激光器的输出特性
固体激光器原理
固体激光器原理固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质产生激光的装置。
它具有结构简单、体积小、效率高、可靠性强等优点，在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用。
固体激光器原理是指固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
在固体激光器中，激光的产生是通过材料的受激辐射过程实现的。
下面将详细介绍固体激光器的原理。
固体激光器的工作原理主要包括三个过程，吸收、受激辐射和放大。
首先是吸收过程，固体激光器中的工作物质吸收外界能量，使得原子或分子处于激发态。
其次是受激辐射过程，当处于激发态的原子或分子受到外界激发能量的作用时，会发生受激辐射，产生与激发能量相同的光子，并且这些光子与外界激发能量的相位相同。
最后是放大过程，通过光学共振腔的作用，使得受激辐射的光子不断地在工作物质中来回反射，产生放大效应，最终形成激光。
固体激光器的原理中，工作物质的选择对激光器性能有着重要的影响。
常用的固体激光器工作物质包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Ti:sapphire等。
这些工作物质具有较高的吸收截面、较长的寿命和较宽的工作波长范围，适合用于固体激光器的制作。
此外，激光器的光学共振腔结构也是固体激光器原理中的重要组成部分，它能够提供光学反馈，使得激光得以放大并输出。
在固体激光器的原理中，激光的输出特性是一个重要的参数。
激光器的输出特性包括波长、功率、脉冲宽度、光束质量等。
这些特性直接影响着激光器的应用效果和性能表现。
因此，在固体激光器的设计和制造过程中，需要对激光器的输出特性进行精确控制和调节。
总的来说，固体激光器原理是固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
通过吸收、受激辐射和放大三个过程，固体激光器能够产生高能量、高亮度、高单色性的激光。
固体激光器的原理为固体激光器的设计和制造提供了重要的理论基础，同时也为固体激光器的应用提供了技术支持。
随着科学技术的不断发展，固体激光器原理将会得到更深入的研究和应用，为激光技术的发展做出更大的贡献。
第三章激光器的输出特性
第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。
激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。
实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。
由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。
因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。
3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。
而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。
光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。
3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。
菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。
基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。
图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。
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
半导体激光器特性测量实验报告
半导体激光器特性测量一、实验目的：1.通过本实验学习半导体激光器原理。
2.测量半导体激光器的几个主要特性。
3.掌握半导体激光器性能的测试方法。
二、实验仪器：半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑等。
三、实验原理：WGD-6 型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
光学系统采用C－T 型，如图M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、M4 转镜、G 平面衍射光栅、S1 入射狭缝、S2 光电倍增管接收、S3 CCD 接收。
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1 位于反射式准光镜M2 的焦面上，通过S1 射入的光束经M2 反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在S2 上。
四、实验内容及数据分析1.半导体激光器输出特性的测量：a)将各仪器按照要求连接好；b)打开直流稳压电源，打开光多用仪；c) 将激光器的偏置电流输入插头接于稳压电源的电流输出端；d) 将激光器与光多用仪的输入端相连并使探头正好对激光器输出端，打开光多用仪； e) 缓慢增加激光器输入电流（0mA~36mA ），注意电流不要超过ＬＤ的最大限定电流（实验中不超过38mA ）。
从功率计观察输出大小随电流变化的情况； f) 记录数据； g) 绘图绘成曲线。
实验数据及结果分析： I （mA ） 1.02.03.04.05.06.07.0 8.09.010.011.0 12.0 P (uW) 0.40 0.80 1.25 1.75 2.25 2.85 3.54.255.05 5.956.98.0I （mA ） 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 P (uW) 9.310.7512.4514.5517.8522.941.0311.5753.51179.51594.51845.0根据以上实验数据绘制I —P 曲线:半导体激光器输出特性2004006008001000120014001600180020000510152025I(mA)P(uW)实验结果分析：通过半导体激光器的控制电源改变它的工作电流I ，测量对应的发光功率P ，以P 为纵轴，I 为横轴作图，描成曲线。
脉冲光纤和连续光纤
脉冲光纤和连续光纤激光器在输出特性、应用领域等方面存在显著差异。
1. 输出特性：脉冲光纤激光器的激光输出为脉冲形式，即激光强度和频率不稳定，呈现出脉冲信号特征。
而连续光纤激光器的激光输出为连续形式，即激光强度和频率相对稳定。
2. 应用领域：由于其高效的光纤传输能力和稳定的输出特性，连续光纤激光器广泛应用于工业加工领域，如激光切割、焊接等。
同时，在医疗领域中，连续光纤激光器也被用于手术切割和凝固，如心血管手术、泌尿外科手术等。
另外，由于其高效的光纤传输能力，连续光纤激光器还被广泛应用于通信领域。
脉冲光纤激光器由于其脉冲式的输出特性，主要被应用于科学研究领域，如光学显微镜、精密加工等。
在医疗领域中，脉冲光纤激光器也被用于皮肤病治疗和眼科手术等领域。
此外，脉冲光纤激光器还被广泛应用于通信领域，如光纤通信和光纤传感器等。
以上内容仅供参考，建议咨询专业人士获取更准确的信息。
实验6-1 脉冲固体激光器输出特性
实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究【实验目的】1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。
2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。
3、测定激光器输出光束的发散角。
【实验原理】一. 固体激光器的基本结构和工作原理激光，其英文为Laser ，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation ，全名译为辐射的受激发光放大。
这很好地概括了激光产生的机制。
激光器就是根据激光产生的机制而设计的。
它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。
实验所用YAG 激光器的结构如图6-1-1所示。
1、工作物质要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布，并且需要满足一定的条件。
2、泵浦系统本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。
直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。
触发器接通后，立即发出一个一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。
此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到234F 能级上。
在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。
由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。
当粒子跳回低能级上时发光。
3、光学谐振腔为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。
在忽略介质内部损耗的情况下，阈值条件为1221 l e r r G (6-1-2)式中：21,r r 一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；l —激活介质的长度；G —激活介质的增益系数，定义为：()dzz I z dI v G v v .)()(=(6-1-3)二．YAG 激光器输出特性1、输出特性曲线输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。
激光器的常用指标及半导体激光器
一、激光器的常用性能指标1、激光器的门限电流与功率输出激光的输出光功率与驱动电流并不成直线比例关系。
在门限电流（或称阈值电流）以下，激光器工作于自发射，输出光功率极小，在门限电流以上，激光器工作于受激发射、输出激光、功率随电流的增大而上升，基本上成直线对应关系，在实际应用中，我们要求门限电流越小越好。
激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。
2、激光器的调制增益激光器的调制增益是指输出光功率与输入射频驱动电流的比值，如0.42mW/mA，表示输入驱动电流1mA，输出0.42mW的光功率，调制增益一般越大越好。
3、激光器的相对强度噪声RIN激光器的相对强度噪声定义为单位频带宽度中噪声与输出光强的比值。
常用dB/HZ 作单位，激光器的噪声主要来源于激光器内光子涨落的量子噪声，相对强度噪声是描述激光器量子噪声特性的参数，我们希望它越小越好。
4、激光器的线性范围激光器的线性范围指激光器能线性工作的最大范围，通常它越大越好，我们可以用饱和电流(即激光器输出饱和时对应的激励电流，当激励电流超过饱和电流时，再加大激励，也不能使输出光功率增加，这时可能会造成激光器的损坏)与阈值电流之差来近似的代表其线性范围，实际上在线性范围内，激光器的输出光功率随注入电流变化的曲线，也不是绝对的直线，我们总是希望它尽量接近直线，使其非线性失真指标尽可能小，当温度升高时，阈值电流以1%—2%/ ºC的速度增大，而饱和电流则相应降低，使激光器的线性范围减小，因此在激光器内部要加温控装置，保持其工作稳定。
5、带内平坦度普封装的激光器由于引线电感等分布参数的影响，频率响应并不理想，一般为±1dB （750MHZ带宽），在CATV领域，激光器的封装形式一般为蝶形封装，这种封装引线最短。
6、激光器的温度特性激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。
激光原理3.1激光器的输出特性
x2 Ly22zkL212Lz0
2z0
忽略由于z变化引起的 的微小变化，用 ( z0 ) 代替 (z) ，则在腔轴附近有
z z0
2z
1
L 2z L
2
x2
y2 L
2z0
umnx,y,zCmH n m
2
12
w2s xHn
2
12
w2s y
exp122x2w s2y2ex pix,y,z
(x ,y ,z) k L 2 (1 ) 1 2x 2 L y 2 (m n 1 )(2 )
arctg1 1 arctgL L 2 2zz
图3-7 计算腔内外光场分布的示意图
a2
考虑：L,R>>a >>λ ， L
«
L
2
a
u m n C m H m n (X )H n (Y )e X 2 2 Y 2;其 X 中 x2 L ,Y y2 L
本征值近似解
e mn
i[k L(mn1)]
2
3.2.1 共焦腔镜面上的场分布
1.方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解
(2) 每个q值对应一个驻波，称之为：纵模，q为纵模序数。
(3)
kL
22q k2νc
νmnq2qLc2cL mn2qLc
2. 纵模频率间隔
(1) 腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔
ν m n2 q qL c2cL m n ν q ν q 1 ν q 2 c L
➢举例1：10cm腔长的He-Ne激 光器可能出现的纵模数（一种，
➢共焦腔与平行平面腔之不同
1 镜面上基模场的分布
平行平面腔基模 分布在整个镜面上，呈偶对称性分布，
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沿z轴正方向传播时，将引起运动速度为
vz
c1 0 0
粒子的受激辐射
沿z轴负方向传播时，将引起运动速度为
vz
c1 0 0
粒子的受激辐射，这部分粒子的表观中心频率为
q 2 0 q
当 q 0时， q q
I
和I
在增益曲线上分别烧两个孔
Gi ( , Iq )
I
I
Gt
v
2 0 q 0 q
振荡模的增益系数为
一、连续或长脉冲激光器的输出功率
1.激光器稳定工作状态的建立
当泵浦功率Pp Ppt时
G0 q Gt
dNl 0 dt
Gq, Iq 不断减少
I
不断增强
q
G q , Iq
Gt
l
I q不再增加 激光器建立稳定工作状态
2.均匀加宽单模激光器
当T 1时，稳定工作时的增益系数G 1
l I I 腔内平均光强Iq I I 2I 稳定工作时大信号增益系数
GH q , Iq
GH0 0
q
0
2
H 2
2
H
2
2
1
I q IS
l
当 q
时
0
GH 0, I0
GH0 0
1 1 I0
l
Is
I0
I
S
Gml
1
设激光束的有效截面面积为A，激光器的输出功率为
Pout
ITA
1 2
I0TA
1 2
ATIS
Gml
1
将激光器的损耗分成两部分，其中
a. 随 H 的增加，凹陷变宽变浅 D
b. 凹陷的深度和激发参量Gml 成正比
3）兰姆凹陷的应用
二、短脉冲激光器的输出能量
当
Eq1 h q
n2tV
时
腔内受激辐射光强不断增强 n2因受激辐射不断减少
E2能级剩余n2t个粒子通 过自发辐射返回基态
当n2 n2t时，受激辐射 光强迅速衰减熄灭
对激光能量有贡献的上能级粒子数为
E p1 h p
n2tV
腔内产生的激光能量为
E内
h 0
E p1 h p
n2tV
01 p
Ep
h pn2tV 1
01
p
E p E pt
输出能量为
E
E内T
T
0 p
10
Ep
E pt
0 p
10
E
pt
Ep E pt
1
取决于腔内的平均光强
I0 I I 2I 稳态时的增益系数为
Gi 0, I0
解得腔内平均光强为
Gm
1 I0 l IS
I 0
I
S
Gml
2
1
输出功率为
Pout
AIT
1 2
ATIS
Gml
2
1
兰姆凹陷 1）兰姆凹陷形成原因
兰姆凹陷的宽度
H
1 Iq IS
2）影响兰姆凹陷的因素
有用输出损耗
r
1 2
ln
r1r2
1 2
1 ，称为往返净损耗因子
往返一周的总损耗为
2＝2 r T
Pout
1 2
ATIS
2Gml
T
1
讨论
a.
Pout
IS
h 0 21 2
I S 大的工作物质可产生大的Pout
b.
Pout
和激发参数
Gml
有关，增加泵浦功率和工作物质
长度，降低损耗都将使Pout提高
c. Pout和输出镜透过率T有关
dPout dT
1 2
I
S
A
2Gml
T
1
1 2
I
S
AT
2Gml
T 2
0
得最佳透过率
Tm 2Gml
最佳透过率时的输出功率为
1
Pm 2 IS A
2Gml
2
3.非均匀加宽单模激光器
在多普勒加宽的激光器中，频率为
的振荡模
Gi q , Iq
解得
Gm
e 4ln 2
q 0
2 D
2
1 I
l
I
I
I
S
Gml
e 4ln 2
q 0
2 D
2
2
1
当 q
时的单
0
模输出功率为
Pout
AIT
A
TIS
Gml
4ln 2 q 0 2
e
2 D
2
1
当 q
0时，I
和I
在增益曲线上烧的孔重合，烧
空深度