第一章-固体激光器基本特性

光电子技术精品课程电子科学与技术精密仪器与光电子工程学院光电子技术(2)(激光器件)1固体激光器基本特性光电子技术精品课程2固体激光器1960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器光电子技术精品课程3固体激光器第一台红宝石激光器的拆卸图光电子技术精品课程4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系统简单，制造容易，传输灵活，可接光纤结构紧凑，牢固耐用，价格适宜光电子技术精品课程51.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、偏振特性和方向性光电子技术精品课程61.1固体激光器的基本结构及能量转换激光器组成光电子技术精品课程7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.冷却与滤光光电子技术精品课程8固体激光器的能量转换光电子技术精品课程9A21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A30量子效率优质红宝石:0.7普通红宝石:0.5钕玻璃:0.4YAG:~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=++2122121AAS光电子技术精品课程10斯托克斯损失或斯托克斯比0pA21B12B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21B12B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A300,,p激光频率泵浦光频率光电子技术精品课程11输出耦合系数TTT，输出镜透射率，谐振腔往返损耗率光电子技术精品课程121.2固体激光器的阈值黑体辐射m1hkThe238单色辐射密度：（）＝c2898维恩位移定律：(m)＝T(K)光电子技术精品课程13黑体辐射光电子技术精品课程14波耳兹曼分布2211()exp()NEENkTE2E1A21B21B1234192350320.690.696.610212.86101.3810T300300/502101mhJsEEhJkJKKTkhcmNeN例如：红宝石室温光电子技术精品课程15波耳兹曼分布'111'222'222221'1111()expNgNNgNNgNgEENgNgkT能级简并：光电子技术精品课程16爱因斯坦系数212121totNNNEEhv2122112112ABNBNtBNBNt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()tAtNNAtNtNeNeE2E1A21B21B12光电子技术精品课程17爱因斯坦系数21221221211211221212121112212212121121122NN0ttN()()1()()exp()1hkTANBNBhABgBhegBkThABgBBg2323热平衡：＝＝8c（）＝8c光电子技术精品课程18固体激光器的损耗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光电子技术精品课程19固体激光器的损耗I0工作物质I’lR100%llgbIIIIII2020000Re1Re'总往返损耗率：无透射损耗率：-2l=1-e光电子技术精品课程20固体激光器的损耗I0工作物质I’lR100%2111(1)(1)lgbgbRTetTTT//对于某些情况，Tβ可忽略光电子技术精品课程21固体激光器的阈值()'ReglII20()Regl21I0工作物质I’lR100%阈值条件：光电子技术精品课程22固体激光器阈值ln.................(.)111212thglR021224Agnn洛仑兹线型中心频率处的增益系数：/......................(.)2221021214122Angn2211gnnngn其中，为激光工作介质中的折射率ln/222102124An高斯线型光电子技术精品课程23固体激光器阈值红宝石Nd3+:YAGNd3+:Glass2.5E-20cm227~88E-20cm23E-20cm2受激辐射截面光电子技术精品课程24固体激光器阈值(ln).............................(.)21211112123ththgnlR光电子技术精品课程25三能级系统阈值A21B12B21E2S32E1W13E3A31S32W13,n3=0n1+n2=ntotΔn=n2-n1(g2/g1)()()..................(.)222111124totggnnngg光电子技术精品课程26三能级系统阈值22211221121()(1)1111(ln).........(1.25)(1/)2thtotthtotggnnngggnggglR(ln)211112thnlR()......(.)211262thtotthnnn12gg若光电子技术精品课程27四能级系统阈值A21B12B21E2S32E1W03E3E0A30(ln).........(.)221212211111272ththgnnnngnnlR调Q状态不成立光电子技术精品课程28脉冲泵浦的阈值能量()......(.)21128inlcabpREnhV若泵浦期间的自发辐射可以忽略....(.)21129thRplcabnVhth阈值能量E光电子技术精品课程29连续器件的阈值功率'()12inRlcabpPVnh........(.)22111210ththRplcabPnAVh'2221thnnA单位时间内泵浦到E2上的粒子数密度单位时间内损耗的粒子数密度光电子技术精品课程30三种工作物质的阈值比较工作物质尺寸：Φ6mm×100mm，损耗系数α＝0.01，输出镜透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2参数红宝石Nd3＋：YAGNd3+:Glassσ21（cm2）νp（S－1）ntot(cm-3)η0Δnth(cm-3)n2th(cm-3)Eth(J)2.5×10－206.25×10141.58×10190.71.79×10188.8×101818450×10－204×10141.38×102018.9×10168.9×10160.833×10－204×10142.85×10200.51.49×10181.49×101828光电子技术精品课程31影响阈值的因素工作物质的种类三能级阈值高于四能级阈值损耗系数α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αηLηcηab提高发光效率提高聚光器效率提高光谱匹配效率输出镜反射率R增大R可减小阈值(ln)(/)(ln)22211212211111121112thtotthgnnggglRnlR三能级：四能级：光电子技术精品课程32综合泵浦系数(ln)(ln)2112112111221122lcabpthlcabpthKAhEKlRKAhAPKlR脉冲器件：连续器件：工作物质横截面面积对于四能级系统光电子技术精品课程331.3输出能量（功率）、效率和最佳透过率输出能量().......(.)2221131thRTnnVhToutE().......(.)2121132inthlcabpTEEToutE()()211lcabpRthlcabpRnhVnhVinthEE光电子技术精品课程34输出功率()2121inthlcabpTPPPTout..........(.)133光电子技术精品课程35斜（率）效率211slcabpTT()()22inthsinthsEEPPoutoutEP光电子技术精品课程36斜（率）效率光电子技术精品课程37光电子技术精品课程38总效率outtotinouttotinEEPPtots光电子技术精品课程39最佳透过率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当T1，2时，lnR四能级系统光电子技术精品课程40最佳透过率max()()()21100211021110S=112thoutinlcabpoutinoptininthinthlcabpTKSTPSSPPSSdPdSPTPPPPPP0th0th0th0th0th时，阈值功率为P令，得PP由，得PP光电子技术精品课程41最佳透过率光电子技术精品课程42透过率选择输出能量(功率)高，透过率高。为防止腔内元件损坏，易采用高透过率。依据经验用实验方法确定透过率连续YAG：5～10％脉冲YAG：60～80％脉冲钕玻璃：50~60%脉冲红宝石：40～60％依据最佳透过率公式T1，2αl1，有解析公式（三能级公式可参考“激光器件”）T较大，或2αl不远小于1时，无法得到解析解光电子技术精品课程431.4输出稳定性、光谱特性、偏振特性和方向性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•驰豫振荡光电子技术精品课程44光谱特性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高注入，高输出伴随激光线宽增加光电子技术精品课程45激光束方向性衍射极限倍数因子M2,2021MM实际光束的束腰和远场发散角乘积理想光束的束腰和远场发散角乘积越小光束质量越好光电子技术精品课程46影响激光方向性因素高增益带来的高阶离轴模振荡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光泵浦不均匀导致反转粒子数不均匀，引起折射率不均匀热透镜的会聚作用使发散角增大谐振腔的调整精度光电子技术精品课程47激光的偏振特性偏振性主要取决于工作物质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。在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏振性