第6章激光器的工作特性课件.ppt
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- 激光器 工作 特性 课件
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1、6.1 连续与脉冲工作方式连续与脉冲工作方式 脉冲激光器脉冲激光器 连续激光器连续激光器 Pulsed laser:PLPulsed laser:PL连续激光器连续激光器 准连续激光器准连续激光器Continuous Wave Laser:CWL Continuous Wave Laser:CWL 脉冲激光器:长脉冲、短脉冲、超短脉冲。长脉冲可视为准脉冲激光器:长脉冲、短脉冲、超短脉冲。长脉冲可视为准连续连续第六章:激光器的工作特性第六章:激光器的工作特性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
2、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。2.2.连续激光器连续激光器3.3.准连续激光器准连续激光器(Quasi-continuous-wave:QCW)QCW)以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器,均属此类工作的气体激光器及半导体激光器,均属此类 输出功率一般都比较低,适合于要求激光连续工作(激光输出功率一般都比较低,适合于要求激光连续工作(激光通信、激光手术等)的场
3、合通信、激光手术等)的场合泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。13()Wt13W00tt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?2n1313()0WWt 00tt 0tt 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,n其激励几率:其激励几率:例:例:330,0dnndt 31133323131()dnnWn SASdt 123nnnn 3321213()n Snn W 313132321SASS 211222122121332()dnnWn WnASn Sdt 3321213()n
4、 Snn W 221211AS 能级寿命能级寿命 2E12113()11321213()1WtW nnteW 00:tt 0:tt 013 W02()220()()ttntnte 2()n t20()n t00tt忽略受激过程忽略受激过程1312131122)(nWnWdtdn 6.1.1.6.1.1.脉冲激光器脉冲激光器 02t 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:12()W
5、t12Wt00tT0Tt2()N t20()N tt00tT0Tt0dN dt 0idn dt ,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 02t 当时间增大到当时间增大到20tt 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。2()n t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:12()Wt12Wt00t0t2()N t20()N tt020tt 2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 inver
6、sion 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):):02()10G lII e 起振条件:起振条件:10II 02()0G l 0Gl 阈值增益系数:阈值增益系数:tGl 001q 00q 001q 002q 011q 01q 011q 01tg0()g 00tg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 ;tG不同横模的不同横模的 不同,故不
7、同,故 不同(高阶横模不同(高阶横模 较大,较大,也较大)也较大)tG tG激光器稳定振荡时的特点激光器稳定振荡时的特点?tgg 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zg 0g0z()I z0ImI021nnn 6.2.2 6.2.2 阈值反转粒子数密度阈值反转粒子数密度?tn E2E12n1n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:210()(,)gn 210210210()(,)()(,)ttlggnn 中心频率频率中心频率频率 处:处:0 2100(,)21tnl 激光器的阈值反转粒子数密度:激光器的阈值反转粒子
8、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:02()t 12120nnnnn ,能级阈值粒子数密度:能级阈值粒子数密度:2E221ttnnl 6.2.3 6.2.3 阈值泵浦功率和能量阈值泵浦功率和能量1323230()SSA 2212121()ASA 12F 22tsn 2tFsn 22tnn E3E0E1E2nn3n1n0阈值泵浦功率:阈值泵浦功率:21PtPPtFsFshnVhVPl 2222tttnnnnnnnn 能级阈值粒子数密度能级阈值粒子数密度2E22tnn(2)(2)三能级系统三能级系统nLaser RadiationFast
9、transitionAbsorptionEnergy1E1E2E3nLaser RadiationFast transitionAbsorptionEnergyn3n2n1阈值泵浦功率:阈值泵浦功率:2PPtFshnVP 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:02()t 激励持续期间,激励持续期间,2E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:1121PtPPthnVhVEl 三能级系统阈值泵浦能量:三能级系统阈值泵浦能量:12PPthnVE 21tn 22tnn 0E1E2En3E1
10、1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)211ptFE P144,表,表6-1列出三种典型激光器振荡条件的计算值。激光器列出三种典型激光器振荡条件的计算值。激光器工作物质长度工作物质长度10cm,输出反射
11、镜透过率,输出反射镜透过率50%,内部损耗为,内部损耗为0;红宝石中铬粒子密度红宝石中铬粒子密度3190109.1 cmn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 0()g q T tgT 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:1Tqq 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:红宝石激光器腔
12、长:红宝石激光器腔长L=11.25cmL=11.25cm,棒长,棒长 ,折射,折射率率 n=1.7 5n=1.7 5,均 匀 加 宽 线 宽,均 匀 加 宽 线 宽 ,激 发 参,激 发 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。zHMHv5102 tHGvG/)(00 cml10 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 0 tg0()g g 1q q 1q 起始:起始:11()()()qtqtqtgggggg 增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线1:11()()()qtqqtggggg 、
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