粒子集居数密度阈值为：
– 当n2稳定于n2t时，单位时间、单位体积中有 n2t / 2 s 个粒子从 E2能级跃迁到E1，为了稳定运行，必须有 n2t / 2 s 个粒子从E3 能级跃迁到E2，即要求有这么多粒子被从E0泵浦到E3，泵浦功率 为： h p nV h pV t
– 则 I 0 I S Gml / 1 – 其中Gm为中心频率处小信 号增益系数。
20.3 连续激光器输出功率
• 设光束有效截面面积为A，则输出功率： P ATI 1 ATI S Gml / 1 2 2 T a ，a为往返指数净损 • 当T<<1时，
20.3 连续激光器输出功率
• 当气体激光器气压增高时， 多普勒展宽效应下降，谱 线逐步过渡到均匀展宽， 则兰姆凹陷会逐渐变宽、 变浅，最终消失。 • 通过半经典理论，得到凹 陷的定量关系，可知其深 度与激发参量Gml/δ成正 比。
– 当G下降到3时， G(νq-1)<Gt，此时Iνq-1 会逐渐减小而熄灭， G(νq)=Gt，即腔内只 剩下频率为νq的模式继续存在。
20.2 模式竞争
– 对均匀加宽，总是靠近中心频率的纵模在竞争中获胜，即均匀加 宽稳态激光器应该是单纵模输出的。
• 2、空间烧孔引起的多模振荡：
– A、多纵模 – 成因如右图： – 当空间中剩下反转粒子数较大的 区域，若有另一纵模也可能形成振 荡；对气体激光器而言，不易出现 空间烧孔，而固体激光器一般都存 在空间烧孔； – 空间烧孔会引起多纵模振荡； – B、多横模：由于不同横模具有不同的横向分布，故消耗反转粒 子数也具有横向分布，也能引起多横模振荡。
激光原理与技术·原理部分
第20讲 连续激光器工作特性
20.1 激光器的阈值条件
• 阈值条件可以用来描述腔内产生振荡的动 态过程； • 考虑谐振腔的长度为L，工作物质长度为l， 腔中的光束体积为VR，工作物质内的光束 体积为Va，则第l模的总光子数的变化速率 为：
d NlVR NlVR n 21 , 0 vNlVa dt Rl
n2t nt / 21l
Ppt
F S
F 21 S l
– 其中V为工作物质体积，νp为泵浦光频率。
20.1 激光器的阈值条件
• 2、三能级系统
n nt – 三能级系统中E1为基态，故有： n2t 2
nt – 有典型激光器特性可知： – 故： n2t n / 2 – 则阈值泵浦功率为：
n nt 21 , 0 vl Rl 21 , 0 l
0
L
20.1 激光器的阈值条件
• 从上式可以得出：
G0 Gt / l
• δ为平均单程损耗因子。 • 不同的纵模具有不同的平 均单程损耗因子，因而具 有不同的阈值增益系数Gt； • 高阶横模的损耗要大于低 阶模式，如右图：
Pp 0A P 01 Ppt 1 P pS pt
• Pp为工作物质吸收的泵浦功率，Ppt为阈值泵浦功 率，S为工作物质横截面面积，0 T / 2 • 几个结论：
– 输出功率P正比于IS，并随着Gml/δ增加而增加； –P随着Pp线性增加，它是由超过Ppt那部分泵浦功率转换 而来的；
Ppt h p nV 2 F s
n
20.2 模式竞争
• 1、均匀加宽的纵模竞争
– 开始时，G0>Gt，νq，νq+1，νq-1都能形成自 激振荡；
– 当G下降到曲线1时，G(νq+1)=Gt，此时 Iνq+1不再增加，而Iνq和Iνq-1会继续增加；
– 当G下降到曲线2时，G(νq+1)<Gt，此时 Iνq+1会逐渐减小而熄灭，G(νq-1)=Gt，则 Iνq-1不会再增加，而Iνq会继续增加；
q
, I q / l
2 2 q 0 Gml 4ln 2 D2 I IS e 1
20.3 连续激光器输出功率
2 2 • 则单模输出功率为： q 0 Gml 4ln 2 D2 P AI T AI S T e 1 • 当νq=ν0时，I+与I-烧同一个孔，烧孔深度取决于腔内平均 光强： I 0 I I 2I，稳定工作时： Gm Gi 0 , I 0
Hale Waihona Puke 1 I 0 / I Sl
• 则 I 0
2 I S Gml / 1 ，P ATI 1 ATI G l / 2 1 S m 2
• 即中心频率时的输出功率小于非中心频率时。
20.3 连续激光器输出功率
• 兰姆凹陷： • 当νq= ν1时，G0<Gt，P=0； • 当νq= ν2时，在增益曲线上烧 两个孔，P正比于孔的面积。 • 当νq= ν3时，烧孔面积增大， P增大； • 当νq→ ν0时，两个孔部分重 叠，P开始减小，在ν0处有最 小值； • 功率-频率曲线上的这种凹陷 称之为兰姆凹陷；
20.2 模式竞争
• 3、非均匀加宽
– 对不同频率ν的入射光，只会引 起频率范围ν+dν内的增益饱和， 而其他的频率可以顺利形成振 荡； – 多普勒展宽情况下，每个不等 于ν0的入射光将会引发ν0两侧对 称的两个烧孔，若νq= ν0，则 νq+1与νq-1将会产生竞争，其输 出功率为两种模式的随机起伏； – 若νq与νq+1之间频率间隔不大于 烧孔宽度，他们的烧孔会重合， 也会产生模式竞争。
20.3 连续激光器输出功率
• 1、均匀加宽单模激光器
– 若T<<1，则I+≈I-，腔内平 均光强为 I q I I 2I ，均匀加宽时，I+与I-同时 参与加宽： GH 0 , I 0 GH 0 0 / 1 I 0 / I S / l
20.1 激光器的阈值条件
• 假设光束沿腔长方向分布均匀，则：
L L dNl l Nl Rl n 21 , 0 vNl c v dt L Rl • 当 dNl / dt 0 时，表示腔内辐射场可以从起始时的微弱
自发辐射场增长为足够强的受激辐射场； • 在阈值附近，腔内的光场很弱，即属于小信号情况，可以 得出激光器自激振荡的阈值条件为：