光电子技术(2)(激光器件)

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光电子技术 精品课程

1 固体激光器基本 特性

光电子技术(2)(激光器件) 光电子技术(2)(激光器件)

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固体激光器1960-5-17,Ted Maiman 发明第一台激光器 ，

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固体激光器第一台红宝石激光器的拆卸图

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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4

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1.固体激光器基本特性 1.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

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1.1固体激光器的基本结构及能量转换 1.1固体激光器的基本结构及能量转换 激光器组成

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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

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固体激光器的能量转换

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量子效率E3S32

E3S32

A31

W13A21 B12 B21

E2

A30

W03

E2 A21 B12 B21 E1 E0b) 四能级

E1a) 三能级

亚稳态发射的荧光光子数 量子效率η0 = = η1 iη2 工作物质从光泵吸收的光子数

S32 三能级η1 = S32 +A 31

S32 四能级η1 = S32 +A 30 +A 31优质红宝石: 0.7 钕玻璃: 0.49

A21 η2 = A21 + S21

普通红宝石: 0.5 YAG: ~1

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斯托克斯损失或斯托克斯比E3S32

E3S32

A31

W13A21 B12 B21

E2

A30

W03

E2 A21 B12 B21 E1 E0b) 四能级

E1a) 三能级

ν0 νp

ν 0 , 激光频率 ν p , 泵浦光频率10

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输出耦合系数

T T +βT,输出镜透射率

β,谐振腔往返损耗率11

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1.2固体激光器的阈值 1.2固体激光器的阈值黑体辐射

8πν 2 hν 单色辐射密度：ρ ν)= 3 hν ( c e kT 1 2898 维恩位移定律：λm ( m ) = T( ) K

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黑体辐射

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波耳兹曼分布N2 ( E2 E1 ) = exp( ) N1 kTE2 A21 E1 B12 B21

例如：红宝石

λ ≈ 0.69 mh = 6.6 ×1034 J i s E 2 E1 = hν = 2.86 ×1019 J k = 1.38 ×1023 J i K 室温T = 300 K 300T ik = hc / 50 m N2 N1 ≈e 50 0.69

≈ 1032

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波耳兹曼分布能级简并：

N1 = g1 N

' 1

N 2 = g 2 N 2' N 2 g 2 N 2' g2 ( E2 E1 ) = = exp ' N1 g1 N1 g1 kT

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爱因斯坦系数E2 A21 E1 B12 B21

N 2 + N1 = Ntot E2 E1 = hv21N 2 = N 2 A21 t N 2 ( t ) = N 0 e A21t = N 0 e t

τ 21

自发辐射系数A 21 自发辐射寿命τ 21= A - 1 21 受激辐射系数B21 N 2 =-B21 ρ ν 21 N2 ( ) t 受激吸收系数B12 N1 =-B12 ρ ν 21 N1 ( ) t16

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爱因斯坦系数N 2 N1 热平衡： = =0 t t N 2 A21 + N 2 ρ (ν 21 ) B21 = N1 ρ (ν 21 ) B12 8πν 2 hν 21 c3 ρ ν 21 ( )= hν = e kT 1 ( g1 8πν 2 hν A21 = B21 c3 g1 B21 = B12 g217

A21 g2 )( B12 B21

) exp(hν 21

B21

kT

) 1

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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

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固体激光器的损耗100% I0 工作物质 R

I’ l I0 I' I0 I0 Re2αl = =1Re2αl 总往返损耗 δgb = I0 I0 率：

无透射损耗率：

β =1-e

-2α l

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固体激光器的损耗100% I0 工作物质 R

I’ l

R = 1 T

β = 1 e δ gb = 1 (1 t )(1 β ) = T + β T β2α l

δ gb T + β

//对于某些情况，Tβ可忽略 对于某些情况， 可忽略 对于某些情况

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固体激光器的阈值100% I0 工作物质 R

I’ l

I ' = I 0 Re阈值条件： 阈值条件：

2 ( g α ) l

Re21

2 ( g α ) l

=1

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