第2章固体激光材料及典型固体激光器课件

2.2固体激光器优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠、使用方便等。结构及基本原理：组成：固体工作物质、泵浦光源、光学谐振腔。2.2固体激光器优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可第2章固体激光材料及典型固体激光器课件1、泵浦源将电能有效的转换为辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量，与工作物质的吸收带匹配。A.惰性气体脉冲灯（Xe或Kr气体）1、泵浦源惰性气体脉冲灯（Xe或Kr气体）0:a,La,在小角度近似下有：在小角度近似下有：在小角度近似下有：在小角度近似下有：并且在此并且在此并且在此并且在此情况下可以将光情况下可以将光情况下可以将光情况下可以将光场场的两种偏的两种偏的两种偏的两种偏振状振状振状振状态态作作作作为为独立独立独立独立变变量分量分量分量分别别求解；求解；求解；求解；2 2、aa ，被，被，被，被积积函数中的指函数中的指函数中的指函数中的指数因子数因子数因子数因子 不能不能不能不能简单简单将将将将用用用用L L L L代代代代替，只能根据不同替，只能根据不同替，只能根据不同替，只能根据不同谐谐振腔情况振腔情况振腔情况振腔情况来来来来简简化；化；化；化；3 3 3 3、腔内振幅衰减是、腔内振幅衰减是、腔内振幅衰减是、腔内振幅衰减是缓缓慢的慢的慢的慢的；开腔衍射理论分析将该公式应用于研究谐振腔问题，它描述了镜面S开腔衍射理论分析开腔衍射理论分析 经过经过q q次次次次传传播后：播后：播后：播后：将第一个假将第一个假将第一个假将第一个假设带设带入其中有：入其中有：入其中有：入其中有：由开腔理由开腔理由开腔理由开腔理论论中描述的自再中描述的自再中描述的自再中描述的自再现现模的定模的定模的定模的定义义可知，在开腔内可知，在开腔内可知，在开腔内可知，在开腔内稳稳定定定定传输传输的光波模式的光波模式的光波模式的光波模式应满应满足关系：足关系：足关系：足关系：在在在在稳稳定情况下，定情况下，定情况下，定情况下，u uq q从从从从镜镜面面面面S S1 1传传播到播到播到播到S S2 2时时，除，除，除，除了一个表示振幅衰减和相位移了一个表示振幅衰减和相位移了一个表示振幅衰减和相位移了一个表示振幅衰减和相位移动动的、与坐的、与坐的、与坐的、与坐标标无关的复常数因子无关的复常数因子无关的复常数因子无关的复常数因子外，外，外，外，其分布其分布其分布其分布能能能能够够被被被被u u u uq q q q+1+1+1+1再再再再现现。开腔衍射理论分析经过q次传播后：开腔衍射理论分析开腔衍射理论分析腔内存在的腔内存在的腔内存在的腔内存在的稳稳定光波定光波定光波定光波场场，它，它，它，它们们由一个腔面由一个腔面由一个腔面由一个腔面传传播到另一个腔面的播到另一个腔面的播到另一个腔面的播到另一个腔面的过过程中，程中，程中，程中，虽虽然会受到然会受到然会受到然会受到衍射效衍射效衍射效衍射效应应的影响，但是的影响，但是的影响，但是的影响，但是这这些光波些光波些光波些光波长长在两个在两个在两个在两个腔面腔面腔面腔面处处的相的相的相的相对对振幅分布和相位分布保持不振幅分布和相位分布保持不振幅分布和相位分布保持不振幅分布和相位分布保持不变变。开腔衍射理论分析开腔衍射理论分析开腔衍射理论分析以以以以E(x,y)E(x,y)表示开腔中的表示开腔中的表示开腔中的表示开腔中的稳稳定光定光定光定光场场分布函数分布函数分布函数分布函数u u，则则上上上上式可以式可以式可以式可以简简化化化化为为：该该式是式是式是式是开腔自再开腔自再现模模满足的足的积分方程分方程，满满足以上足以上足以上足以上方程的函数方程的函数方程的函数方程的函数E E成成成成为为本征函数，本征函数，本征函数，本征函数，为为本征本征本征本征值值，而，而，而，而K K K K为为积积分方程的核；分方程的核；分方程的核；分方程的核；对对于于于于对对称腔：称腔：称腔：称腔：开腔衍射理论分析以E(x,y)表示开腔中的稳定光场分布函数u开腔衍射理论分析开腔衍射理论分析 满满足上式的本征函数足上式的本征函数足上式的本征函数足上式的本征函数E E就是腔的自再就是腔的自再就是腔的自再就是腔的自再现现模，也称模，也称模，也称模，也称为为腔的横腔的横腔的横腔的横模，模，模，模，E E一般是复函数，其模一般是复函数，其模一般是复函数，其模一般是复函数，其模|E(x,y)|E(x,y)|描述的是描述的是描述的是描述的是镜镜面上的振幅面上的振幅面上的振幅面上的振幅分布，其幅角分布，其幅角分布，其幅角分布，其幅角argE(x,y)argE(x,y)表示表示表示表示镜镜面上的相位分布；面上的相位分布；面上的相位分布；面上的相位分布；为为复常数，不妨复常数，不妨复常数，不妨复常数，不妨设为设为：其中的其中的其中的其中的a a a a、为为与坐与坐与坐与坐标标无关无关无关无关的的的的实实常数，常数，常数，常数，则则自再自再自再自再现现模可以表示模可以表示模可以表示模可以表示为为：由此可由此可由此可由此可见见，e e e e-a-a-a-a表示腔内渡越一次后自再表示腔内渡越一次后自再表示腔内渡越一次后自再表示腔内渡越一次后自再现现模的振幅衰减，模的振幅衰减，模的振幅衰减，模的振幅衰减，a a a a越大越大越大越大损损耗越大，耗越大，耗越大，耗越大，a=0a=0a=0a=0表示无表示无表示无表示无损损耗耗耗耗传输传输；表示渡越一次后自再表示渡越一次后自再表示渡越一次后自再表示渡越一次后自再现现模的相位滞后，模的相位滞后，模的相位滞后，模的相位滞后，越大相位滞后越大相位滞后越大相位滞后越大相位滞后越多。越多。越多。越多。开腔衍射理论分析满足上式的本征函数E就是腔的自再现模，也称为开腔衍射理论分析开腔衍射理论分析从从从从镜镜面面面面S1S1出射的光功率出射的光功率出射的光功率出射的光功率为为：被被被被镜镜面面面面S2S2反射后的自再反射后的自再反射后的自再反射后的自再现现模的功率模的功率模的功率模的功率为为：自再自再现模在腔内渡越一次模在腔内渡越一次时受到的功率受到的功率损失失，称，称，称，称为为模的模的模的模的单单程程程程损损耗：耗：耗：耗：|越大，模的越大，模的越大，模的越大，模的单单程程程程损损耗越大，耗越大，耗越大，耗越大，这这个个个个损损耗中包含了几何光耗中包含了几何光耗中包含了几何光耗中包含了几何光学的光束横向偏折学的光束横向偏折学的光束横向偏折学的光束横向偏折损损耗和耗和耗和耗和镜镜面面面面边缘边缘的衍射的衍射的衍射的衍射损耗。耗。开腔衍射理论分析从镜面S1出射的光功率为：开腔衍射理论分析开腔衍射理论分析自再自再自再自再现现模在腔内模在腔内模在腔内模在腔内经过经过一次渡越的一次渡越的一次渡越的一次渡越的总相移相移定定定定义为义为：由由由由 ，可得，可得，可得，可得 ；从开腔的从开腔的从开腔的从开腔的谐谐振条件可知要形成振条件可知要形成振条件可知要形成振条件可知要形成稳稳定的自再定的自再定的自再定的自再现现模，模，模，模，必然要求其在腔内往返必然要求其在腔内往返必然要求其在腔内往返必然要求其在腔内往返传输传输一次的一次的一次的一次的总总相移相移相移相移为为2 2 2 2的整数倍：的整数倍：的整数倍：的整数倍：即即即即 ，q q q q为为正整数，此公式正整数，此公式正整数，此公式正整数，此公式对对称开腔的称开腔的称开腔的称开腔的谐振条件振条件。开腔衍射理论分析自再现模在腔内经过一次渡越的总相移定义为固体激光器的能量转换固体激光器的能量转换二极管泵浦系统固体激光器的能量转换二极管泵浦系统闪光灯泵浦系统L：泵浦灯的电光转换效率，50%；c：聚光腔的聚光效率，80%；ab：激活离子的吸收效率，20%；0：荧光量子效率。闪光灯泵浦系统L：泵浦灯的电光转换效率，50%；三能级系统：四能级系统：三能级系统：四能级系统：固体激光器的工作特性固体激光器的工作特性1、固体激光器的阈值；2、输出能量（功率）和效率；3、固体激光器的光束和光谱特性。1、固体激光器的阈值激光工作物质形成，当光在腔内往返一次使增益等于损耗时，建立振荡，即达到阈值。A.损耗：1）输出镜的透射损耗：2）工作物质的内部损耗率：总损耗：=T+固体激光器的工作特性1、固体激光器的阈值；1、固体激光器的阈光往返通过工作物质后的光强：（阈值条件）也可用阈值反转粒子数密度表示，即其中，为反转粒子数密度阈值情况下，光往返通过工作物质后的光强：（阈值条件）也可用阈值反转粒子当能级结构不同时，激光上能级粒子数密度n2与反转粒子数之间的关系也不同。1）三能级系统，近似认为n3=0,ntot=n1+n2,则阈值情况下，当g1=g2时，（）当能级结构不同时，激光上能级粒子数密度n2与反转粒子数之间的2）四能级系统，则B.推导阈值功率与阈值能量表达式（三能级系统）1）短脉冲器件。当输入电能为Ein，据能量转换过程，（）2）四能级系统，则B.推导阈值功率2、输出能量（功率）和效率出能量（功率）和效率2）连续工作的器件，自发辐射不能忽略。（）A.输出能量（功率）与输入能量（功率）和运行方式紧密相关，分别讨论短脉冲和长脉冲激励。2、输出能量（功率）和效率2）连续工作的器件，自发辐射不能忽1）短脉冲激励泵浦至E2的粒子数密度超过阈值的部分形成激光振荡，得激光输出能量能量为：当光泵浦输入能量EinEth时，输出能量Eout随Ein而增加，输出能量由超过阈值部分的输入能量转换而成。1）短脉冲激励当光泵浦输入能量EinEth时，激光输出能量2）长脉冲或连续运转激励（用输出功率Pout表示）因增益增益饱和和作用，上能级粒子数稳定在n2th处，单位时间内泵浦至n2的粒子除补充自发辐射的损耗外，都能产生激光。当光泵浦输入电功率pinpth时，激光输出功率随光泵浦功率的增加而增加。2）长脉冲或连续运转激励（用输出功率Pout表示）因增益饱和直线的起始和最后部分会弯曲。直线的起始和最后部分会弯曲。第2章固体激光材料及典型固体激光器课件B.效率1）斜率效率短脉冲激励：长脉冲或连续运转激励：令B.效率1）斜率效率短脉冲激励：长脉冲或连续运转激励：令斜率效率可以认为是超过阈值部分的输入电能转换为激光输出的效率。2）总效率，即输出与输入之比。斜率效率可以认为是超过阈值部分的输入电能转换为激光输出的效率3、固体激光器的光束和光、固体激光器的光束和光谱特性。特性。光束特性：1）固体激光器工作物质热透镜效应随输入功率而变化，引起输出光束参量随输入功率而变化。2）因基模高斯光束的光斑尺寸远小于固体激光工作物质的横向尺寸，因此固体激光器往往工作与多模状态。3）未采取特殊措施的前提下，多模激光器中各横模间是不相干的。输出光束光强分布为：3、固体激光器的光束和光谱特性。光束特性：通常考虑光束的总体特性，即用M2参数表示。光束的远场发散角为：光束的光斑半径为：通常考虑光束的总体特性，即用M2参数表示。光束的远场发散角为固体激光器的光谱特性1）通常是多纵模运转；2）固体工作物质具有空间烧孔效应；3）具有偏振特性。固体激光器的光谱特性Nd:YAG激光器世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石,就是掺入极少量铬离子的刚玉。以掺有一定量钕离子(Nd3+)的钇铝石榴(YAG)晶体为工作物质的激光器,称为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。Nd:YAG激光器以其增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式(连续、脉冲)等特点,在当今各种固体激光器中应用物质相互作用的效果是不同的,不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用,可以获得良好的疗效。医用Nd:YAG激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛,特别是治疗皮肤色素性疾病,有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点。Nd:YAG激光器世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石,就Nd:YAG中掺入Nd3+浓度应合理,掺杂浓度高,则吸收率高、反转粒子数高、激光器的效率高,但是掺杂浓度太高时,转换效率不仅不会增高,反而会下降,甚至出现浓度淬灭现象。Nd原子浓度一般在0.15%1.15%以内,浓度较高会缩短荧光寿命,使展宽线变宽,在晶体中引起应变,最终导致光学质量变差、效率降低。Nd:YAG中掺入Nd3+浓度应合理,掺杂浓度高,则吸收率钛宝石激光器（Ti:Sapphire）掺钛蓝宝石(titanium-doped-sapphire)被称为当今最优秀的激光介质之一。钛宝石晶体不仅具有良好的热传导和机械性能,较高的饱和通量,更重要的是它宽于于500nm 的波的波长调谐范范围为现存的任何激光介质所无法比拟。利用不同的泵浦源和泵浦方式,人们成功地研制了各种钛宝石激光器。钛宝石激光器（Ti:Sapphire）掺钛蓝宝石(tit同时,对新锁模机理和技术的研究得以迅速发展,其中最突出的是自锁模技术。随着1991年第一台自锁模激光器问世以来的短短几年里,短至几个fs的钛宝石激光器相继诞生。在放大方面,采用啁啾脉冲放大(Chirped-Pulse-Amplification或CPA)技术已经获得近100TW的输出功率。小型台面超高亮度激光系统进入了实用阶段。同时,对新锁模机理和技术的研究得以迅速发展,其中最突出的另一方面,借助倍频技术、光参量振荡与放大技术,人们把钛宝石激光器的输出波长范围拓宽到从紫外至红外。钛宝石激光器的优点还在于其结构简单和工作稳定,所以它已经在许多方面替代了长期占据激光领域的染料激光器的地位。另一方面,借助倍频技术、光参量振荡与放大技术,人们把钛宝掺钛蓝宝石的上能级寿命仅为3.2微秒，因此需采用短脉冲光泵浦。同时，泵浦等的输出不能为掺钛蓝宝石晶体直接吸收，需要用荧光转换器把灯的输出转换为蓝-绿光。掺钛蓝宝石的上能级寿命仅为3.2微秒，因此需采用短脉冲光泵浦