优选固体激光材料与非线性光学功能材料
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镜面上总有透射损失，镜面还存在吸收、散射等损耗，以及 工作物质不均匀引起的光线的折射和散射损耗，等。如果各 种损耗的结果抵消了谐振腔内的光放大过程，则不可能有激 光输出。因此光的增益超过损耗时，光波才能被放大，进而 振荡，即有阈值条件：R1*R2*exp(2gL)>=1
稳定振荡条件－－增益饱和效应
激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是 激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益 系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时， 增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
初始光强I0多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的
E3
n3
E2
n2
E1
n1
三能级系统
子转寿因到能在大移命而基实外量到较到态现界地长达粒EE31。。激跃。子E2E上所励迁数E32能能的以下到反级级粒在，转E4为寿子，E基。3亚和命会然态稳E较很后E21之态的短快迅间，粒，回速可
E4 E3
E2
由于激光下能级不是基态，而
是光激下发能态级的E2，粒所子以数在很室少温，下因激而
Z=0处的初始光强
② n2(z)-n1(z)随z的变化而变化, 增益系数g(z)随z的增加而减 小, 称为增益饱和效应.
增益系数
g(I) g0 1 I Is
饱和光强
当I«Is时, g(I)=g0为常数, 且不随z变化, 即小信号情况. 当I«Is不能满足时, g(I)为大信号增益系数或饱和增益系数.
在光放大的同时，光通过介质通常还有损耗。
损耗系数: 光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数.
dI(z) 1
dz I (z)
同时考虑增益和损耗，则有
dI(z) [g(I ) ]I (z)dz
增益大于损耗 （光的自激振 荡，阈值条件）
当
g(I)
时，I（z）
Im
(g0
) Is
0
g0
说明Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0无关。无论
优选固体激光材料与非线性光 学功能材料
1. 激光与激光器
（1）激光产生的原理
固体激光器本质上也是满足一定特殊条件的发光固体。激光 晶体也包括一种晶体材料作基质，向其中引入某种杂质离子作活化 发光中心。
与荧光材料和磷光材料不同，激光晶体具有特殊的激活和发 光过程：激活过程是将活化中心注入到激发态，称作激励。这样的 活化中心具有合理的寿命。换句话说，这些活化中心受激后并不立 即发射能量回到基态，而是待激励遍及“全域”。因而激发态比基 态具有更多的活化中心。发光时，从一个活化中心发出的光刺激其 他活化中心，以致辐射在整个相中进行，于是就构成了相干辐射的 强烈光束或脉冲。
E级3和系E统2间容的易粒实子现数。反转比三能
E1
n4
(快）
(慢） n3 N2
n1
四能级系统
其次，当物质处于热平衡态时，粒子束反转是不可能的，只有当 外界向物质供给能量（称为泵浦或激励）使物质处于非平衡态时， 粒子束反转才能实现。泵浦或激励过程是光放大的必要条件。
泵浦源----粒子束反转的外部条件
N2
E2
E1
N1
激发态 亚稳态
基态
激光工作物质是三能级或四能级结构。
如果激励过程使原子从基态E1以 很大概率W抽运到E3能级，处于E3 的原子可以通过自发辐射跃迁回
到E2或E1。假定从E3回到E2的概率 A32大大超过从E3回到E1的概率A31， 也超过从E2回到E1的概率A21，则 利用泵浦抽运,E2和E1之间就可能 形成粒子数反转。
激活物质光放大的描述：增益
增益系数: 光通过单位长度激活物质后光强增加的百分数.
g(z) dI(z) 1 dz I (z)
①若上下能级粒子数之差n2-n1不随 z变化, 则增益系数g(z)为一常数 g0(此种情况称为线性增益或小信号 增益，g0称为小信号增益), 将上式 积分, 得
I (z) I0eg0z
受激辐射时, 原子可发出与诱发光子 全同的光子，不仅频率（能量）相同， 而且发射方向、偏振方向以及光波的 相位都完全一样。
受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。
(3) 激光产生的条件
必要条件： 粒子数反转分布和减少振荡模式
充分条件： 起振和稳定振荡（形成稳定激光）
粒子数反转----光放大的内部条件
(2)自发辐射与受激辐射
原子的自发辐射过程完全是一种随机 过程，各发光原子的发光过程各自独 立，互不关联，即所辐射的光在发射 方向上是无规则的射向四面八方，另 外位相、偏振状态也各不相同。由于 激发能级有一个宽度，所以发射光的 频率也不是单一的，而有一个范围。 (自发辐射只与原子本身性质有关， 与辐射场的 无关）
首先，激光的产生必须选择合适的工作介质，在这种介质中 可以实现粒子数反转。要求：工作物质具有亚稳态能级。
工作物质内部结构
原子处在激发态时间很短 10-8s，但还有一些亚稳态， 可以停留10-3s,
铬离子、钕离子、氖原子、 二氧化碳分子、氩离子
在亚稳态上粒子数不断积 累，实现粒子数反转，达 到光放大的目的。
一个入射光子不仅能引起受激辐射，而且也能引起受 激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级 的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。
由此可见，为使光源发射激光的关键是发光原子处在高能 级的数目比低能级上的数目多，这种情况称为粒子数反转。 但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。 因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要 条件。
谐振腔（起振和维持光振荡条件）
轴向光波模可 在反射镜之间
谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的反馈.往效返于传增播加，了等放
大器长度
驻波条件：Δj=2k*nL=2mp k =2p/l，n:折射率，L：谐振腔长度
方向性好 单色性好
激光能够产生的阈值条件：增益大于损耗 在谐振腔内还存在许多损耗机制，譬如，由于R2<1，光在
必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。 将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是 形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源 输入的能量转变为激光能量。
从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为： 光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子 方式， 化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能 等方式。
稳定振荡条件－－增益饱和效应
激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是 激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益 系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时， 增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
初始光强I0多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的
E3
n3
E2
n2
E1
n1
三能级系统
子转寿因到能在大移命而基实外量到较到态现界地长达粒EE31。。激跃。子E2E上所励迁数E32能能的以下到反级级粒在，转E4为寿子，E基。3亚和命会然态稳E较很后E21之态的短快迅间，粒，回速可
E4 E3
E2
由于激光下能级不是基态，而
是光激下发能态级的E2，粒所子以数在很室少温，下因激而
Z=0处的初始光强
② n2(z)-n1(z)随z的变化而变化, 增益系数g(z)随z的增加而减 小, 称为增益饱和效应.
增益系数
g(I) g0 1 I Is
饱和光强
当I«Is时, g(I)=g0为常数, 且不随z变化, 即小信号情况. 当I«Is不能满足时, g(I)为大信号增益系数或饱和增益系数.
在光放大的同时，光通过介质通常还有损耗。
损耗系数: 光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数.
dI(z) 1
dz I (z)
同时考虑增益和损耗，则有
dI(z) [g(I ) ]I (z)dz
增益大于损耗 （光的自激振 荡，阈值条件）
当
g(I)
时，I（z）
Im
(g0
) Is
0
g0
说明Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0无关。无论
优选固体激光材料与非线性光 学功能材料
1. 激光与激光器
（1）激光产生的原理
固体激光器本质上也是满足一定特殊条件的发光固体。激光 晶体也包括一种晶体材料作基质，向其中引入某种杂质离子作活化 发光中心。
与荧光材料和磷光材料不同，激光晶体具有特殊的激活和发 光过程：激活过程是将活化中心注入到激发态，称作激励。这样的 活化中心具有合理的寿命。换句话说，这些活化中心受激后并不立 即发射能量回到基态，而是待激励遍及“全域”。因而激发态比基 态具有更多的活化中心。发光时，从一个活化中心发出的光刺激其 他活化中心，以致辐射在整个相中进行，于是就构成了相干辐射的 强烈光束或脉冲。
E级3和系E统2间容的易粒实子现数。反转比三能
E1
n4
(快）
(慢） n3 N2
n1
四能级系统
其次，当物质处于热平衡态时，粒子束反转是不可能的，只有当 外界向物质供给能量（称为泵浦或激励）使物质处于非平衡态时， 粒子束反转才能实现。泵浦或激励过程是光放大的必要条件。
泵浦源----粒子束反转的外部条件
N2
E2
E1
N1
激发态 亚稳态
基态
激光工作物质是三能级或四能级结构。
如果激励过程使原子从基态E1以 很大概率W抽运到E3能级，处于E3 的原子可以通过自发辐射跃迁回
到E2或E1。假定从E3回到E2的概率 A32大大超过从E3回到E1的概率A31， 也超过从E2回到E1的概率A21，则 利用泵浦抽运,E2和E1之间就可能 形成粒子数反转。
激活物质光放大的描述：增益
增益系数: 光通过单位长度激活物质后光强增加的百分数.
g(z) dI(z) 1 dz I (z)
①若上下能级粒子数之差n2-n1不随 z变化, 则增益系数g(z)为一常数 g0(此种情况称为线性增益或小信号 增益，g0称为小信号增益), 将上式 积分, 得
I (z) I0eg0z
受激辐射时, 原子可发出与诱发光子 全同的光子，不仅频率（能量）相同， 而且发射方向、偏振方向以及光波的 相位都完全一样。
受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。
(3) 激光产生的条件
必要条件： 粒子数反转分布和减少振荡模式
充分条件： 起振和稳定振荡（形成稳定激光）
粒子数反转----光放大的内部条件
(2)自发辐射与受激辐射
原子的自发辐射过程完全是一种随机 过程，各发光原子的发光过程各自独 立，互不关联，即所辐射的光在发射 方向上是无规则的射向四面八方，另 外位相、偏振状态也各不相同。由于 激发能级有一个宽度，所以发射光的 频率也不是单一的，而有一个范围。 (自发辐射只与原子本身性质有关， 与辐射场的 无关）
首先，激光的产生必须选择合适的工作介质，在这种介质中 可以实现粒子数反转。要求：工作物质具有亚稳态能级。
工作物质内部结构
原子处在激发态时间很短 10-8s，但还有一些亚稳态， 可以停留10-3s,
铬离子、钕离子、氖原子、 二氧化碳分子、氩离子
在亚稳态上粒子数不断积 累，实现粒子数反转，达 到光放大的目的。
一个入射光子不仅能引起受激辐射，而且也能引起受 激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级 的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。
由此可见，为使光源发射激光的关键是发光原子处在高能 级的数目比低能级上的数目多，这种情况称为粒子数反转。 但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。 因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要 条件。
谐振腔（起振和维持光振荡条件）
轴向光波模可 在反射镜之间
谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的反馈.往效返于传增播加，了等放
大器长度
驻波条件：Δj=2k*nL=2mp k =2p/l，n:折射率，L：谐振腔长度
方向性好 单色性好
激光能够产生的阈值条件：增益大于损耗 在谐振腔内还存在许多损耗机制，譬如，由于R2<1，光在
必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。 将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是 形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源 输入的能量转变为激光能量。
从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为： 光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子 方式， 化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能 等方式。