IV激光器的工作特性
中红外激光材料范文
中红外激光材料范文中红外激光器是一种在中红外光波段（3-5微米或8-14微米）工作的激光器。
中红外光是一种具有重要意义的光波段，在军事、医学、环境监测等领域有着广泛的应用。
为了实现中红外激光器的高效工作，需要选择合适的中红外激光材料。
本文将介绍几种常用的中红外激光材料及其特性。
1.II-VI族化合物半导体材料：II-VI族化合物半导体材料是中红外激光器中最常用的材料之一、其中，锌硒（ZnSe）和锌硫（ZnS）是最常见的材料。
这些材料具有较高的激光门限和较低的损伤阈值，适合用于中红外激光器的工作。
此外，这些材料的折射率与空气接近，使得它们可以直接作为激光输出窗口使用。
2.IV族化合物半导体材料：IV族化合物半导体材料也是中红外激光器中常用的材料之一、其中，锗（Ge）和硅（Si）是最常见的材料。
这些材料的特点是折射率高、热导率好，且有较好的激光损伤阈值。
它们可以用于中红外激光器的光学部件，例如输出窗口和透镜。
3.共价锢合晶体（II-VI族和IV族晶体的复合晶体）：共价锢合晶体是一种由II-VI族和IV族晶体组成的复合晶体。
这些材料结合了II-VI族和IV族晶体的优点，具有较好的光学特性和激光性能。
例如，锗镓硒（GeGaSe）晶体在3-12微米波段具有宽的透过窗口，在中红外激光器中具有广泛的应用潜力。
4.型变玻璃材料：型变玻璃材料是一种特殊的非晶态金属玻璃材料。
它们具有较低的热导率和较高的折射率，适合用于中红外激光器。
此外，型变玻璃材料还可以通过控制其组成来调节其物理和光学性质，以适应不同的激光器要求。
总的来说，中红外激光器所需的材料应具有较低的损伤阈值、较高的折射率、较好的光学特性和激光性能。
在选择激光材料时，需要考虑到材料的透过窗口、光学元件、波导和激光源等方面的特性。
随着激光技术的不断发展，相信中红外激光材料将会有更多更好的选择出现，为中红外激光器的发展做出更大的贡献。
激光器的工作特性Novel Chapter 6 of book
非稳态问题较为复杂，一般需要采用数值或小信号围绕等近似方法 处理。
连续激光器中各能级粒子数密度及腔内光子数均处于稳定状态，对 速率方程可使用稳态近似条件，将微分方程简化为代数方程，可以 得出激光器的基本工作特性。
激光器与激光工作物质速率方程的区别在于谐振腔的引入。在激光 器速率方程中，谐振腔元件引入的局部损耗通常平摊到整个腔长， 以维持方程的全局性。
• 脉冲激光器的输出特性
本章要求：
1. 了解激光器的工作参数 特性
2. 掌握连续运转的激光器 的输出特性
3. 模式竞争效应 4. 对照光学谐振腔的内容，
再次总结分析激光器阈 值、增益特性等
2021/5/29
2014~2015年度 本科生《激光原理》
第六章 激光器的工作特性
激光器的工作方式
3
• 连续运转和脉冲运转
N os 1 1 D
mnq
mnq
log2rm
log
rm 2
2014~2015年度 本科生《激光原理》
L
对均匀、非均匀加宽介质都适用！
2014~2015年度 本科生《激光原理》
第六章 激光器的工作特性
激光器的振荡模式
11
• 起振纵模数 出光带宽 vos H
模频率间距 mnq
GH0 ( 0 )L 1
N os 1 mnq
1. 均匀加宽，增益阈值条件
GH0 ( 0 ) (
H
2
2
0
பைடு நூலகம்
)2
2
谐振腔 + 增益介质
激光器
泵浦方式 连续激光器 CW LASER 激光器
脉冲激光器 PULSE LASER
泵浦时间
激光等级分类标准
激光等级分类标准激光器是一种利用受激辐射原理产生的高强度、高一致性光束的装置。
根据国际标准，激光器被分为几个等级，不同等级的激光器具有不同的危险性和使用范围。
本文将介绍激光等级分类标准，帮助大家更好地了解激光器的安全使用和管理。
一、激光等级分类。
1. 类别I，这是最安全的激光器等级，不会对人眼造成任何伤害。
即使在长时间直接观察下也不会造成损伤。
这种激光器通常是低能量、低功率的，比如指示激光笔等。
2. 类别II，这类激光器也是低功率的，但如果直接照射到眼睛上，可能会造成眼睛不适和短暂的视觉干扰。
但是，这种激光器一般不会造成永久性损伤。
3. 类别IIIa，这类激光器的功率较高，可能会对眼睛造成短暂的损伤，但只有在长时间暴露下才会产生永久性的伤害。
这类激光器通常用于教学和商业展示。
4. 类别IIIb，这种激光器具有较高的功率，即使短时间内也可能对眼睛造成永久性损伤。
因此，在使用时需要特别小心，避免直接照射到人眼。
5. 类别IV，这是最危险的激光器等级，具有极高的功率，即使短时间内也可能导致严重的眼睛损伤甚至失明。
此外，类别IV激光器还可能对皮肤造成灼伤，甚至引发火灾。
二、激光器的安全使用。
1. 对于类别I和II的激光器，一般来说不会对人眼造成伤害，但也要避免直接照射到眼睛上，以免引起不适。
2. 对于类别IIIa和IIIb的激光器，使用时要注意避免直接照射到眼睛，并且尽量减少暴露时间，以免造成眼睛损伤。
3. 对于类别IV的激光器，使用时必须佩戴特制的激光护目镜，严禁直接照射到人眼，以免造成严重的眼睛损伤。
4. 在使用激光器时，要注意避免将光束照射到反射表面上，以免产生危险的散射光。
5. 激光器的使用和管理必须遵守国家和地方的相关法律法规，严格控制激光器的购买和使用。
三、激光器的管理和维护。
1. 激光器的管理人员必须接受专业的培训，了解激光器的危险性和安全操作规程。
2. 定期对激光器进行检查和维护，确保其工作状态良好，避免因激光器本身故障导致的安全事故。
Nd：GdVO4激光器输出特性的理论分析
理论依据 ， 以理想 四能级系统激光器速率方程为基础 ， 推导出激光 器输 出功率方程 。并 以此方 程为依据 ， 数值模拟 和分
析 了振荡光斑 、 腔 内损耗这两个参数在同一泵浦功率下对 Ｎ ｄ ： Ｇ ｄ Ｖ Ｏ 全 固态激光器输 出特性 的影响。结果表 明 ， 激光输
出功率随着振荡光斑半径的增大而先增大后减小 ， 随腔内损耗呈线性递减变化 。与 同类 晶体 Ｎ ｄ ： Ｙ Ｖ Ｏ 和 Ｎ ｄ ： Ｙ Ａ Ｇ的对
Ｍａｙ ． ２ ０ １ ５
ＶＯ １ ｔ ｐ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ ． ｅ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ／ ｋ ｃ ｍｓ ／ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ／ ３ ４ ． １ １ ５ ０ ． Ｎ ． ２ ０ １ ５ ０ ５ ２ ８ ． ０ ９ ５ １ ． ０ １ １ ． ｈ ｔ ｍｌ
比和分析结果验证 了 Ｎ ｄ ： Ｃ ｄ Ｖ Ｏ 作为激光 晶体 的优越性 。
关键词 ：Ｎ ｄ： Ｇ ｄ ＶＯ 晶体 ； Ｌ Ｄ泵浦 ； 数值模拟 ； 输出效率
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｎ ２ ４ ８ ． １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ７—４ ２ ６ ０（ ２ ０ １ ５ ） ０ ２— ０ ０ ３ ７— ０ ３
到最佳空间分布才能够得到最佳输 出特性 ， 从 而
达 到最 大 的输 出功 率 与 斜 效 率 。 而 对 于 泵 浦 阈值
１ Ｎ ｄ ： Ｇ ｄ Ｖ Ｏ 激 光 器 输 出特 性
从 Ｎ ｄ ： Ｇ ｄ Ｖ Ｏ 晶体 的能 级结 构可 知该 晶体 是 典 型 的 四能级 系统 结 构 Ｊ ， 因此 可 依 据 理 想 四能
体最重要 的优点是高热导率 ， 沿（ １ １ ０ ） 方 向的热 导率可 以高达 ０ ． １ １ ７ Ｗｃ ｍ Ｋ～， 该 特性 完全可 与具有 高热导 性 能的 Ｎ ｄ ： Ｙ Ａ Ｇ 晶体 相媲 美 ， 比 Ｎ ｄ ： Ｙ Ｖ Ｏ 晶体 热 导 率 高 到 两 倍 Ｊ 。早 已 经 有
第6章激光器的工作特性课件
固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平滑 的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。
光泵激励： 反转粒子数密度
受激辐射： 反转粒子数密度
增加 减少
——振荡带宽： 激光器小信号增益系数中大于 阈值增益系数的那部分曲线所 对应的频率范围。
起振模式数：
例 6-1 ：红宝石激光器腔长L=11.25cm，棒长
，折射
率 n=1.75 ，均匀加宽线宽
，激发参数
，求（1）满足阈值条件的振荡带宽；（2）起振纵模数。
6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式 1. 模式竞争
2. 激光器的振荡阈值
阈值增益系数：
增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持 稳定振荡
激光器的阈值反转粒子数密度： 阈值泵浦功率和能量： 3. 激光器的振荡模式 思考：激光器中能够起振的模式数有多少 ？ 1 均匀加宽激光器的纵模竞争
空间烧孔引起多模振荡
2 非均匀加宽激光器中的多纵模振荡
6.4 连续激光器的输出功率
小信号增益系数
阈值增益系数
腔内光强增大：
增益系数
下降（增益饱和作用）
稳定工作状态
6.4.1 均匀加宽单模激光器
且增益系数不太大时： 腔内平均光强：
为介质长度； 为单程损耗； 激光器单纵模振荡。
——激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀） 若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ， 则总平均单程损耗：
n2
Laser Radiation
Absorption
1E1
n1
n
阈值泵浦功率：
能级阈值粒子数密度
2. 短脉冲
激光器的阈值泵浦功率：
国标 激光产品分级标准
国标激光产品分级标准目前，激光产品已经广泛应用于许多行业，包括医疗、科学研究、通讯、制造等领域。
然而，在激光产品的使用过程中，如果没有必要的防护和安全措施，将会对人体和环境产生极大的危害。
因此，制定适当的激光产品分级标准对确保激光产品的安全使用至关重要。
下文将围绕“国标激光产品分级标准”展开阐述。
第一步，制定标准的目的。
激光产品分级标准的制定是为了确保激光产品能够在安全可靠的情况下使用。
它的目的是为了保护人们免受激光产品的伤害，并确保激光产品在某些情况下的合理使用，如科学研究用途，医疗用途，制造用途等。
第二步，标准的内容。
激光产品分级标准的内容是由激光的输出功率、波长、脉冲宽度、重复频率和束径等因素来决定的，标准将激光器分为I、II、IIIa、IIIb、IV五个类别，各类别对应的激光在人眼或皮肤等方面造成的危害程度以及使用条件有严格规定。
1) I类激光器：这种类型的激光器只能在无意或意外的情况下对视力造成短暂影响，不会对人体造成伤害。
例如，CD机和激光指针都属于I类激光器。
2) II类激光器：这类激光器对人眼造成短暂的刺激，备受关注的激光指针也属于这一级别。
3) IIIa类激光器：这类激光器对人眼造成可逆性损伤，但对透镜和角膜造成的风险低。
例如，干式手电筒等。
4) IIIb类激光器：这类激光器对眼睛造成不可逆性损伤的风险，但由于其工作距离和时间较短，人体不易受到伤害。
例如，激光雕刻机等。
5) IV类激光器：这类激光器对人体造成的伤害非常严重，其工作范围可以达到几公里之远。
例如，医用激光器、激光打标机等。
标准规定了每个类别对应的需要满足的条件，确保了激光产品在每个级别下的安全、合理使用。
第三步，标准对应的适用范围和适用对象。
标准适用于激光产品的生产和销售，并且适用于激光器的用户、维修人员和其他工作人员。
必须在激光器的工作距离、时间、束点大小、工作范围和其他风险措施的限制下操作激光器。
第四步，标准的实施与监管。
4 激光器工作特性
3、规律 、
(1)输出光频在 ν0 − 1 ∆νq至 ν0 + 1 ∆νq 范围内变化 输出光频在 2 2 (2)腔长每伸长 λ,产生一次跳变 腔长每伸长 产生一次跳变
1 2
证
ν =q
c 2L
dν qc =− 2 dL 2L c c = ∆L 2L λL
∆ν = q
c ν c ∆L = ∆L = ∆L 2 2L L λL
c 3×108 ∆νq = = = 93.75M z H 2L 2×1.6
∆ =[ q
∆ T ν 3000 ]+1=[ ]+1= 33 ∆ q ν 93.75
§2 模式竞争 一、基本概念 满足振荡条件的激光模式由于使用相同反转 的激光模式由于使用相同 满足振荡条件的激光模式由于使用相同反转 粒子数而产生的竞争 二、特点 1、均匀加宽 、 所有模式间有竞争 靠近中心频率处的模 所有模式间有竞争,靠近中心频率处的模 有竞争 式取胜
激光器放电管及腔长都为L=1.6m,直 激光器放电管及腔长都为 直 例3 He-Ne激光器放电管及腔长都为 径为d=2mm,两反射镜透射率分别为0和T=0.02,其 两反射镜透射率分别为0 径为 两反射镜透射率分别为 其 它损耗的单程损耗率为δ=0.5%,萤光线宽ΔνF 它损耗的单程损耗率为δ 萤光线宽Δ 萤光线宽 =1500MHz, 其峰值小信号增益系数 m=3×10-4/d 其峰值小信号增益系数G × 1/mm。求①激发参量α②可起振的纵模个数Δq 激发参量α 可起振的纵模个数Δ 。 δ 0.015 Gt = = = 0.009375m−1 解 δ=0.01+0.005=0.015 L 1.6
ν
ν0
t
2、解释 、
温度升高→腔长变大 光频向低频漂移 温度升高 腔长变大→光频向低频漂移，当vq+1比vq靠 腔长变大 光频向低频漂移， 比 靠 近中心频率时， 会取胜， 近中心频率时， vq+1会取胜，从而抑制 ，则输出频率 会取胜 从而抑制vq， 突然由vq 增至vq+1 ，产生一次跳变。 产生一次跳变。 突然由 增至
第二部分-(IV)-激光器的工作特性
近轴情况
S2 1 1 1 R1 l1, R2 l2 l1 l2 F 发散(+) 会聚(-)
物距 像距 焦距
1 11 R2 R1 F
1 q2
1 R2
l i w22
1 11 R2 R1 F
w2 w1
（薄透镜）
1 11 q2 q1 F
第二部分
激光的基本原理及特性
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
（6）、激光形成的阈值条件
光在激活介质中传输时，一方面获得增益，使光强增大；另一方面还存在 各种损耗，使光强变小。因此，要产生激光（形成激光振荡）必须使光在谐振 腔内往返一周获得的增益大于或等于损耗。
形成激光振荡的条件： G0（）≥ a
G0（）是介质对频率为的光的小信号增益， a为损耗系数（单位长度光强的损耗率）。
dIz) gz) aIz)dz
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
(5). 增益饱和 g (I)
问题: 何时会出现饱和？
• 增益饱和－光强增大到一定程度, g 将随 I 的增大而减小
假设n分布均匀, g(z)g0 Is －饱和光强
nz)
1
n
Iz)
Is
1
Rz)
Re
q1z),
1
w2 z )
l
Im
1
qz)
Reqz) Rz), Imqz) ~ w2z)
第二部分
激光的基本原理及特性
高斯光束
• 若已知高斯光束某一位置的q参数 w(z), R(z),
光腰处（z＝0）
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第二部分 激光器的 工作特性
（3）、非均匀加宽
多普勒加宽 D 晶格缺陷加宽
谱线加宽 He-Ne CO2
均匀加宽
非均匀加宽
N(MHz) C(MHz)
D(MHz)
10
100 - 300
1500
10-3 – 10-2 P(充气压力)大 C大
60
非均匀加宽：每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些确定的频率 才有贡献。在非均匀加宽中，各种不同的粒子对g(n)中 的不同频率有贡献。
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
（4）、增益系数
I(z) I(z+dz)
公式定义：
gz)
dI z )
dz
1
Iz)
I0
z z+dz
z
I
I = I0eG0Z
I+dI
光的增益系数G：光通过单位长度的
I
z
激活物质后光强增加的百分数， 其单位为：[厘米]－1
z z+dz
增益曲线 g () －增益系数g(,I)相对于频率的分布 问题的提出： 外来光不是单一频率，有一定的频率分布
烧孔重叠条件
q
- 0
2
兰姆凹陷宽度(d) 烧孔宽度
1 Iq Is
兰姆凹陷宽度(d) ~ L
d H
1 Iq Is
气压 碰撞加宽L 烧孔宽度d , 深度变浅
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
气体: 无规热运动, 空间转移迅速 难以形成空间烧孔 固体: 如 Cr 离子束缚在晶格结构上 转移 l/4 需10-4 S
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
（6）、激光形成的阈值条件
光在激活介质中传输时，一方面获得增益，使光强增大；另一方面还存在 各种损耗，使光强变小。因此，要产生激光（形成激光振荡）必须使光在谐振 腔内往返一周获得的增益大于或等于损耗。
形成激光振荡的条件： G0（）≥ a
G0（）是介质对频率为的光的小信号增益， a为损耗系数（单位长度光强的损耗率）。
光器膜片时要注意考虑原来的参数；
• 增加激光器增益介质的长度。
第二部分
激光的基本原理及特性
高斯光束
六、高斯光束
基模高斯光束：
自由空间的基 模高斯光束
z处光斑半径
z处等相位面 曲率半径
共焦参数
) ) 00
x, y, z
c wz
e e
r2
wz
G（ q ）＝ Gth 时，腔内的光强不再增高而趋于稳定。因此，一旦激光器中稳定状态建立， 增益系数必然等于阈值。
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
（二）、均匀加宽连续激光器的输出特性 1、均匀加宽介质的单纵模振荡
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
2. 空间烧孔引起的多模振荡
阈值增益系数： G0（）＝ a 时的增益系数，记作：Gth
形成激光振荡的条件： G0（） ≥ Gth 激光工作物质内部的损耗
光在激光器内的损耗
谐振腔的损耗
衍射损耗 腔镜膜层对光有散射、吸收损耗 透过损耗
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
2、稳态工作的建立
激光器在外界激励下，如果腔内的某一个频率为q的模满足阈值条件， 这个模能够起振。开始时，这个模的小信号增益系数大于阈值增益Gth，因而 光强I会随着在腔内传播而不断增大。由于饱和效应，增益系数随光强的增 大而不断下降。但只要G（ q ）仍然大于Gth，光强增大使增益系数下降的过 程将继续下去，直到
第二部分 激光器的 工作特性
（三）、非均匀加宽连续激光器的输出特性 1、非均匀加宽连续激光器的多纵模振荡
外激励 G0 满足阈值条件的纵模 振荡模式数
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
2、兰姆凹陷:单模输出功率P与频率的关系
• P 烧孔面积 ( 表征对激光有贡献的反转粒子数)
dz薄层
dIz) gz) aIz)dz
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
(5). 增益饱和 g (I)
问题: 何时会出现饱和？
• 增益饱和－光强增大到一定程度, g 将随 I 的增大而减小
假设n分布均匀, g(z)g0 Is －饱和光强
nz)
1
n
Iz
g()
增益宽度 －最大增益的一半处 所对应的频率宽度
0
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
• 损耗系数 a － 负增益系数
定义公式
a
z)
dIz)
dz
1
Iz)
g & a 并存的介质中，光强的变化
若 gz) g0
) I z I0eg0 )a z
轴向空间烧孔效应 (设横向 分布均匀，仅考虑Z向分布)
腔内驻波场分布 增益空间
分布g(z) 增益的空间烧孔 空间烧孔引起多模振荡的物 理原因
由于空间烧孔效应, 不同纵模 可使用腔内不同部位的高能级粒 子
空间烧孔的形成条件: 驻波腔 烧孔间距在波长
量级
粒子空间转移速度较慢
激光的基本原号情况
Iz) ~ Is 大信号情况
g n
g
z
)
1
g0
Iz
)
Is
nz) n0 I(z)=Is
nz) n
nz) n0 2
Iz) Is Iz) ~ Is Iz) Is
gz) g0
g(I) g
小信号增益系数， 常数，与 I 无关 大信号增益系数， g(I) < g0 增益饱和
半导体: 10-7 S
I00 n
横向空间烧孔的形成原因
横模粒子数的空间分布不均匀, 横向
烧孔尺度较大，(mm量级)粒子的迁
移不能消除这种不均匀性
I10
• 当激励作用足够强时, 不同横模可以
n
分别使用不同空间的激活粒子而形成
多横模振荡
TEM00 X
TEM10 X
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 工作特性
非均匀加宽激光器中模竞争的表现 纵模频率1,, 2 对称分布在中心频率 0 两侧，消耗相同 速度 Vz的反转粒子数
相邻纵模的烧孔重叠
激光的基本原理及特性
第二部分 激光器的 输出功率
五、激光器的输出功率
连续激光器：
• 泵浦功率越强，激光器输出功率越大； • 内部损耗越小，激光器输出功率越大； • 膜片透过率存在一个最佳值，更换激