激光器的工作特性.pptx

1.1.脉冲激光器脉冲激光器具有较大输出峰值功率，适合于激光打标、切割、测距等具有较大输出峰值功率，适合于激光打标、切割、测距等.常见脉冲激光器：钇铝石榴石（常见脉冲激光器：钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、光器、钕玻璃激光器、氮分子激光器、准分子激光器等。氮分子激光器、准分子激光器等。激光上能级粒子数激光上能级粒子数 随时间如何变化随时间如何变化？粒子数密度为粒子数密度为 的红宝石被矩形脉冲激励光照射，的红宝石被矩形脉冲激励光照射，其激励几率：其激励几率：例：例：能级寿命能级寿命 忽略受激过程忽略受激过程6.1.1.6.1.1.脉冲激光器脉冲激光器 整个抽运期间，整个抽运期间，激光上能级粒子激光上能级粒子数随时间增长，数随时间增长，抽运结束瞬间达抽运结束瞬间达到最大值。到最大值。各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，系统处于非稳定态系统处于非稳定态结论：结论：6.1.2.6.1.2.连续激光器与长脉冲激光器连续激光器与长脉冲激光器 当时间增大到当时间增大到 完成增长过完成增长过程而达到稳定值，程而达到稳定值，保持为常数。保持为常数。时，时，各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态结论：结论：阈值增益系数阈值增益系数 gain threshold 阈值条件阈值条件阈值反转粒子数阈值反转粒子数 Population inversion threshold 阈值泵浦功率阈值泵浦功率 Pump power threshold 6.2 6.2 激光器的振荡阈值激光器的振荡阈值6.2.1 6.2.1 阈值增益系数阈值增益系数光在光在谐振腔谐振腔内往返一周后的光强（内往返一周后的光强（考虑损耗与增益考虑损耗与增益）：）：起振条件：起振条件：阈值增益系数：阈值增益系数：不同纵模的不同纵模的相同，故具有相同的相同，故具有相同的 ；不同横模的不同横模的不同，故不同，故 不同（高阶横模不同（高阶横模 较大，较大，也较大）也较大）激光器稳定振荡时的特点激光器稳定振荡时的特点？增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡 6.2.2 6.2.2 阈值反转粒子数密度阈值反转粒子数密度E2E1增益系数和反转粒子数间的关系：增益系数和反转粒子数间的关系：中心频率频率中心频率频率 处：处：激光器的阈值反转粒子数密度：激光器的阈值反转粒子数密度：激光激光1.1.连续或长脉冲连续或长脉冲 激光器的阈值泵浦功率：激光器的阈值泵浦功率：能级阈值粒子数密度：能级阈值粒子数密度：6.2.3 6.2.3 阈值泵浦功率和能量阈值泵浦功率和能量E3E0E1E2nn3n1n0阈值泵浦功率：阈值泵浦功率：能级阈值粒子数密度能级阈值粒子数密度(2)(2)三能级系统三能级系统nLaser RadiationFast transitionAbsorptionEnergy1E1E2E3nLaser RadiationFast transitionAbsorptionEnergyn3n2n1阈值泵浦功率：阈值泵浦功率：2.2.短脉冲短脉冲 激光器的阈值泵浦功率：激光器的阈值泵浦功率：激励持续期间，激励持续期间，能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响可忽略能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响可忽略 四能级系统阈值泵浦能量四能级系统阈值泵浦能量：三能级系统阈值泵浦能量：三能级系统阈值泵浦能量：n11关于激光器阈值泵浦功率（能量）的结论：关于激光器阈值泵浦功率（能量）的结论：（1）三能级系统所需的阈值功率（能量）比四能级大得多；三能级系统所需的阈值功率（能量）比四能级大得多；（2）三能级系统激光器中损耗对阈值功率（能量）三能级系统激光器中损耗对阈值功率（能量）影响不大；影响不大；四能级系统中，阈值功率（能量）正比于损耗；四能级系统中，阈值功率（能量）正比于损耗；（3）四能级激光器的阈值能量（功率）四能级激光器的阈值能量（功率）P144，表表6-1列列出出三三种种典典型型激激光光器器振振荡荡条条件件的的计计算算值值。激激光光器器工工作作物物质质长长度度10cm，输输出出反反射射镜镜透透过过率率50%，内内部部损损耗耗为为0；红宝石中铬粒子密度；红宝石中铬粒子密度三种典型激光器振荡条件的计算值三种典型激光器振荡条件的计算值 振荡带宽：振荡带宽：激光器小信号增益系数中大于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阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围。对应的频率范围。起振模式数：起振模式数：6.3.1 6.3.1 起振纵模数起振纵模数 思考：思考：激光器中能够起振的模式数有多少激光器中能够起振的模式数有多少？6.3 6.3 激光器的振荡模式激光器的振荡模式例例6-16-1：红红宝宝石石激激光光器器腔腔长长L=11.25cmL=11.25cm，棒棒长长 ，折折射射率率n=1.75n=1.75，均均匀匀加加宽宽线线宽宽 ，激激发发参参数数 ，求，求（1 1）满足阈值条件的振荡带宽；（）满足阈值条件的振荡带宽；（2 2）起振纵模数。）起振纵模数。6.3.2 6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式均匀加宽激光器的输出模式 起始：起始：增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线1：1增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线2：12增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线3：1231.1.模式竞争模式竞争 1.1.横模间也有竞争；横模间也有竞争；2.2.横模竞争情况较复杂；横模竞争情况较复杂；3.3.可通过选模措施获得单可通过选模措施获得单横模输出。横模输出。均匀加宽激光器横模之间如何竞争均匀加宽激光器横模之间如何竞争？模式竞争：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。抑制下去，最后只剩下一个纵模。竞争结果是竞争结果是最靠近谱线中心频率的纵模取胜最靠近谱线中心频率的纵模取胜。理想情况下，均匀加宽稳态激光器输出模式是单纵模，位理想情况下，均匀加宽稳态激光器输出模式是单纵模，位于谱线中心频率附件。于谱线中心频率附件。若若 的波腹与的波腹与 的波节重合，的波节重合，则则 模式可能得到较高的增模式可能得到较高的增益系数而形成振荡。益系数而形成振荡。空空间间烧烧孔孔效效应应：波波腹腹处处光光强强大大，用用去去的的反反转转粒粒子子数数多多，增增益益系系数数下下降降的的也也大大；波波节节处处光光强强小小，用用去去的的反反转转粒粒子子数数少少，增增益益系系数下降的也少。数下降的也少。空间烧孔引起多模振荡空间烧孔引起多模振荡2.2.空间烧孔空间烧孔 纵模的空间竞争：纵模的空间竞争：由于轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模由于轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡的现象。使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡的现象。气体激光器由于粒子数的空间转移，没有该现象。固体激光气体激光器由于粒子数的空间转移，没有该现象。固体激光器存在。器存在。解决办法：行波腔解决办法：行波腔（1 1）没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈值增益系数没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈值增益系数的纵模都能形成稳定振荡，所以非均匀加宽激光器通常都是多的纵模都能形成稳定振荡，所以非均匀加宽激光器通常都是多纵模振荡。纵模振荡。（2 2）外外界界的的激激发发越越强强，小小信信号号增增益益曲曲线线就就越越高高，满满足足振振荡荡条条件的纵模个数也越多。件的纵模个数也越多。6.3.3 6.3.3 非均匀加宽激光器的输出模式非均匀加宽激光器的输出模式1.1.非均匀加宽激光器的多纵模振荡非均匀加宽激光器的多纵模振荡 u腔长较小，各纵模之间间隔较大时腔长较小，各纵模之间间隔较大时2.2.纵模在烧孔内的竞争纵模在烧孔内的竞争 腔长较大时，纵模频率间隔足够小，烧孔重叠，腔长较大时，纵模频率间隔足够小，烧孔重叠，两个纵两个纵模共用同一部分反转粒子数模共用同一部分反转粒子数，所以存在模竞争。，所以存在模竞争。1.1.激光器的运转方式激光器的运转方式 脉冲激光器脉冲激光器连续激光器连续激光器 各能级粒子数及腔内光子数处于变化中，系统处于非稳定态各能级粒子数及腔内光子数处于变化中，系统处于非稳定态各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态2.2.激光器的振荡阈值激光器的振荡阈值 阈值增益系数：阈值增益系数：增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡稳定振荡总结：总结：激光器的阈值反转粒子数密度：激光器的阈值反转粒子数密度：阈值泵浦功率和能量：阈值泵浦功率和能量：3.3.激光器的振荡模式激光器的振荡模式 思考：思考：激光器中能够起振的模式数有多少激光器中能够起振的模式数有多少？（1 1）均匀加宽激光器的纵模竞争）均匀加宽激光器的纵模竞争 空间烧孔引起多模振荡空间烧孔引起多模振荡（2 2）非均匀加宽激光器中的多纵模振荡）非均匀加宽激光器中的多纵模振荡 腔内光强增大：腔内光强增大：增益系数增益系数 下降（下降（增益饱和作用增益饱和作用）稳定工作状态稳定工作状态小信号增益系数小信号增益系数阈值增益系数阈值增益系数6.4 6.4 连续激光器的输出功率连续激光器的输出功率且增益系数不太大时且增益系数不太大时：腔内平均光强：腔内平均光强：6.4.1 6.4.1 均匀加宽单模激光器均匀加宽单模激光器 为介质长度；为介质长度；为单程损耗；为单程损耗；激光器单纵模振荡。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）激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀）则总平均单程损耗：则总平均单程损耗：输出功率可写为：输出功率可写为：提高激光器的输出功率的方法：提高激光器的输出功率的方法：若除输出损耗以外的其它往返损耗率为若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ，1.1.加大外界泵浦激励作用，从而增大加大外界泵浦激励作用，从而增大 ；2.2.减小谐振腔的往返净损耗减小谐振腔的往返净损耗 ；3.3.加大激光工作物质的长度加大激光工作物质的长度 和面积和面积A。最大输出功率：最大输出功率：输出镜的最佳透射率：输出镜的最佳透射率：6.4.2 6.4.2 非均匀加宽激光器非均匀加宽激光器 时，输出功率为：时，输出功率为：（1 1）只有一个方向的光使只有一个方向的光使之饱和之饱和1.1.各个模式的功率（模式间隔大，相互不影响）各个模式的功率（模式间隔大，相互不影响）（2）时：时：两个方向的光使之饱和两个方向的光使之饱和频率偏离中心频率越多的纵模输出功率越小。频率偏离中心频率越多的纵模输出功率越小。兰姆凹陷形成的原因兰姆凹陷形成的原因:u兰姆凹陷兰姆凹陷（a）频率不是中心频率时（）频率不是中心频率时（如如 ），激光振荡在），激光振荡在 处处烧烧两两个个孔孔，输输出出功功率率P2正正比比于两个孔面积之和。于两个孔面积之和。（b）频频率率为为中中心心频频率率时时，只只有有一一个个烧烧孔孔。虽虽然然它它对对应应着着最最大大的的小小信信号号增增益益，但但对对激激光光有有贡贡献献的的反反转转粒粒子子数数减减少少，因因此此烧孔面积减少，输出功率下降。烧孔面积减少，输出功率下降。一个孔的面积小于两个孔的面积之和。一个孔的面积小于两个孔的面积之和。两个烧孔在两个烧孔在 时开始重叠。时开始重叠。兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔的宽度：兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔的宽度：不同气压下输出功率和频率的关系不同气压下输出功率和频率的关系 加加大大气气体体激激光光器器放放电电管管中中的的气气压压，使使碰碰撞撞线线宽宽增增大大，可可使兰姆凹陷变宽、变浅。使兰姆凹陷变宽、变浅。2.2.总功率总功率 在在非非均均匀匀激激光光器器中中，如如果果模模间间隔隔较较大大，各各个个模模式式相相互互独独立立，互互不不影影响响，可可分分别别求求出出每每个个纵纵模模的的输输出出功功率率，总总功功率率为为各各个个模模式式功功率率之之和和；如如果果模模间间隔隔小小，各各个个模模式式相相互互影影响响，则则总总功功率率正正比于总的烧孔面积（重叠部分不能重复计算）。比于总的烧孔面积（重叠部分不能重复计算）。6.5.1 6.5.1 短脉冲激光器的输出能量短脉冲激光器的输出能量 设设谐谐振振腔腔由由一一面面全全反反射射镜镜和和一一面面透透射射率率为为T T的的输输出出反反射射镜镜组组成成，则则输出能量为：输出能量为：输出能量输出能量E随随Ep线性增加，线性增加，输出能量是由超过阈值的那部输出能量是由超过阈值的那部分能量转换而来。分能量转换而来。输出能量和光泵输入电能的关系输出能量和光泵输入电能的关系 6.5 6.5 脉冲激光器的工作特性脉冲激光器的工作特性对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为:腔内激光能量为：腔内激光能量为：弛豫振荡现象：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。的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。6.5.2 6.5.2 驰豫振荡驰豫振荡固体脉冲自由运转激光器输出的尖峰脉冲固体脉冲自由运转激光器输出的尖峰脉冲 光泵激励：光泵激励：反转粒子数密度反转粒子数密度 增加增加受激辐射：受激辐射：反转粒子数密度反转粒子数密度 减少减少