激光器的工作特性

合集下载

激光的原理特性和应用

第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。

光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。

3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。

当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。

二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。

1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。

4.4 激光器的输出功率与能量-20200506

三能级系统对W13有要求
第2四. 章非均激光匀器加的工宽作单特模性激光器
I , q I , q
VZ ,1
-VZ
0 1 vz c ) 0 1 vz c )
I
I
q0时,I 和 I 分别在增益曲线上烧两个孔, 而不是共同作用
激光器稳态工作时
非均匀加
gi ( q , Iq )
gi0 ( q )
烧孔重叠条件
q - 0
H 2
1 Iq Is
兰姆凹陷宽度() 烧孔宽度
兰姆凹陷宽度() ~ L
H
1 Iq Is
气压碰撞加宽L 烧孔宽度 , 深度变浅直至均匀展宽为主时，兰姆凹陷消失
P3>P2>P1
气压高到一定程度时，均匀加宽为主
13
第四章激光器的工作特性
14
第四章激光器的工作特性
假设 T 1
稳态工作时增益系数也很小，近似认为
I I
腔内平均光强
I I I 2I
T1=0
I
I+ I-
T2=T
P
I , I 同时参与饱和
4
第四章激光器的工作特性
均匀加宽工作物质大信号增益系数
g
H
(
,
I
)
1
g
0 H
( )
I
gt
l
Is ( )
稳定工作情况下光强
I
I
s
(
)
g
0 H
(
)l
-
n2tV
h
0
EP1 h P
-
n2tV
A S
输出能量(E)
A 0 S P
T T

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

激光原理第四章

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，不考虑E2能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响。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
g H(v0 ) gml g H(v0 ,Iv0 )= ,Iv0 I s ( 1) Iv0 l 1+ Is
激光束的有效截面面积为A，则激光器的输出功率为
1 gml P ATI ATI s ( 1), 2 T 1时，＝T a 2
a为往返指数净损耗因子，通常 a<<1
激光原理与技术
激励脉冲波形及高能级集居数随时间的变化情况
激光原理与技术
4．1 激光器的振荡阈值
一、阈值反转集居数密度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。下面由速率方程出发推导激光器自激振荡的阈值条件
激光原理与技术
(3)四能级的阈值能量(功率)反比于发射截面，发射截面又反比于荧光谱线宽度F ，所以阈值能量(功率)正比于F。如：Nd：YAG的F 即比Nd玻璃小得多，其量子效率又比Nd玻璃高得多，所以Nd：YAG激光器的阈值能量(功率)较Nd玻璃激光器低得多，可以连续工作，而Nd玻璃激光器一般只能脉冲工作。
激光原理与技术
不同模式具有不同的散射截面，阈值不同。频率为v0的模式阈值最低
nt 21l
激光原理与技术
二、阈值增益系数

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

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：

4.6 激光器的驰豫振荡Q调制-20200513

22
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
物理与电子工程学院
《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

激光器工作原理和光学谐振腔特点

激光器工作原理和光学谐振腔特点激光器是一种能产生高度聚焦、单色、相干和高强度的光束的设备。

它在科学研究、医疗、通信、制造业等领域都有广泛的应用。

为了更好地了解激光器的工作原理和光学谐振腔的特点，我们需要了解以下两个方面的内容。

一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于激光放大效应和光学谐振腔的特性。

具体而言，激光器工作过程中的关键组成部分包括激发源、增益介质和光学谐振腔。

1. 激发源：激发源可以是电、光、化学反应、热或强电磁场等不同形式的能量输入装置。

激发源的作用是提供外部能量，激发增益介质的原子或分子跃迁到高能级。

2. 增益介质：增益介质是激光器中的工作物质，它能够吸收激发源提供的能量，使原子或分子由基态跃迁到激发态。

在激发态上，原子或分子被激发，它们会经历辐射过程，从而产生放射性衰减。

3. 光学谐振腔：光学谐振腔是激光器的核心组成部分，它是由两个平行的反射镜构成的。

其中一个镜子是部分透明的，允许一部分光束通过，另一个镜子是完全反射的，将光束完全反射回谐振腔内。

当光束在谐振腔内来回多次反射，它经过增益介质时会受到增益介质的放大作用，同时受到双反射镜的反射作用，形成所谓的光学谐振腔。

在激发源激励下，增益介质的原子或分子跃迁到高能级，随后通过辐射衰减回到基态。

衰减过程中的放射能量通过传播光束的形式逐渐积累并得到放大。

光束在经过多次的反射和增益介质的激励后，达到激光阈值条件，形成高度聚焦、单色、相干和高强度的激光光束。

二、光学谐振腔的特点光学谐振腔是激光器中一个至关重要的元件，它决定了激光束的性质，包括波长、频率、模式结构等。

光学谐振腔具有以下几个重要特点。

1. 高度聚焦：光学谐振腔可以将入射的光束聚焦到一个非常小的焦点上，从而使激光束的能量集中在一个小的空间范围内。

这种高度聚焦的特点使得激光器能够在精细加工、激光切割和医学手术等领域得到广泛应用。

2. 单色性：光学谐振腔的谐振模式会过滤掉非谐振频率的光，使得输出的激光具有较窄的频谱带宽。

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

光测距等。
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。
感谢您的观看
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

激光干涉与激光器的工作原理

激光干涉与激光器的工作原理激光技术是一种高度精确的光学技术，它被广泛应用于医疗、科研、通信、工业制造等众多领域。

而激光干涉作为激光技术的重要应用之一，对于精密测量和光学检测起到了至关重要的作用。

本文将着重探讨激光干涉的原理及其在激光器中的应用。

首先，我们需要了解激光的特性。

激光是一种具有高度相关相位和单色性的光波，相比其他光源，激光具有更高的单色性和更小的发散角。

这些特性使得激光在干涉实验中表现出了卓越的性能。

激光干涉是利用激光光束的相干特性来观察光的干涉现象。

在干涉实验中，一束激光光束被分为两束，分别通过两个光路，然后再汇合到一个点上。

当两束光的相位差为整数倍的波长时，两束光波相互干涉会产生明暗相间的干涉条纹。

而当两束光的相位差为非整数倍的波长时，干涉条纹则会消失。

在激光干涉实验中，常见的一种干涉现象是杨氏双缝干涉。

这是指当激光光束通过两个非常接近的缝隙时，光波会在屏幕上形成一系列明暗相间的条纹。

这些条纹的间距与缝隙的距离成正比，因此可以通过观察条纹的间距来测量物体的尺寸或者判断光源的相干度。

激光干涉技术在现代科研和工程领域发挥着重要的作用。

在制造业中，激光干涉仪可用于测量零件的表面粗糙度、平整度和尺寸精度，以保证产品的质量。

在医疗领域，激光干涉术可用于检测眼底病变、测量角膜曲率等眼科疾病的诊断。

此外，在光学仪器的校准和精密测量中也广泛运用激光干涉技术，如激光测距仪、激光陀螺仪等。

激光干涉技术的广泛应用为各个行业带来了精确度的提升和效率的提高。

激光器（Laser）是产生激光的关键部件。

激光器的工作原理是通过受激辐射过程将原子或者分子的能级从低能级跃迁到高能级，使得激光器产生具有高度相关相位的光波。

激光器一般由激光介质、泵浦源和光反馈组成。

激光介质是决定激光器发射波长和输出功率的关键因素，它通常是固体、液体或者气体。

激光介质中的原子或分子在低能级和高能级之间跃迁时，释放出激光光子。

泵浦源则是激发激光介质跃迁的能量来源，例如激光器中常用的泵浦源有光泵浦、电子束泵浦等。