激光器工作原理 ppt课件
合集下载
相关主题
- 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)。
长脉冲激光器(t0>>t2)
泵浦作用时间较长，趋近稳态
连续激光器 可按稳态处理
理论上说,脉冲激光器和连续激光器没有严格界限
ppt课件
7
4.1 激光产生的阈值条件
阈值反转粒子数密度
阈值增益系数
阈值泵浦功率（阈值泵浦能量）
一. 阈值反转粒子数密度 Dnth 自激振荡条件: （1） Dn > 0; （2） G >a
n2
t
1W13n
A21
2
1W13
n1t n n2 t
A21n
A21 12W13
ppt课件
5
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
W13(t)
n2
w13
0
t0
t
t
• 连续激光器－稳定工作状态(稳态)
各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。
荧光效率 2 A21 A21 S21
ppt课件
3
dn2
dt
n1W131 n2 A21
2
n n2
W131 n2 A21
2
可解得 当 0 t t0 时,
讨论:
n2
t
1W13n
1
e
A21
2
1W13
t
dn dt 0; dNl dt 0
速率方程
代数方程
• 脉冲激光器－非稳定工作状态(非稳态)
泵浦持续时间短, 各能级粒子数及腔内光子数密度
处于剧烈的变化之中。根据泵浦持续时间t0 及激光上
能级寿命t2 对脉冲激光器细分
ppt课件
6
短脉冲激光器(t0<t2 )
未达到平衡,泵浦作用终止
非稳态, 数值解, 小信号微扰或其他近似方法
0
t0
t
ppt课件
2
E3
S32 E2 w13 A31 S31
W13(t) w13
A21 S21 w21 w12
0
t0
t
E1
S31 S32 S21 A21
A31 S32
n1 n2 n3 n
从泵浦→阈值附近(尚未形成自激 振荡),可忽略受激辐射跃迁过程
dn3
dt
n1W13
ppt课件
8
一. 阈值反转粒子数密度 Dnth 自激振荡条件: （1） Dn > 0; （2） g >a
推导Dnth的两种方法: (1) 光强变化 * (2)速率方程;
(1) 往返一周的光强变化
I0，I1
r1
r2
增益介质充满腔内
I1 I 0e( g0 a)l r2e( g0 a)l r1 r1r2 I 0e2( g0 a)l I 0
4.1 激光产生的阈值条件
激光产生的阈值条件：增益系数大于阈值增益 根据速率方程推导阈值增益系数
dNl dt
n2W21 n1W12
Nl t Rl
l
'
Nl
N’l
L
d[Nl Al
N 'l dt
A(L
l)]
n2
g2 g1
n1
21
(
,
0
)
c
l L'
Nl
c
L'
阈值时 dNl 0 dt
阈值粒子数反转密度
Dnt
21( , 0 )l
ppt课件
11
Dn 0
,
0
Dnt
,
0
21
,
0
l
21
,
0
A21v 2
8
2 0
g~
, 0
• 不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同
• 中心频率处阈值反转粒子数最低 0
Dnt
0
21l
• 激光器阈值反转粒子数密度－ 0时的阈值反转粒 子数密度
二、阈值增益系数 gt 即0时的阈值增益系数
Dnt
0
Dnt
21l
g Dn 21 ,0
g2 g1
n1
21
(
,
0
)
c
Nl
Al
Nl Al
N 'l
t Rl
A(L
l)
dNl dt
L'
n2
g2 g1
n1
21
(
,
0
)
c
Nll
Nl
L'
c
L'
光子数密度速率方程
dNl dt
n2
g2 g1
n1 21( , 0 )cNl
n3
S 32
A31
S32 W13, n3 0
n1W13 n3
S32 A31
n3S32
1
dn2 dt
n2
f2 f1
n1 21 , 0 vNl
n2 S21
A21 n3S32
泵浦效率 1 S32 S32 A31
第四章第 激激四 光光章 器器工工作作原原理理
ppt课件
1
引言 • 激光器分类(工作方式－按泵浦方式分类)
连续激光器 脉冲激光器 短脉冲激光器
长脉冲激光器
三能级系统(红宝石)的泵浦激励
W13(t)
矩形脉冲激励 W13 t W13
w13
0 t t0
W13 t 0
t t0
Nl
Al
Nl Al
N 'l
t Rl
A(L
l)
光子寿命：
t Rl
l
(L l)' c
L'
c
单程总损耗
C 光速
ppt课件
10
界面处流入和流出的光子数相等
c
Nl ห้องสมุดไป่ตู้
N 'l
Ac
'
N
'l
Nl
'
d[Nl Al
N 'l dt
A(L
l)]
n2
r1r2e2g0al 1
a aT ad as1 as2 ai
a
gth
a
1 2l
ln
r1r2
Dnth
gth
21 ,
0
I1 I0e2(g0l ) I0
gth l
a lppt课件
gth a
Dnth
21 , 09 l
n2
t0
1W13n
A21
2
1W13
3. t0 < t2 短脉冲泵浦,时间极短,忽略SP (为什么？)
dn2 dt
W13 n n2 1
n2 t n1exp 1W13t
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) 激励时间足够长
A21
2
1W13
W13(t)
1.n2 经历的两种变化过程
w13
0<t<t0 激励过程中
n2
t0 n2
t
t>t0 泵浦脉冲撤除 n2 n2(t0)
W13
0
dn2 dt
n2
A21
2 n2 A21 S21
t0
t
ppt课件
4
2. t=t0 时 n2 最大
泵浦作用时间较长，趋近稳态
连续激光器 可按稳态处理
理论上说,脉冲激光器和连续激光器没有严格界限
ppt课件
7
4.1 激光产生的阈值条件
阈值反转粒子数密度
阈值增益系数
阈值泵浦功率（阈值泵浦能量）
一. 阈值反转粒子数密度 Dnth 自激振荡条件: （1） Dn > 0; （2） G >a
n2
t
1W13n
A21
2
1W13
n1t n n2 t
A21n
A21 12W13
ppt课件
5
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
W13(t)
n2
w13
0
t0
t
t
• 连续激光器－稳定工作状态(稳态)
各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。
荧光效率 2 A21 A21 S21
ppt课件
3
dn2
dt
n1W131 n2 A21
2
n n2
W131 n2 A21
2
可解得 当 0 t t0 时,
讨论:
n2
t
1W13n
1
e
A21
2
1W13
t
dn dt 0; dNl dt 0
速率方程
代数方程
• 脉冲激光器－非稳定工作状态(非稳态)
泵浦持续时间短, 各能级粒子数及腔内光子数密度
处于剧烈的变化之中。根据泵浦持续时间t0 及激光上
能级寿命t2 对脉冲激光器细分
ppt课件
6
短脉冲激光器(t0<t2 )
未达到平衡,泵浦作用终止
非稳态, 数值解, 小信号微扰或其他近似方法
0
t0
t
ppt课件
2
E3
S32 E2 w13 A31 S31
W13(t) w13
A21 S21 w21 w12
0
t0
t
E1
S31 S32 S21 A21
A31 S32
n1 n2 n3 n
从泵浦→阈值附近(尚未形成自激 振荡),可忽略受激辐射跃迁过程
dn3
dt
n1W13
ppt课件
8
一. 阈值反转粒子数密度 Dnth 自激振荡条件: （1） Dn > 0; （2） g >a
推导Dnth的两种方法: (1) 光强变化 * (2)速率方程;
(1) 往返一周的光强变化
I0，I1
r1
r2
增益介质充满腔内
I1 I 0e( g0 a)l r2e( g0 a)l r1 r1r2 I 0e2( g0 a)l I 0
4.1 激光产生的阈值条件
激光产生的阈值条件：增益系数大于阈值增益 根据速率方程推导阈值增益系数
dNl dt
n2W21 n1W12
Nl t Rl
l
'
Nl
N’l
L
d[Nl Al
N 'l dt
A(L
l)]
n2
g2 g1
n1
21
(
,
0
)
c
l L'
Nl
c
L'
阈值时 dNl 0 dt
阈值粒子数反转密度
Dnt
21( , 0 )l
ppt课件
11
Dn 0
,
0
Dnt
,
0
21
,
0
l
21
,
0
A21v 2
8
2 0
g~
, 0
• 不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同
• 中心频率处阈值反转粒子数最低 0
Dnt
0
21l
• 激光器阈值反转粒子数密度－ 0时的阈值反转粒 子数密度
二、阈值增益系数 gt 即0时的阈值增益系数
Dnt
0
Dnt
21l
g Dn 21 ,0
g2 g1
n1
21
(
,
0
)
c
Nl
Al
Nl Al
N 'l
t Rl
A(L
l)
dNl dt
L'
n2
g2 g1
n1
21
(
,
0
)
c
Nll
Nl
L'
c
L'
光子数密度速率方程
dNl dt
n2
g2 g1
n1 21( , 0 )cNl
n3
S 32
A31
S32 W13, n3 0
n1W13 n3
S32 A31
n3S32
1
dn2 dt
n2
f2 f1
n1 21 , 0 vNl
n2 S21
A21 n3S32
泵浦效率 1 S32 S32 A31
第四章第 激激四 光光章 器器工工作作原原理理
ppt课件
1
引言 • 激光器分类(工作方式－按泵浦方式分类)
连续激光器 脉冲激光器 短脉冲激光器
长脉冲激光器
三能级系统(红宝石)的泵浦激励
W13(t)
矩形脉冲激励 W13 t W13
w13
0 t t0
W13 t 0
t t0
Nl
Al
Nl Al
N 'l
t Rl
A(L
l)
光子寿命：
t Rl
l
(L l)' c
L'
c
单程总损耗
C 光速
ppt课件
10
界面处流入和流出的光子数相等
c
Nl ห้องสมุดไป่ตู้
N 'l
Ac
'
N
'l
Nl
'
d[Nl Al
N 'l dt
A(L
l)]
n2
r1r2e2g0al 1
a aT ad as1 as2 ai
a
gth
a
1 2l
ln
r1r2
Dnth
gth
21 ,
0
I1 I0e2(g0l ) I0
gth l
a lppt课件
gth a
Dnth
21 , 09 l
n2
t0
1W13n
A21
2
1W13
3. t0 < t2 短脉冲泵浦,时间极短,忽略SP (为什么？)
dn2 dt
W13 n n2 1
n2 t n1exp 1W13t
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) 激励时间足够长
A21
2
1W13
W13(t)
1.n2 经历的两种变化过程
w13
0<t<t0 激励过程中
n2
t0 n2
t
t>t0 泵浦脉冲撤除 n2 n2(t0)
W13
0
dn2 dt
n2
A21
2 n2 A21 S21
t0
t
ppt课件
4
2. t=t0 时 n2 最大