1、21960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器3第一台红宝石激光器的拆卸图第一台红宝石激光器的拆卸图4v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。v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v系统简单，制造容易，传输灵活，可接光纤v结构紧凑，牢固耐用，价格适宜5v1.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6v激光器组成7v 激光工作物质v 泵浦源v 聚光腔v 谐
2、振腔v 冷却与滤光89A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b) 四能级A21 B12 B21E2S32E1W13E3a) 三能级A31A30优质红宝石: 0.7 普通红宝石: 0.5钕玻璃: 0.4 YAG: 13213231SSA三能级=+012 亚稳态发射的荧光光子数量子效率工作物质从光泵吸收的光子数321323031SSAA四能级=+2122121AAS10第一台红宝石激光器的拆卸图1固体激光器的基本结构及能量转换为防止腔内元件损坏，易采用高透过率。结构紧凑，牢固耐用，价格适宜固体工作物质杂质，应力，激活离子分布不均等缺陷引起的散射和折射A21 B12 B21单位时间内损耗
3、的粒子数密度损耗系数= i +a连续YAG：510A21 B12 B21质量好的工作介质和精心调节谐振腔可减小A21 B12 B21A21 B12 B21S32W13, n3=0各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。脉冲YAG：6080A21 B12 B210pA21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b) 四能级A21 B12 B21E2S32E1W13E3a) 三能级A31A300,p激光频率泵浦光频率11TTT，输出镜透射率，谐振腔往返损耗率12v黑体辐射m1hkThe 238单色辐射密度：（ ）c2898维恩位移定律：( m ) T( K)1
4、3142211()exp()NEENkTE2E1A21B21B1234192350320.690.696.6 10212.86 101.38 10T300300/502101mhJ sEEhJkJ KKT khcmNeN例如：红宝石室温151112222222211111()expNg NNg NNg NgEENg NgkT能级简并：16212121totNNNEEhv2122112112ABNBNtBNBNt 21-12121212211自发辐射系数自发辐射寿命=A受激辐射系数（）受激吸收系数（）21212221200( )tA tNN AtNtN eN e E2E1A21B21B12172
5、1221221211211221212121112212212121121122NN0ttN()()1()()exp() 1hkTANBNBhABgBhegBkThABgBBg 2323热平衡：8c（）8c18v透射损耗(T)v工作物质的吸收，散射（i）v其它元件的反射、吸收、散射及衍射损耗（ a）v损耗系数= i +a 19I0工作物质IlR100%llgbIIIIII2020000Re1Re总往返损耗率：无透射损耗率：-2 l=1-e20I0工作物质IlR100%2111 (1)(1)lgbgbRTetTTT /对于某些情况，对于某些情况，T可忽略可忽略21()ReglII20()Regl
6、21I0工作物质IlR100%阈值条件：阈值条件：22ln.( .)111 212thglR021224Agnn 洛仑兹线型中心频率处的增益系数：/.( .)22210212141 22Angn 2211gnnngn其中，为激光工作介质中的折射率ln/22210212 4An高斯线型高斯线型23红宝石Nd3+:YAGNd3+:Glass2.5E-20 cm22788E-20 cm23E-20 cm2受激辐射截面受激辐射截面24(ln).( .)212111121 23ththgnlR25A21 B12 B21E2S32E1W13E3A31S32W13, n3=0n1+n2=ntotn=n2-n
7、1(g2/g1)()().( .)2221111 24totggnnngg2622211221121()(1)1111(ln) .(1.25)(1/)2thtotthtotggnnngggnggglR(ln)211112thnlR().( .)211 262thtotthnnn12gg若若27A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0A30(ln).( .)221212211111 272ththgnnnngnnlR 调调Q状态不成立状态不成立28().( .)211 28inlcabpREnhV 若泵浦期间的自发辐射可以忽略.( .)211 29thRplcabn V h t th
8、h阈阈值值能能量量E E29()12inRlcabpP Vnh .( .)22111 210ththRplcabPnA V h 2221thnnA单位时间内泵浦单位时间内泵浦到到E2上的粒子数密度上的粒子数密度单位时间内损耗单位时间内损耗的粒子数密度的粒子数密度30工作物质尺寸：工作物质尺寸：6mm100mm，损耗系数，损耗系数0.01，输出镜透射率输出镜透射率T0.5，L0.5，c0.8，ab0.2参数红宝石Nd3：YAGNd3+:Glass 21（cm2）p（S1）ntot(cm-3)0nth(cm-3)n2th(cm-3)Eth(J)2.510206.2510141.5810190.71
9、.7910188.81018184501020410141.38102018.910168.910160.8331020410142.8510200.51.4910181.4910182831v工作物质的种类 三能级阈值高于四能级阈值v损耗系数 对三能级系统影响小 对四能级系统影响显著。 质量好的工作介质和精心调节谐振腔可减小vLcab 提高发光效率 提高聚光器效率 提高光谱匹配效率v输出镜反射率R 增大R可减小阈值(ln)(/)(ln)22211212211111121112thtotthgnnggglRnlR三能级：三能级：四能级：四能级：32(ln)(ln)211211211122112
10、2lcabpthlcabpthKAhEKlRKAhAPKlR 脉脉冲冲器器件件：连连续续器器件件：工作物质横工作物质横截面面积截面面积对于四能级系统对于四能级系统33v输出能量().( .)22211 3 1thRTnnV hTo ou ut tE E().( .)21211 32inthlcabpTEET o ou ut tE E()()211lcabpRthlcabpRnhVnhV i n i nththE EE E34()2121inthlcabpTPPPT outout.( .)1 3335211slcabpTT ()()22inthsinthsEEPPo ou ut to ou ut
11、 tE EP P363738outtotinouttotinEEPPtots39v当输入不变时，能得到最大输出的输出镜透过率称为最佳透过率(Topt)，对应的最佳反射率用Ropt表示。211(2ln) 211,12() 2.(1.34)thlthPKlRlRTelPTK 1 1当当T T1 1，2 2时时，l l n nR R四能级系统四能级系统40max()()()21100211021110S=112thoutinlcabpoutinoptininthinthlcabpTKSTPSSPPSSdPdSPTPPPPP P 0 0thth0 0thth0 0thth0 0thth0 0thth时
12、，阈值功率为P时，阈值功率为P令，得令，得P PP P由，得由，得P PP P4142A21 B12 B21A21 B12 B21结构紧凑，牢固耐用，价格适宜多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模工作物质的吸收，散射（i）各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。第一台红宝石激光器的拆卸图对四能级系统影响显著。质量好的工作介质和精心调节谐振腔可减小2788E-20 cm2对四能级系统影响显著。v输出能量(功率)高，透过率高。v为防止腔内元件损坏，易采用高透过率。v依据经验用实验方法确定透过率 连续YAG：510 脉冲YAG：6080 脉冲钕玻璃：5060% 脉
13、冲红宝石：4060v依据最佳透过率公式 T1，2l1，有解析公式（三能级公式可参考“激光器件”） T较大，或2l不远小于1时，无法得到解析解43v输出稳定性 长期稳定性工作物质劣化泵源老化聚光器污染谐振腔失调 短期稳定性电源不稳灯触发强度变化阈值附近工作外部光学元件反馈激光棒热效应 高频起伏驰豫振荡44v多纵模工作 空间空穴效应 高增益 多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模v高注入，高输出伴随激光线宽增加45v衍射极限倍数因子M2,2021MM 实实际际光光束束的的束束腰腰和和远远场场发发散散角角乘乘积积理理想想光光束束的的束束腰腰和和远远场场发发散散角角乘乘积积越越小小光光束束质质量量越越好好46v高增益带来的高阶离轴模振荡v固体工作物质杂质，应力，激活离子分布不均等缺陷引起的散射和折射v光泵浦不均匀导致反转粒子数不均匀，引起折射率不均匀v热透镜的会聚作用使发散角增大v谐振腔的调整精度47v偏振性主要取决于工作物质v各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。v在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏振性
