激光器输出功率与能量
激光器的基本参数和基础知识
激光器的基本参数和基础知识激光器（Laser）是一种将谐振腔中储存的能量转变为一束具有高度相干性质的光的装置。
激光器的基本参数包括：1.波长；2.功率；3.束径；4.激光的相干性。
首先，激光器通常根据其波长进行分类。
波长是指光波在真空中一次振动所经过的距离，通常用纳米（nm）表示。
常见的激光器波长有红光（630-680nm）、绿光（532nm）和蓝光（405-473nm）等。
不同的波长适用于不同的应用领域，例如红光适用于医疗领域的血管照明和演出行业的舞台灯光，而蓝光适用于高密度光存储和显示器的背光源。
其次，激光器的功率是指光的输出强度，通常用瓦（W）表示。
激光器的功率有不同的等级，从毫瓦级到千瓦级不等。
功率越高，激光器的输出能量和功率密度也就越大，能够应用于更广泛的应用领域，如材料加工、雷达和航天等。
再次，激光器的束径是指光束的直径，通常以毫米（mm）为单位。
激光器的束径可以通过采用合适的光学系统调节，使其在不同的距离上具有不同的尺寸。
束径的大小直接影响到光束的聚焦性能和峰度，从而影响到使用激光器进行加工和操控的精度和效果。
最后，激光的相干性是指光的相位和波动性之间的关联程度。
激光器具有高度的相干性，光波的相位差非常小，波动性较小。
这使得激光器在干涉、全息、光纤通信等领域具有重要应用。
相干性的高低需要通过测量激光器的相位噪声和相干度等物理量来判断。
除了以上的基本参数，激光器还有一些基础知识。
例如激光产生的条件包括有源介质、泵浦源和正反馈条件。
有源介质是指激光器中的工作物质，它具有能够增益光子能量的特性，如固体激光器中的晶体、气体激光器中的气体等。
泵浦源是指提供能够将有源介质的粒子激发至高能级的能量的装置，如光泵浦、电泵浦和化学泵浦等。
正反馈条件是指激光器中光波在谐振腔内经过多次反射放大，并最终产生激光的条件。
此外，激光器还面临一些问题，如聚焦能力、波长稳定性和频率稳定性等。
聚焦能力是指激光器能够将光束聚焦到多细小的尺寸的能力，这可能受到衍射效应和非线性光学效应的影响。
《激光原理》3.5激光器的输出功率(新)
s
[(
2LGG0 (ν) a1 t1
)2
1]
➢若腔内单纵模的频率为 ν0，激光器腔内平均光强为：
I
(ν0
)
1 2
I
s
[(
2LGG0 (ν0 a1 t1
)
)2
1]
激光器输出光强为：
Iout
(ν0 )
t1I
(ν0 )
1 2
t1I
s[(
2LGG0 (ν0 a1 t1
)
)2
1]
Iout (ν0 )
t1I (ν0)
五、多频激光器的输出功率
➢若腔内允许多个谐振频率，且相邻两个纵模的频率间隔大
于烧孔的宽度以及各频率的烧孔都是彼此独立的，则平均光
强为：
I
(ν)
Is 1 2
[( Is
2LGD0 (ν))2 1] a1 t1
[(2LGD0 (ν0))2 a1 t1
1]
ν ν0 ν ν0
输出功率为：
P(ν)
G阈
2.当 q ， 光0 束
与
I
将
I
在增益曲线中心处产生一个烧孔，
此时： I I I 2I
GD (ν0 )
GD0 (ν0 ) 1 (I I)
Is
G阈
GD (ν0 )
GD0 (ν0 ) 1 (I I)
Is
G阈
若用平均光强2I来替 I (z,ν0 ) I (2L z,ν0)
使输出功率降低。严重时使腔内不能形成激光。
➢t1过小，虽然使G阈降低光强增强，但镜面损耗a1I-(2L)也 将增大。
1
2LG0
P AIout 2 t1Is A( a1 t1 1)
激光器的基本参数和基础知识
激光器的基本参数和基础知识激光器是一种重要的光源，在生产、科研、医疗等领域中得到广泛应用。
不同领域所使用的激光器参数不同，因此了解激光器的参数是选择合适激光产品的关键。
本文将介绍常规激光器的参数定义，并简要说明，以帮助读者选择适合的激光产品。
一、输出功率（激光功率）激光器发出的光是光能形成的，与电能类似，光能也是一种能源。
激光器的输出功率是单位时间内输出激光能量的物理量，通常用毫瓦（mW）、瓦（W）或千瓦（kW）表示。
二、功率稳定性功率稳定性是指激光输出功率在一定时间内的不稳定度，通常分为RMS稳定性和峰峰值稳定性。
RMS稳定性是指测试时间内所有采样功率值的均方根与功率平均值的比值，用来描述输出功率偏离功率平均值的分散程度。
峰峰值稳定性是指输出功率的最大值和最小值之差与功率平均值的百分比，表示一定时间内输出功率的变化范围。
三、光束质量因子（M²因子）；光束参数积（BPP）光束质量因子是激光束腰半径和光束远场发散角的乘积与理想基模光束束腰半径和基模发散角乘积的比值，即M²=θw/θ理想w理想光束质量影响激光的聚焦效果和远场光斑分布情况，是用来表征激光光束质量的参数。
实际激光光束质量因子越接近1，说明光束质量越接近理想光束，光束质量越好。
光束整形器一般要求高质量的激光，M²需要小于1.5.光束参数积是激光束的远场发散角与光束最窄点半径的乘积，即BPP=θw。
它可以量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度。
光束参数积即BPP值越低，光束的质量越好。
M²值是BPP值的归一化值，针对具有特定波长的衍射极限光束进行归一化，即M²=BPP/BPP，其中BPP是特定波长的衍射极限光束的值，且BPP=λ/π。
四、光斑（横模）横模是指垂直于激光传播方向上某一横截面上的稳定场的分布，激光器的光斑表征就是横模分布。
通过光斑分析仪或激光轮廓分析仪可以将横模分布模拟出来，得到激光器的一些光束特征。
4.4 激光器的输出功率与能量-20200506
第2四. 章非均激光匀器加的工宽作单特模性 激光器
I , q I , q
VZ ,1
-VZ
0 1 vz c ) 0 1 vz c )
I
I
q0时,I 和 I 分别在增益曲线上烧两个孔, 而不是共同作用
激光器稳态 工作时
非均匀加
gi ( q , Iq )
gi0 ( q )
烧孔重叠条件
q - 0
H 2
1 Iq Is
兰姆凹陷宽度() 烧孔宽度
兰姆凹陷宽度() ~ L
H
1 Iq Is
气压 碰撞加宽L 烧孔宽度 , 深度变浅直至 均匀展宽为主时，兰姆凹陷消失
P3>P2>P1
气压高到一定程度 时，均匀加宽为主
13
第四章 激光器的工作特性
14
第四章 激光器的工作特性
假设 T 1
稳态工作时增益系数也很小， 近似认为
I I
腔内平均光强
I I I 2I
T1=0
I
I+ I-
T2=T
P
I , I 同时参与饱和
4
第四章 激光器的工作特性
均匀加宽工作物质大信号增益系数
g
H
(
,
I
)
1
g
0 H
( )
I
gt
l
Is ( )
稳定工作情况下光强
I
I
s
(
)
g
0 H
(
)l
-
n2tV
h
0
EP1 h P
-
n2tV
A S
输出能量(E)
A 0 S P
T T
脉冲激光器峰值功率计算公式
脉冲激光器峰值功率计算公式脉冲激光器是一种将电能转化为激光能的装置。
在激光器的工作过程中，峰值功率是一个重要的参数，它决定了激光器的输出能量和脉冲宽度。
本文将介绍脉冲激光器峰值功率的计算公式以及其相关内容。
脉冲激光器峰值功率的计算公式如下：峰值功率 = 能量 / 脉冲宽度其中，能量是激光器输出的总能量，脉冲宽度是激光脉冲的时长。
通过这个公式，我们可以计算出脉冲激光器的峰值功率。
在实际应用中，计算峰值功率时需要考虑到一些因素。
首先是激光器的输出能量，它可以通过各种测量方法进行测量，比如使用光功率计。
其次是脉冲宽度，它可以通过测量激光脉冲的起始时间和终止时间来确定。
最后，还需要考虑到激光器的效率，因为激光器并不是百分之百的能量转化率，有一部分能量会被损耗掉。
因此，在计算峰值功率时，需要将输出能量乘以激光器的效率。
脉冲激光器的峰值功率对于很多应用来说都是非常重要的。
例如，在医学领域，脉冲激光器被广泛应用于激光手术和激光治疗等方面。
在材料加工领域，脉冲激光器可以用于激光切割、激光焊接等工艺。
在科研领域，脉冲激光器可以用于激光光谱分析、激光干涉等实验。
无论是哪个领域，对于脉冲激光器峰值功率的准确计算都是非常重要的。
在实际应用中，我们可以通过测量激光器的输出能量和脉冲宽度，然后带入峰值功率的计算公式进行计算。
通过这种方法，我们可以得到脉冲激光器的峰值功率。
同时，我们还可以通过调节激光器的参数，比如调节激光器的能量和脉冲宽度，来改变脉冲激光器的峰值功率。
脉冲激光器峰值功率的计算公式是能量除以脉冲宽度。
在实际应用中，我们需要考虑到激光器的效率以及测量误差等因素。
通过准确计算脉冲激光器的峰值功率，我们可以更好地了解激光器的输出能量和脉冲宽度，为相关应用提供准确的数据支持。
激光功率计算
激光功率的计算通常基于以下公式：
功率（P）= 光束能量（E）/ 时间（t）
其中，光束能量可以通过光束能量密度（D）和光束面积（A）计算得出：
光束能量（E）= 光束能量密度（D）×光束面积（A）
激光功率计算的关键是确定光束能量密度和光束面积。
以下是一种常见的方法来计算激光功率：
1. 确定光束能量密度（D）：测量光束的能量密度是计算激光功率的第一步。
您
可以使用适当的光束能量密度计或能量计来进行测量。
确保使用适用于您所使用的激光器波长和功率级别的仪器。
2. 确定光束面积（A）：测量光束的横截面面积是计算激光功率的另一个重要因素。
对于均匀光束，可以通过测量光束直径并使用以下公式计算光束面积：
光束面积（A）= π × （光束直径/2）²
如果光束不均匀或存在剖面变化，您可能需要采用更复杂的方法来测量光束面积，例如使用剖面扫描仪。
3. 确定时间（t）：确定您要计算功率的时间间隔。
将上述值代入功率公式即可计算激光功率。
请注意，这是一种基本的激光功率计算方法。
对于特定的激光系统或应用，可能存在其他因素和修正项。
确保根据您所使用的激光器的规格和相关标准进行适当的计算和测量。
脉冲激光器的重要参数
脉冲激光器的重要参数
脉冲激光器的重要指标：脉冲重复频率、峰值功率、脉冲宽度、脉冲能量、平均功率、峰值功率密度
1、激光重频：激光分两类：⼀类是连续激光，⼀类是脉冲激光。
激光重复频率是对脉冲激光⽽⾔的，指在单位时间内，有规律地输出激光的脉冲数⽬（等同于⼀秒内脉冲重复出现的次数，单位为赫兹（hz））。
重频低在⼀样的输出功率下对应的脉冲能量⾼，适合⾮线性等研究，⾼重频则在⾼速采样等领域有优势。
2、峰值功率（Peakpower）：代表着单个脉冲所能达到的最⾼功率。
单位为⽡特（W）。
3、脉冲宽度（Pulsewidth）：简称脉宽，是指单个脉冲的持续时间，因此，它是⼀个时间衡量单位，有毫秒（ms）、微秒（us）、纳秒（ns）、⽪秒（ps）、飞秒（fs）等各种量级。
量级越⼩，激光作⽤持续时间越短。
4、脉冲能量（Pulseenergy）：指的是单个脉冲携带的激光能量。
是峰值功率与脉冲宽度的乘积。
单位为焦⽿（J）。
例如当峰值功率为10千⽡，脉冲宽度为100纳秒时候，脉冲能量E=10kwX100ns=1mj。
5、平均功率（Averagepower）：是指⼀个重复周期内单位时间所输出的激光能量。
是脉冲能量与脉冲重复频率的乘积。
单位为⽡特（W）。
6、峰值功率密度（Peakpowerdensity）：是指单位⾯积内激光功率，由激光功率和激光起作⽤的⾯积共同决定的⼀项指标。
单位为⽡特/平⽅厘⽶（W/CM2）。
激光功率定义
激光功率定义激光功率是激光技术中的一个重要参数，它决定了激光束的强弱程度。
激光功率的大小对于激光器的性能和应用领域都有着重要的影响。
激光功率通常以瓦（W）为单位来表示，它是指激光器每秒钟发射出的能量。
激光器的功率越高，它所发射的激光束就越强大。
激光功率的大小取决于激光器的设计和制造工艺，以及所使用的激光介质和泵浦方式等因素。
激光功率的大小对于激光器的应用具有重要意义。
在医学领域，激光器的功率决定了其在激光手术和激光治疗中的效果。
高功率的激光器可以快速切割组织或破坏病变，而低功率的激光器则可以用于组织修复和疼痛治疗等。
在工业领域，激光器的功率决定了其在激光切割、激光焊接和激光打印等工艺中的作用。
高功率的激光器可以快速完成复杂的切割和焊接任务，提高生产效率。
在科学研究领域，激光器的功率决定了其在光谱分析、原子物理和量子力学等实验中的用途。
高功率的激光器可以提供足够的光强，以便观察微小的光学现象。
激光功率的大小也对激光器的性能产生影响。
高功率的激光器通常意味着更高的光子密度和更强的光场强度，这会导致更多的非线性光学效应和光学损伤。
因此，在设计和制造激光器时，需要权衡功率和可靠性之间的关系。
另外，激光功率的大小还与激光器的光束质量有关。
高功率的激光器通常需要更好的光束质量，以保证激光束的聚焦能力和传输稳定性。
在实际应用中，激光功率的选择需要考虑多个因素。
首先，需要根据具体的应用需求确定所需的功率范围。
其次，需要考虑激光器的成本和可靠性等因素。
此外，还需要考虑激光器所处的工作环境和使用条件，以确保激光器的性能和稳定性。
激光功率是激光技术中的一个重要参数，它决定了激光器的性能和应用领域。
激光功率的大小对于激光器的应用具有重要意义，它影响着激光器在医学、工业和科学研究等领域的效果和作用。
在实际应用中，需要综合考虑多个因素来选择合适的激光功率。
通过合理调控激光功率，可以实现更精确、高效和可靠的激光应用。
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GH
(
,
I
)＝
l
连续或长脉冲激光器的输出功率 ❖ 当外界激发增强时，小信号增益系数增大
小信号增益为：
H
2
GH0
( 1 )
GH0
(
0
)
1
0
2
2
2
H
2
GH0
( 0 )
n0
4
v2 A21
2 02 H
n0 21
连续或长脉冲激光器的输出功率
激光器的输出光强必须增加到更大的光强，才能满足稳定工作 条件
GH ( )
GH0 ( )
GH ( , I1 )
0 1
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 均匀加宽单模激光器
I
T
I_
l
连续或长脉冲激光器的输出功率
I
I I_
l
Z
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 如果激光器输出透过率
T 1
❖ 稳定工作条件下增益很小，净增益接近于零：
I I
I I I 2I
❖ 均匀加宽条件下
I1
)＝GH0
(
)
1
1
0
0
2
2
H
2
2
2
H
2
1
I1 Is
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 但是由于饱和作用，增益系数随光强的增加 而减小
GH ( )
GH0 ( )
GH ( , I1 )
0 1
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 这一过程持续到增益等于损耗，光强不再继 续增加，这时激光器建立稳定的工作状态
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 激光器主要工作在阈值水平以上的条件 ❖ 在激发速率一定的条件下，激光器的输出功
率保持恒定（饱和输出功率） ❖ 当外界激发变化时，激光器的输出功率随之
变换，并保持恒定（新的饱和输出功率）
连续或长脉冲激光器的输出功率
激光器开始振荡，增益大于损耗，腔内的 光强不断增加
G(1,
同时参与饱和作用
I, I
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 若激光器振荡频率为线形函数中心频率， 稳定工作时的增益系数为：
当1＝
0时，GH
(
0
,
I
)＝GH0 0
1＋ I
l
Is
由此可以求出稳定工作情况下的光强
I
I
s
G0
0
l
1
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 设激光器输出光束的横截面积为A，则激光器 的输出功率为：
❖ 输出功率在中心频率处有一凹陷，称为兰姆 凹陷
最佳输出透过率 ❖ 公式对T求微分有：
Tm 2G0la a ❖ 因此最佳透过率与腔内损耗和泵浦条件有关
最佳输出透过率
非均匀加宽单模激光器
❖ 同均匀加宽不同，当激光器振荡频率不等于
中心频率时，
分别I在, I增益曲线上烧两
个孔，对于每一个孔起作用的分别为
，
因此振荡的增I益, I系 数为：
GD0 (1)＝
GD0 ( 0 )
1 I
e
4
ln
2(1
2 D
0
)2
Is
非均匀加宽单模激光器
❖ 稳态工作时：
GD
(
0
,
I
)＝
l
由此可以求出稳定工作情况下的光强
I
I
s
G0
0
l
e
4
ln
2(1
2 D
0
)
2
2
1
非均匀加宽单模激光器 ❖ 输出功率为
P
ATI
ATIs
G0
0
l
e
4
ln
2(1
2 D
0
)2
2
1
非均匀加宽单模激光器
当振荡频率等于中心频率时这时腔内平均光强为：
I I I 2I
增益系数饱和作用由烧孔内的光强共同决定
输出功率为：
GD0
(
1
)＝
GD0 ( 0 )
1 IBiblioteka lIsPATI
1 2
ATIs
G0
0
l
4ln 2(1 0 )2
e
2 D
2
1
非均匀加宽单模激光器
n0W03V
h p
A21
F
Vh
p
n2
n2h pV F s
阈值泵浦功率为：
Ppt
h pV F 21 sl
Pp
Ppt
n2 21
G0 0
Gt
l
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 于是激光器输出功率可以表示为：
❖ 其中
P
KPpt
Pp Ppt
1
K
0 AT 2 P S
F
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖ 激光器的输出功率正比于饱和光强
P
I AT
1 2
ATI s
G0 0 l
1
连续或长脉冲激光器的输出功率
❖当
T时，1
T 其中 为腔内往返净损耗
2
❖ 这时激光器的输出功率可以改写为：
P
1 2
ATI
s
2G0 0
aT
l
1
连续或长脉冲激光器的输出功率
另外对于激光有：
G0 0 Pp
Gt
Ppt
工作物质吸收的泵浦功率为：
Pp
❖ 随激发参数
G0 的 0增l加而增加
❖ 激光器输出功率随泵浦功率线性增加
❖ 增加激光器的泵浦功率，工作物质长度，减 少损耗可以增加输出功率
最佳输出透过率
P
1 2
ATI
s
2G0 0
aT
l
1
可以看出透过率增加一方面作用可以增加输出功率，另一方面增加了损耗， 使阈值增加，导致腔内光强下降。因此存在一个最佳透过率Tm