物理激光的基本原理及其特性学习教案.pptx

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1、会计学1物理激光物理激光(jgung)的基本原理及其特性的基本原理及其特性第一页，共91页。课程内容课程内容n n第第第第1 1 1 1章章章章 激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性激光的基本原理及特性n n第第第第2 2 2 2章章章章 光学谐振腔理论光学谐振腔理论光学谐振腔理论光学谐振腔理论(lln)(lln)(lln)(lln)n n第第第第3 3 3 3章章章章 典型激光器典型激光器典型激光器典型激光器n n第第第第4 4 4 4章章章章 半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器n n第第第第5 5 5 5章章章章 激光调制技术激光调制技术激光调制技术激

2、光调制技术n n第第第第6 6 6 6章章章章 调调调调Q Q Q Q技术与琐模技术技术与琐模技术技术与琐模技术技术与琐模技术n n第第第第7 7 7 7章章章章 激光频率技术激光频率技术激光频率技术激光频率技术第1页/共91页第二页，共91页。参考书目参考书目 俞宽新等编著，激光原理俞宽新等编著，激光原理俞宽新等编著，激光原理俞宽新等编著，激光原理(yunl)(yunl)(yunl)(yunl)与技术与技术与技术与技术北京工业大学出版社北京工业大学出版社北京工业大学出版社北京工业大学出版社 周炳琨等编著，激光原理周炳琨等编著，激光原理周炳琨等编著，激光原理周炳琨等编著，激光原理(yunl)(

3、yunl)(yunl)(yunl)国防工业出版社国防工业出版社国防工业出版社国防工业出版社 陈玉清等编著，激光原理陈玉清等编著，激光原理陈玉清等编著，激光原理陈玉清等编著，激光原理(yunl)(yunl)(yunl)(yunl)高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社 李相银等编著，激光原理李相银等编著，激光原理李相银等编著，激光原理李相银等编著，激光原理(yunl)(yunl)(yunl)(yunl)技术及应用技术及应用技术及应用技术及应用 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社第2页/共91页第三页，共91页。教学组织方式教学组织方

4、式(fngsh)与学与学时分配时分配n n利用利用利用利用(lyng)(lyng)多媒体授课多媒体授课多媒体授课多媒体授课 教学内容教学内容 课时课时第一章第一章1212第二章第二章8 8第三章第三章7 7第四章第四章4 4第六章第六章8 8第七章第七章6 6总计总计4545第3页/共91页第四页，共91页。考核考核(koh)方式方式n n考试考试n n平时平时(出勤出勤+作业作业(zuy)+(zuy)+平时表现平时表现)20%)20%n n实验实验 30%30%n n期末考试期末考试 50%50%第4页/共91页第五页，共91页。第第1 1章章 激光激光(jgung)(jgung)的基本原理

5、及特性的基本原理及特性n n1.1 1.1 1.1 1.1 激光的特性激光的特性激光的特性激光的特性n n1.2 1.2 1.2 1.2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件激光产生的必要条件激光产生的必要条件(b yo tio jin)(b yo tio jin)(b yo tio jin)(b yo tio jin)n n1.3 1.3 1.3 1.3 激光产生的充分条件激光产生的充分条件激光产生的充分条件激光产生的充分条件n n1.4 1.4 1.4 1.4 谱线加宽谱线加宽谱线加宽谱线加宽n n1.5 1.5 1.5 1.5 谱线加宽下的增益系数谱线加宽下的增益系数谱线加宽下的增益系数

6、谱线加宽下的增益系数n n1.6 1.6 1.6 1.6 激光器的速率方程激光器的速率方程激光器的速率方程激光器的速率方程第5页/共91页第六页，共91页。n n1.7 1.7 连续与脉冲工作连续与脉冲工作n n1.8 1.8 粒子数反转分布粒子数反转分布(fnb)(fnb)条件条件n n1.9 1.9 激光放大的阈值条件激光放大的阈值条件n n1.10 1.10 均匀加宽激光器的模竞争均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引和频率牵引n n1.11 1.11 激光器的输出特性激光器的输出特性n n1.12 1.12 激光器的泵浦技术激光器的泵浦技术第6页/共91页第七页，共91页。1.1 1.1 激

7、光激光(jgung)(jgung)的特性的特性单色性单色性方向性方向性相干性相干性高亮度高亮度第7页/共91页第八页，共91页。单色性和时间单色性和时间(shjin)相干性相干性n n光源单色性的量度光源单色性的量度:频带宽度频带宽度n n时间相干性：光源中同一辐射时间相干性：光源中同一辐射源在不同时间辐射出的光束之源在不同时间辐射出的光束之间的相干性间的相干性n n光波的相干时间光波的相干时间:n n谱线宽度越窄谱线宽度越窄,或单色性越好或单色性越好,相干时间越长相干时间越长,即时间相干性越即时间相干性越好好.n n普通普通(ptng)(ptng)光源光源:谱线宽度谱线宽度1014Hz101

8、4Hz的量级的量级n n单模稳频气体激光器：单模稳频气体激光器：10 10HzHz以上的量级以上的量级第8页/共91页第九页，共91页。方向性与空间方向性与空间(kngjin)相干性相干性n n方向性方向性n n普通光源普通光源:4n n激光激光:毫弧度毫弧度n n空间相干性空间相干性n n 发光面上不同点在同一时间内发光面上不同点在同一时间内发出发出(fch)辐射的相干性辐射的相干性.n n相干面积相干面积n n相干长度相干长度n n相干体积相干体积第9页/共91页第十页，共91页。高亮度高亮度n n定义定义定义定义:光源在单位面积上光源在单位面积上光源在单位面积上光源在单位面积上,向某一方

9、向向某一方向向某一方向向某一方向(fngxing)(fngxing)(fngxing)(fngxing)的单位立体角内发射的光功的单位立体角内发射的光功的单位立体角内发射的光功的单位立体角内发射的光功率率率率.n n截面为截面为截面为截面为A A A A的光源单色亮度的光源单色亮度的光源单色亮度的光源单色亮度n n一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达其亮度可达其亮度可达其亮度可达1018 W/cm2.sr,1018 W/cm2.sr,1018 W/cm2.sr,1018 W/cm2.sr,它比太阳表面的它比

10、太阳表面的它比太阳表面的它比太阳表面的亮度亮度亮度亮度2*103 W/cm2.sr2*103 W/cm2.sr2*103 W/cm2.sr2*103 W/cm2.sr要高要高要高要高15151515个数量级个数量级个数量级个数量级第10页/共91页第十一页，共91页。1.2 1.2 激光激光(jgung)(jgung)产生的必要产生的必要条件条件n n1.2.1 1.2.1 二能级系统二能级系统(xtng)(xtng)的三种跃迁的三种跃迁n n一、自发辐射一、自发辐射n n二、受激跃迁二、受激跃迁n n三、三、EinsteinEinstein辐射系数之间的关系辐射系数之间的关系第11页/共91

11、页第十二页，共91页。一一.自发辐射自发辐射(z f f(z f f sh)sh)表1.1蓝宝石第12页/共91页第十三页，共91页。二二.受激跃迁受激跃迁(yuqin)(yuqin)n n(一一)受激吸收受激吸收(xshu)(xshu)第13页/共91页第十四页，共91页。n n(二二)受激辐射受激辐射(fsh)(fsh)第14页/共91页第十五页，共91页。三三.Einstein.Einstein辐射辐射(fsh)(fsh)系数之间的关系系数之间的关系当三种过程当三种过程(guchng)都存在时都存在时,总变化率为总变化率为 简并度第15页/共91页第十六页，共91页。1.2.2 1.2.

12、2 激光产生的必要条件激光产生的必要条件光强的增长可表示为由受激跃迁光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增量与单个光引起的光子数净增量与单个光子能量子能量(nngling)(nngling)的乘积的乘积第16页/共91页第十七页，共91页。n n辐射(fsh)放大n n产生激光的必要条件：n n工作物质处于粒子数反转分布状态n n增益介质：第17页/共91页第十八页，共91页。1.3 激光激光(jgung)产生的充分条件产生的充分条件n n1.3.1.饱和光强的概念饱和光强的概念n n饱和光强饱和光强n n饱和长度饱和长度n n1.3.2 饱和光强的简单饱和光强的简单(jindn)计算计

13、算n n当光通过增益介质时，上能级当光通过增益介质时，上能级粒子数的变化率为粒子数的变化率为n n稳态时稳态时第18页/共91页第十九页，共91页。n n小信号情况小信号情况小信号情况小信号情况n n随光强的增长，随光强的增长，随光强的增长，随光强的增长，u u减小，减小，减小，减小，n n使使使使u u减小为小信号值的时的光强为饱和减小为小信号值的时的光强为饱和减小为小信号值的时的光强为饱和减小为小信号值的时的光强为饱和(b(b oh)oh)光强光强光强光强n n其中其中其中其中受激辐射(fsh)截面第19页/共91页第二十页，共91页。1.3.3 产生产生(chnshng)激光的充分条件激

14、光的充分条件如果在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到，则对激光来说是充分(chngfn)的求有效长度园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布设光辐射起源于介质一端长度为l的区域第20页/共91页第二十一页，共91页。n n单位时间内由自发发射产生单位时间内由自发发射产生(chnshng)的总辐射能的总辐射能n n令光强经介质放大后达到饱和令光强经介质放大后达到饱和光强光强n n设设光强等于单位(dnwi)截面的能量第21页/共91页第二十二页，共91页。n n例例1.1已知某激光工作物质已知某激光工作物质(wzh)增益系数为增益系数为100m-1，长度，长度0.08m求满足产

15、生激求满足产生激光充分条件的光充分条件的da.第22页/共91页第二十三页，共91页。n n例已知例已知d:YAG激光材料增益系激光材料增益系数数10m-1，设材料长度，设材料长度0.5m，直径，直径da=0.1m,试问小信试问小信号单次通过该介质号单次通过该介质(jizh)光光强能否达到饱和？强能否达到饱和？n n微弱光信号单次通过该工作物微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和质光强达不到饱和第23页/共91页第二十四页，共91页。1.4 谱线加宽谱线加宽n n原子系统能级的弥散原子系统能级的弥散(msn)n n1.4.1概述概述n n海森堡测不准关系海森堡测不准关系n n相干辐射的中心

16、频率为相干辐射的中心频率为第24页/共91页第二十五页，共91页。n n上下边频分别为上下边频分别为上下边频分别为上下边频分别为n n谱线宽度为谱线宽度为谱线宽度为谱线宽度为n n谱线加宽特性的描述谱线加宽特性的描述谱线加宽特性的描述谱线加宽特性的描述(mio sh)(mio sh)：线形函数：线形函数：线形函数：线形函数n n定义定义定义定义n n线形函数是归一化的线形函数是归一化的线形函数是归一化的线形函数是归一化的求和表示可以(ky)有多种自发辐射第25页/共91页第二十六页，共91页。n n分类分类(fn li)n n1.均匀加宽均匀加宽n n2.非均匀加宽非均匀加宽第26页/共91页

17、第二十七页，共91页。1.4.2均匀均匀(jnyn)加宽加宽n n1.1.自然加宽自然加宽自然加宽自然加宽n n由测不准由测不准由测不准由测不准(b zh(b zh n)n)关系决定谱线加宽关系决定谱线加宽关系决定谱线加宽关系决定谱线加宽n n线形函数线形函数线形函数线形函数n n自然宽度自然宽度自然宽度自然宽度第27页/共91页第二十八页，共91页。第28页/共91页第二十九页，共91页。n n2.碰撞碰撞(pn zhun)加宽加宽n n当原子密度足够高时当原子密度足够高时,原子之间原子之间的碰撞的碰撞(pn zhun)引起的谱引起的谱线加宽线加宽n n加宽加宽n n加宽：的速率干扰辐加宽：

18、的速率干扰辐射原子的相位射原子的相位第29页/共91页第三十页，共91页。第30页/共91页第三十一页，共91页。均匀均匀(jnyn)加宽加宽n n特点：对同类原子中的每个个体都是相同的特点：对同类原子中的每个个体都是相同的特点：对同类原子中的每个个体都是相同的特点：对同类原子中的每个个体都是相同的n n考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为n n大多数固体大多数固体大多数固体大多数固体(gt(gt)激光跃迁的谱线加宽激光跃迁的谱线加宽激光跃迁的谱线加宽激光跃迁的谱线加宽第31页/

19、共91页第三十二页，共91页。n n气体激光的碰撞气体激光的碰撞(pn zhun)加宽加宽n n比例系数比例系数与原子间的碰撞与原子间的碰撞(pn zhun)截面，温度等有截面，温度等有关关第32页/共91页第三十三页，共91页。1.4.3.非均匀非均匀(jnyn)加宽加宽n n特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献n n分类：多谱勒加宽和非晶态加宽分类：多谱勒加宽和非晶态加宽分类：多谱勒加宽和非晶态加宽分类：多谱勒加宽和非晶态加宽n n一、一、一、一、op

20、pler oppler 加宽（气体工作物质）加宽（气体工作物质）加宽（气体工作物质）加宽（气体工作物质）n n设有静止时辐射频率设有静止时辐射频率设有静止时辐射频率设有静止时辐射频率(pnl(pnl)为为为为 的原子的原子的原子的原子(光源光源光源光源)以以以以速度速度速度速度v v 朝向或背离观察者朝向或背离观察者朝向或背离观察者朝向或背离观察者(接收器接收器接收器接收器)运动运动运动运动,则被探测到则被探测到则被探测到则被探测到的频率的频率的频率的频率(pnl(pnl)分别为分别为分别为分别为n n对气体原子对气体原子对气体原子对气体原子,平均速度平均速度平均速度平均速度n n的取值范围在

21、的取值范围在的取值范围在的取值范围在102102103m/s103m/s第33页/共91页第三十四页，共91页。第34页/共91页第三十五页，共91页。n n要求要求要求要求(yoqi)(yoqi)谱线宽度值谱线宽度值谱线宽度值谱线宽度值 代入代入代入代入MaxwellMaxwell速度公速度公速度公速度公式式式式n n原子的发光强度与发光原子数成正比原子的发光强度与发光原子数成正比原子的发光强度与发光原子数成正比原子的发光强度与发光原子数成正比n n当时，上式有极大值当时，上式有极大值当时，上式有极大值当时，上式有极大值高斯分布第35页/共91页第三十六页，共91页。第36页/共91页第三十

22、七页，共91页。第37页/共91页第三十八页，共91页。n n而而n n有有第38页/共91页第三十九页，共91页。n n例求氖原子辐射(fsh)nm光谱线的多谱勒宽度?（T=300K）第39页/共91页第四十页，共91页。二、非晶态加宽二、非晶态加宽非晶态材料非晶态材料,是由分子的奖状混合是由分子的奖状混合物凝结在固体中形成物凝结在固体中形成(xngchng)的的,导致一些小的导致一些小的区域中的分子有稍微不同的取区域中的分子有稍微不同的取向向.应力不同应力不同,每个粒子的能级略有不每个粒子的能级略有不同同材料的不同部分辐射频率也不同材料的不同部分辐射频率也不同.总的发射线宽具有高斯线性总的

23、发射线宽具有高斯线性.综合加宽综合加宽第40页/共91页第四十一页，共91页。1.5 谱线加宽下的增益谱线加宽下的增益(zngy)系数系数n n线型函数线型函数线型函数线型函数g(v)g(v)定义定义定义定义(dngy)(dngy)为辐射光强中频率处于为辐射光强中频率处于为辐射光强中频率处于为辐射光强中频率处于v v领域单领域单领域单领域单位频率间隔的光强与总光强之比也可理解为跃迁几率按频位频率间隔的光强与总光强之比也可理解为跃迁几率按频位频率间隔的光强与总光强之比也可理解为跃迁几率按频位频率间隔的光强与总光强之比也可理解为跃迁几率按频率的分布函数率的分布函数率的分布函数率的分布函数n n从而

24、爱因斯坦系数为从而爱因斯坦系数为从而爱因斯坦系数为从而爱因斯坦系数为第41页/共91页第四十二页，共91页。n n自发跃迁引起自发跃迁引起自发跃迁引起自发跃迁引起(y(y nqnq)u u变化的速率变化的速率变化的速率变化的速率n n即谱线加宽对其没有影响即谱线加宽对其没有影响即谱线加宽对其没有影响即谱线加宽对其没有影响n n受激辐射引起受激辐射引起受激辐射引起受激辐射引起(y(y nqnq)u u变化的速率变化的速率变化的速率变化的速率第42页/共91页第四十三页，共91页。n n增益系数增益系数增益系数增益系数(xsh)(xsh)（考虑谱（考虑谱（考虑谱（考虑谱线加宽）线加宽）线加宽）线加

25、宽）n n均匀加宽均匀加宽均匀加宽均匀加宽n n多谱勒加宽多谱勒加宽多谱勒加宽多谱勒加宽n n其中其中其中其中第43页/共91页第四十四页，共91页。n n于是于是(ysh)得得n n在处取最大值在处取最大值第44页/共91页第四十五页，共91页。1.6 激光器的速率方程激光器的速率方程n n速率方程：能级粒子速率方程：能级粒子速率方程：能级粒子速率方程：能级粒子(lz(lz)数密度随时间变化的微分方程数密度随时间变化的微分方程数密度随时间变化的微分方程数密度随时间变化的微分方程n n1.1.速率方程的建立速率方程的建立速率方程的建立速率方程的建立第45页/共91页第四十六页，共91页。1.6

26、.2速率方程的稳态解速率方程的稳态解n n在小信号条件下得n n小信号下下能级粒子数密度(md)n n两个方程直接相加得n n下能级粒子数密度(md)不随光强而变第46页/共91页第四十七页，共91页。n n能级(nngj)u的 寿命n n有第47页/共91页第四十八页，共91页。1.6.3反转粒子数及增益反转粒子数及增益(zngy)饱和饱和n n其中其中(qzhng)(qzhng)n n当当n n饱和时反转粒子数密度下降到小信号时的一半饱和时反转粒子数密度下降到小信号时的一半第48页/共91页第四十九页，共91页。n n因因因因n n式中小信号式中小信号式中小信号式中小信号(xnho)(xn

27、ho)增益系数增益系数增益系数增益系数第49页/共91页第五十页，共91页。n n当当n n即饱和条件下的增益系数为小信号即饱和条件下的增益系数为小信号(xnho)(xnho)时的一半时的一半第50页/共91页第五十一页，共91页。第51页/共91页第五十二页，共91页。1.7 连续与脉冲连续与脉冲(michng)工作工作n n两种基本两种基本(jbn)工作状态工作状态:连连续和脉冲工作续和脉冲工作n n1.7.1.固体三能级系统速率方程固体三能级系统速率方程组组第52页/共91页第五十三页，共91页。根据玻尔兹曼定律根据玻尔兹曼定律根据玻尔兹曼定律根据玻尔兹曼定律(dngl(dngl)设波长

28、设波长设波长设波长在室温（）条件下在室温（）条件下在室温（）条件下在室温（）条件下通常有通常有通常有通常有第53页/共91页第五十四页，共91页。n n各能级粒子数随时间变化的方程各能级粒子数随时间变化的方程各能级粒子数随时间变化的方程各能级粒子数随时间变化的方程n n假定腔内只存在一个模假定腔内只存在一个模假定腔内只存在一个模假定腔内只存在一个模,其光子寿命其光子寿命其光子寿命其光子寿命(shumng)(shumng)为为为为 ,则光则光则光则光子数密度子数密度子数密度子数密度n n的增长速率为的增长速率为的增长速率为的增长速率为n n将激发速率用发射将激发速率用发射将激发速率用发射将激发速

29、率用发射/吸收截面及介质的光速来表示吸收截面及介质的光速来表示吸收截面及介质的光速来表示吸收截面及介质的光速来表示n n从而得从而得从而得从而得量子(lingz)效率第54页/共91页第五十五页，共91页。n n其中其中n n为粒子由为粒子由 能级向能级向 能级转移的能级转移的量子效率量子效率(xio l)n n为能级为能级 上粒子的寿命上粒子的寿命第55页/共91页第五十六页，共91页。1.7.2 速率方程的解速率方程的解n n激光器的工作激光器的工作激光器的工作激光器的工作(gngzu)(gngzu)方式主要由外抽运速率方式主要由外抽运速率方式主要由外抽运速率方式主要由外抽运速率 的时的时

30、的时的时间行为决定间行为决定间行为决定间行为决定.n n 输出连续激光输出连续激光输出连续激光输出连续激光n n 输出脉冲激光输出脉冲激光输出脉冲激光输出脉冲激光第56页/共91页第五十七页，共91页。n n速率方程的解由速率方程的解由速率方程的解由速率方程的解由 时间行为决定时间行为决定时间行为决定时间行为决定n n令令令令n n对典型的三能级系统对典型的三能级系统对典型的三能级系统对典型的三能级系统,近似为空能级近似为空能级近似为空能级近似为空能级,于是于是于是于是n n假定激光器工作在阈值附近假定激光器工作在阈值附近假定激光器工作在阈值附近假定激光器工作在阈值附近(fjn),(fjn),

31、则受激辐射很弱则受激辐射很弱则受激辐射很弱则受激辐射很弱第57页/共91页第五十八页，共91页。n n一阶非齐次常微分方程一阶非齐次常微分方程一阶非齐次常微分方程一阶非齐次常微分方程(fngchng),(fngchng),相应的齐次方相应的齐次方相应的齐次方相应的齐次方程程程程(fngchng)(fngchng)的解为的解为的解为的解为n n用常数变易法求出用常数变易法求出用常数变易法求出用常数变易法求出C Cn n终得终得终得终得n n在在在在 以后的时间里以后的时间里以后的时间里以后的时间里,的速率方程的速率方程的速率方程的速率方程(fngchng)(fngchng)为为为为n n解为解为

32、解为解为第58页/共91页第五十九页，共91页。1.7.3激光器的工作激光器的工作(gngzu)状态状态n n激光上能级粒子数随时间的变化规律激光上能级粒子数随时间的变化规律激光上能级粒子数随时间的变化规律激光上能级粒子数随时间的变化规律n n对激光脉冲和连续工作对激光脉冲和连续工作对激光脉冲和连续工作对激光脉冲和连续工作(gngzu)(gngzu)状态均适用状态均适用状态均适用状态均适用第59页/共91页第六十页，共91页。一一.短脉冲运转短脉冲运转 整个整个(zhngg)抽运时间内抽运时间内短脉冲短脉冲短脉冲短脉冲(michng)(michng)运转指运转指运转指运转指第60页/共91页第

33、六十一页，共91页。n n如果外抽运以一定周期重复施如果外抽运以一定周期重复施于激光器于激光器,则将以相同则将以相同(xin tn)周期变化周期变化第61页/共91页第六十二页，共91页。二二.长脉冲长脉冲(michng)和连续运转和连续运转如果如果如果如果(rgu(rgu)外抽运持续时间外抽运持续时间外抽运持续时间外抽运持续时间 ,则当则当则当则当t t增长到某一足够增长到某一足够增长到某一足够增长到某一足够大的值大的值大的值大的值t1,t1,以至时以至时以至时以至时第62页/共91页第六十三页，共91页。1.8 粒子数反转粒子数反转(fn zhun)分布条件分布条件n n1.1.稳态工作情

34、况稳态工作情况稳态工作情况稳态工作情况(qngkung)(qngkung)n n由此解得由此解得由此解得由此解得n n对大多数固体三能级对大多数固体三能级对大多数固体三能级对大多数固体三能级材料材料材料材料,第63页/共91页第六十四页，共91页。n n得得n n实现粒子实现粒子(lz)数反转的条件数反转的条件为为n n 或或第64页/共91页第六十五页，共91页。2.瞬态工作瞬态工作(gngzu)情况情况n n假定假定n n粒子数反转随时间粒子数反转随时间(shjin)(shjin)变化变化近似近似(jn s)为空能级为空能级第65页/共91页第六十六页，共91页。1.9 激光激光(jgun

35、g)放大的阈值条件放大的阈值条件n n1.阈值增益系数和粒子数阈值增益系数和粒子数n n谐振腔的总损耗率为谐振腔的总损耗率为n n阈值附近阈值附近(fjn)腔内光强腔内光强很弱，可视为小信号，则很弱，可视为小信号，则有有n n激光在腔内放大的阈值条激光在腔内放大的阈值条件件n n阈值反转粒子数密度阈值反转粒子数密度第66页/共91页第六十七页，共91页。n n能级能级(nngj)的阈值粒子数的阈值粒子数密度密度n n一般来说一般来说n n所以有所以有第67页/共91页第六十八页，共91页。连续连续(linx)/长脉冲光泵阈值长脉冲光泵阈值功率功率连续连续(linx)长脉冲工作状态长脉冲工作状态

36、时，达到时，达到(d do)稳态值稳态值稳态值稳态值由此得由此得稳态时的光泵功率稳态时的光泵功率第68页/共91页第六十九页，共91页。短脉冲短脉冲(michng)工作工作n n短脉冲条件下，通常有短脉冲条件下，通常有短脉冲条件下，通常有短脉冲条件下，通常有n n而而而而n n在短脉冲激光器中，由于脉冲工作时间很短，系统处于在短脉冲激光器中，由于脉冲工作时间很短，系统处于在短脉冲激光器中，由于脉冲工作时间很短，系统处于在短脉冲激光器中，由于脉冲工作时间很短，系统处于非稳态，各能级的粒子数始终随时间变化工作物质非稳态，各能级的粒子数始终随时间变化工作物质非稳态，各能级的粒子数始终随时间变化工作物

37、质非稳态，各能级的粒子数始终随时间变化工作物质(wzh)(wzh)在每个脉冲内吸收光泵能量为：在每个脉冲内吸收光泵能量为：在每个脉冲内吸收光泵能量为：在每个脉冲内吸收光泵能量为：n n光泵阈值能量为光泵阈值能量为光泵阈值能量为光泵阈值能量为由由第69页/共91页第七十页，共91页。1.10 1.10 均匀均匀均匀均匀(jnyn)(jnyn)加宽激光器的模竞争和频率牵引加宽激光器的模竞争和频率牵引加宽激光器的模竞争和频率牵引加宽激光器的模竞争和频率牵引n n1.10.1.均匀加宽激光器的模竞争均匀加宽激光器的模竞争n n当某一频率的光强增长时当某一频率的光强增长时,整个谱线均匀下降整个谱线均匀下

38、降(xijing),直到稳定工作状态直到稳定工作状态第70页/共91页第七十一页，共91页。n n光强为光强为光强为光强为I1I1和和和和I2,I2,频率是频率是频率是频率是 增益系数增益系数增益系数增益系数(xsh)(xsh)分别为分别为分别为分别为n n小信号增益满足小信号增益满足小信号增益满足小信号增益满足n n直至下降到曲线直至下降到曲线直至下降到曲线直至下降到曲线A A的位置时的位置时的位置时的位置时,有有有有n n当增益曲线下降到曲线当增益曲线下降到曲线当增益曲线下降到曲线当增益曲线下降到曲线B B的位置时的位置时的位置时的位置时第71页/共91页第七十二页，共91页。1.10.2

39、 频率牵引频率牵引n n在无源腔中，第在无源腔中，第在无源腔中，第在无源腔中，第q q个纵模的频率个纵模的频率个纵模的频率个纵模的频率(pnl(pnl)为为为为n n折射率为与频率折射率为与频率折射率为与频率折射率为与频率(pnl(pnl)无关的常数无关的常数无关的常数无关的常数n n在有源腔中在有源腔中在有源腔中在有源腔中n n第第第第q q个纵模的频率个纵模的频率个纵模的频率个纵模的频率(pnl(pnl)变为变为变为变为第72页/共91页第七十三页，共91页。n n相对有一个偏移相对有一个偏移n n对均匀加宽工作物质对均匀加宽工作物质n n稳定稳定(wndng)条件下条件下n n频率偏移频

40、率偏移n n其中其中n n考虑考虑n n（牵引常量）（牵引常量）无源腔线宽无源腔线宽第73页/共91页第七十四页，共91页。n n当当当当n n有源腔中的纵模频率总是有源腔中的纵模频率总是有源腔中的纵模频率总是有源腔中的纵模频率总是(z(z n n sh)sh)比无源腔中比无源腔中比无源腔中比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率同序数频率更接近工作物质的中心频率同序数频率更接近工作物质的中心频率同序数频率更接近工作物质的中心频率n n此现象称频率牵引此现象称频率牵引此现象称频率牵引此现象称频率牵引第74页/共91页第七十五页，共91页。1.11 激光器的输出特性激光器的输出特性n n1.

41、11.11.11.1均匀加宽连续激光器的输出功率均匀加宽连续激光器的输出功率均匀加宽连续激光器的输出功率均匀加宽连续激光器的输出功率n n设腔内有一频率为设腔内有一频率为设腔内有一频率为设腔内有一频率为 的模式起振，起初，的模式起振，起初，的模式起振，起初，的模式起振，起初，n n腔内光强逐渐增长由于饱和效应腔内光强逐渐增长由于饱和效应腔内光强逐渐增长由于饱和效应腔内光强逐渐增长由于饱和效应(xioyng)(xioyng)，增益，增益，增益，增益随随随随 的增长而下降但只要的增长而下降但只要的增长而下降但只要的增长而下降但只要 就就就就会继续增长，继续下降，直到会继续增长，继续下降，直到会继续

42、增长，继续下降，直到会继续增长，继续下降，直到n n对于均匀加宽激光器，当模频率对于均匀加宽激光器，当模频率对于均匀加宽激光器，当模频率对于均匀加宽激光器，当模频率第75页/共91页第七十六页，共91页。n n为简单略去为简单略去n n或或n n设激光束的有效横截面积为，设激光束的有效横截面积为，则输出功率可写成则输出功率可写成n n在增益不大在增益不大(b d)的条件下的条件下n n输出功率输出功率第76页/共91页第七十七页，共91页。n n输出功率与小信号增益系数及输出功率与小信号增益系数及工作物质的长度工作物质的长度(chngd)成正成正比，且随损耗的减小而增大比，且随损耗的减小而增大

43、n n与的关系复杂与的关系复杂n n存在最佳透过率，利用存在最佳透过率，利用求得求得n n当输出镜的透过率取时，激当输出镜的透过率取时，激光器的输出功率为光器的输出功率为第77页/共91页第七十八页，共91页。1.11.2脉冲激光器的输出脉冲激光器的输出(shch)能量能量n n在三能级激光器中，设工作物质吸收的泵谱能量为，则在三能级激光器中，设工作物质吸收的泵谱能量为，则在三能级激光器中，设工作物质吸收的泵谱能量为，则在三能级激光器中，设工作物质吸收的泵谱能量为，则有个粒子从基态跃迁到能级，其中个粒子有个粒子从基态跃迁到能级，其中个粒子有个粒子从基态跃迁到能级，其中个粒子有个粒子从基态跃迁到

44、能级，其中个粒子很快通过无辐射跃迁驰豫到能级，如果满足很快通过无辐射跃迁驰豫到能级，如果满足很快通过无辐射跃迁驰豫到能级，如果满足很快通过无辐射跃迁驰豫到能级，如果满足n n对腔内激光能量有贡献对腔内激光能量有贡献对腔内激光能量有贡献对腔内激光能量有贡献(gngxin)(gngxin)的上能级粒子数为的上能级粒子数为的上能级粒子数为的上能级粒子数为n n腔内激光能量为腔内激光能量为腔内激光能量为腔内激光能量为n n输出能量为输出能量为输出能量为输出能量为第78页/共91页第七十九页，共91页。1.12 激光器的泵浦技术激光器的泵浦技术(jsh)uu分类分类uu1.实现步骤实现步骤uu 直接泵谱

45、直接泵谱uu 间接间接(jin ji)泵谱泵谱uu2.泵谱源泵谱源uu 光泵谱光泵谱uu 粒子泵谱粒子泵谱uu 化学反应泵谱化学反应泵谱uu 核泵谱核泵谱第79页/共91页第八十页，共91页。n n1.1.直接泵谱直接泵谱直接泵谱直接泵谱n n泵谱速率泵谱速率泵谱速率泵谱速率n n光泵谱光泵谱光泵谱光泵谱n n粒子泵谱粒子泵谱粒子泵谱粒子泵谱n n是泵谱粒子密度，泵谱粒子与工作物质是泵谱粒子密度，泵谱粒子与工作物质是泵谱粒子密度，泵谱粒子与工作物质是泵谱粒子密度，泵谱粒子与工作物质中处于能级中处于能级中处于能级中处于能级(nngj)(nngj)粒子碰撞，导致工作物质粒子碰撞，导致工作物质粒子碰

46、撞，导致工作物质粒子碰撞，导致工作物质跃迁到能级跃迁到能级跃迁到能级跃迁到能级(nngj)(nngj)的几率的几率的几率的几率第80页/共91页第八十一页，共91页。n n等于两类粒子的平均相对速度与能量转移截面等于两类粒子的平均相对速度与能量转移截面等于两类粒子的平均相对速度与能量转移截面等于两类粒子的平均相对速度与能量转移截面(jimin)(jimin)的乘积的乘积的乘积的乘积n n如果粒子碰撞是通过气体放电实现的，则如果粒子碰撞是通过气体放电实现的，则如果粒子碰撞是通过气体放电实现的，则如果粒子碰撞是通过气体放电实现的，则n n优点优点优点优点:简单简单简单简单n n缺点缺点缺点缺点:n

47、 n1.1.难以产生足够的增益难以产生足够的增益难以产生足够的增益难以产生足够的增益n nB13B13（对光泵谱（对光泵谱（对光泵谱（对光泵谱)或或或或13(13(对粒子泵谱对粒子泵谱对粒子泵谱对粒子泵谱)太小太小太小太小n n2.2.难以形成粒子数反转分布难以形成粒子数反转分布难以形成粒子数反转分布难以形成粒子数反转分布第81页/共91页第八十二页，共91页。n n2.间接泵谱间接泵谱n n 优点优点:n n中间能级具有远大于激光上中间能级具有远大于激光上能级的寿命能级的寿命,且可以是能级形成且可以是能级形成的能带的能带;n n有些情况下有些情况下,将粒子将粒子(lz)从基从基态激发到中间态

48、的几率大于激态激发到中间态的几率大于激发到上能级的几率发到上能级的几率,降低泵谱的降低泵谱的要求要求n n按选择定律按选择定律,可以使中间态向可以使中间态向上能级的驰豫过程比中间态向上能级的驰豫过程比中间态向激光下能级的驰豫过程快得多激光下能级的驰豫过程快得多.第82页/共91页第八十三页，共91页。n n一一.自上而下自上而下(z shn r xi)转转移移n n红宝石激光器和红宝石激光器和Nd:YAG激光器激光器第83页/共91页第八十四页，共91页。n n半导体激光器半导体激光器第84页/共91页第八十五页，共91页。n n二二二二.自下而上自下而上自下而上自下而上(z xi r shn

49、(z xi r shn)转移转移转移转移n nr+r+、KrKr、XeXe 等惰性气体离子激光器等惰性气体离子激光器等惰性气体离子激光器等惰性气体离子激光器几及几及几及几及n ne Cd e Cd 激光器等激光器等激光器等激光器等第85页/共91页第八十六页，共91页。n n三三三三.横向横向横向横向(hn(hn xin xin)转移方式转移方式转移方式转移方式n ne-Nee-Ne及及及及2 2 激光器激光器激光器激光器第86页/共91页第八十七页，共91页。要点要点(yodin)n n1.1.激光产生的必要条件激光产生的必要条件激光产生的必要条件激光产生的必要条件(b yo tio jin

50、)(b yo tio jin)(粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转分布转分布转分布转分布)n n2.2.激光产生的充分条件激光产生的充分条件激光产生的充分条件激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内在增益介质的有效长度内在增益介质的有效长度内在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强光强可以从微小信号增长到饱和光强光强可以从微小信号增长到饱和光强光强可以从微小信号增长到饱和光强)n n3.3.饱和光强饱和光强饱和光强饱和光强n n 定义定义定义定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的使激光上能级粒子数减小为小信号值的使激光上能级粒子数减小为小信号值的使激光上能级粒子数减小为小信号