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固体激光器基本特性固体激光器基本特性第一页，讲稿共四十七页哦固体激光器1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器2第二页，讲稿共四十七页哦固体激光器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3第三页，讲稿共四十七页哦固体激光器特点v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4第四页，讲稿共四十七页哦1.固体激光器基本特性v1.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5第五页，讲稿共四十七页哦1.1固体激光器的基本结构及能量转换固体激光器的基本结构及能量转换v激光器组成6第六页，讲稿共四十七页哦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7第七页，讲稿共四十七页哦固体激光器的能量转换8第八页，讲稿共四十七页哦A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21 B12 B21E2S32E1W13E3a)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:0.4 YAG:19第九页，讲稿共四十七页哦斯托克斯损失或斯托克斯比A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b)四能级A21 B12 B21E2S32E1W13E3a)三能级A31A3010第十页，讲稿共四十七页哦输出耦合系数11第十一页，讲稿共四十七页哦1.2固体激光器的阈值v黑体辐射12第十二页，讲稿共四十七页哦黑体辐射13第十三页，讲稿共四十七页哦波耳兹曼分布E2E1A21B21B1214第十四页，讲稿共四十七页哦波耳兹曼分布能级简并：15第十五页，讲稿共四十七页哦爱因斯坦系数E2E1A21B21B1216第十六页，讲稿共四十七页哦爱因斯坦系数17第十七页，讲稿共四十七页哦固体激光器的损耗v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 18第十八页，讲稿共四十七页哦固体激光器的损耗I0工作物质IlR100%总往返损耗率：无透射损耗率：19第十九页，讲稿共四十七页哦固体激光器的损耗I0工作物质IlR100%/对于某些情况，对于某些情况，T可忽略可忽略20第二十页，讲稿共四十七页哦固体激光器的阈值I0工作物质IlR100%阈值条件：阈值条件：21第二十一页，讲稿共四十七页哦固体激光器阈值22第二十二页，讲稿共四十七页哦固体激光器阈值红宝石Nd3+:YAGNd3+:Glass2.5E-20 cm22788E-20 cm23E-20 cm2受激辐射截面受激辐射截面23第二十三页，讲稿共四十七页哦固体激光器阈值24第二十四页，讲稿共四十七页哦三能级系统阈值A21 B12 B21E2S32E1W13E3A31S32W13,n3=0n1+n2=ntotn=n2-n1(g2/g1)25第二十五页，讲稿共四十七页哦三能级系统阈值26第二十六页，讲稿共四十七页哦四能级系统阈值A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0A30调调Q状态不成立状态不成立27第二十七页，讲稿共四十七页哦脉冲泵浦的阈值能量若泵浦期间的自发辐射可以忽略28第二十八页，讲稿共四十七页哦连续器件的阈值功率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的单位时间内损耗的粒子数密度粒子数密度29第二十九页，讲稿共四十七页哦三种工作物质的阈值比较工作物质尺寸：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)2.510206.2510141.5810190.71.7910188.81018184501020410141.38102018.910168.910160.8331020410142.8510200.51.4910181.4910182830第三十页，讲稿共四十七页哦影响阈值的因素v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31第三十一页，讲稿共四十七页哦综合泵浦系数工作物质横截工作物质横截面面积面面积对于四能级系统对于四能级系统32第三十二页，讲稿共四十七页哦1.31.3输出能量（功率）、效率和最佳透过率输出能量（功率）、效率和最佳透过率v输出能量33第三十三页，讲稿共四十七页哦输出功率34第三十四页，讲稿共四十七页哦斜（率）效率35第三十五页，讲稿共四十七页哦斜（率）效率36第三十六页，讲稿共四十七页哦37第三十七页，讲稿共四十七页哦总效率38第三十八页，讲稿共四十七页哦最佳透过率v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。四能级系统四能级系统39第三十九页，讲稿共四十七页哦最佳透过率40第四十页，讲稿共四十七页哦最佳透过率41第四十一页，讲稿共四十七页哦透过率选择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42第四十二页，讲稿共四十七页哦1.4输出稳定性、光谱特性、偏振特性和方向性v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43第四十三页，讲稿共四十七页哦光谱特性v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44第四十四页，讲稿共四十七页哦激光束方向性v衍射极限倍数因子M245第四十五页，讲稿共四十七页哦影响激光方向性因素v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46第四十六页，讲稿共四十七页哦激光的偏振特性v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47第四十七页，讲稿共四十七页哦