固体激光器基本特性优秀课件

N 2 A21 N 2 ( 21 ) B 21 N 1 ( 21 ) B12
8 2 h 21
A21
（
2
）
1
＝
c3
h
e kT 1
(g1
g 2 )( B12
B21 B 21 ) e x p ( h 21
kT
) 1
A21
B21
8 2 h c3
B21
g1 g2
B12
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固体激光器的损耗
❖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
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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
优质红宝石: 0.7 钕玻璃: 0.4
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普通红宝石: 0.5 YAG: ~1
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பைடு நூலகம் 斯托克斯损失或斯托克斯比
E3
A31
S32
W13
E2
A21 B12 B21
E1
a) 三能级
E3
A30
S32
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
b) 四能级
0
0, 激光频率
p
p ,泵浦光频率
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Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
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固体激光器阈值
nth
gth
21
1
21
( 1
2l
ln 1) R
.............................(1.23)
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三能级系统阈值
E3
A31
S32
W13
E2
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
gn420nA22 1
其中，nn2
g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
210A21/42n2
gn21......................(1.22)
高斯线型
210A21 ln2/42n2
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固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
N1
kT
E2
A21 E1
B12 B21
例如：红宝石
0 .6 9 m
h 6 .6 1 0 34 J s
E 2 E 1 h 2 .8 6 1 0 19 J
k 1 .3 8 1 0 23 J K
室 温 T 300K
300T k hc /50 m
N
2
N1
50
e 0 .6 9
1 0 32
E1
a) 三能级
E3
A30
S32
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
b) 四能级
量 子 效 率 0 工 作 亚 物 稳 质 态 从 发 光 射 泵 的 吸 荧 收 光 的 光 光 子 子 数 数 1 2
三能级1=S32S+3A 2 31
2
A21 A21 S21
四能级1=S32+A S3320+A31
固体激光器基本特 性
固体激光器
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
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固体激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图
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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。
❖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
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波耳兹曼分布
能级简并：
N1 g1N1'
N2 g2N2'
N2 N1
g2 N2' g1N1'
g2 g1
exp
(E2 kT
E1)
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爱因斯坦系数
E2
A21 B12 B21 E1
N2 N1 Ntot E2 E1 hv21
自 发 辐 射 系 数 A 21
(1g2) g1
nth
1
21
(1
2l
ln1) R
(1g12/g1)gg12ntot 121(21llnR 1).........(1.25)
若g1 g2
1 n2th2(ntot nth)......(1.26)
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四能级系统阈值
E3
A30
S32
W03
E2
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1.1固体激光器的基本结构及能量转换 ❖ 激光器组成
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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
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固体激光器的能量转换
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量子效率
E3
A31
S32
W13
E2
A21 B12 B21
T T
输出耦合系数
T，输出镜透射率
，谐振腔往返损耗率
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❖黑体辐射
1.2固体激光器的阈值
单色辐射密度：（）＝8c3 2
h
h
e kT 1
维恩位移定律：m(m
)＝2898 T (K )
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黑体辐射
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波耳兹曼分布
N2 exp((E2 E1))
❖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
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100% I0
工作物质
固体激光器的损耗
R
I’ l
总往返损耗 率：
gbI0I0I'I0II00R2el 1R2el
无透射损耗率： =1-e-2l
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100% I0
工作物质
固体激光器的损耗
R
I’ l
R 1T
1e2l gb 1(1t)(1 ) T T gb T //对于某些情况，Tβ可忽略
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100% I0
I’
工作物质
固体激光器的阈值
R
l
阈值条件：
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固体激光器阈值
gth2 1 llnR 1.................(1.21)
A21 B12 B21
E1
S32>>W13, n3=0
n1+n2=ntot Δn=n2-n1(g2/g1)
n 2 (g g 1 2n to t n )
(1 g 2)..................(1 .2 4 ) g 1
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三能级系统阈值
n2th
(g2 g1
ntot
nth)
自
发
辐
射
寿
命
21=
A
-1 21
受 激 辐 射 系 数 B 21
N 2＝ t
－
B 2 1 （
2 1）
N
2
受 激 吸 收 系 数 B 12
N 1＝ t
－
B 1 2 （
2 1）
N
1
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N2 t
N2 A21
t
N2 (t)
N e A21t 0
N0e
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爱因斯坦系数
热 平 衡 ： N 2 ＝ N 1 ＝ 0 t t