光电子技术(2)(激光器件)

光电子技术(2)(激光器件)

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)

光电子技术(2)(激光器件)

固体激光器1960-5-17,Ted Maiman 发明第一台激光器 ，

光电子技术(2)(激光器件)

固体激光器第一台红宝石激光器的拆卸图

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

固体激光器的能量转换

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

黑体辐射

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

光电子技术(2)(激光器件)

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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7kw1.html