3 激光器的输出功率
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产生和放大一束高度聚焦的光束的装置，它利用特殊的光学放大器将输入的光线转化为一束具有高度相干性和高度单色性的激光光束。
以下是激光器的一些基本参数和基础知识：1. 激光器的波长（Wavelength）：激光器产生的激光光束的波长是决定其光学特性的重要参数。
不同波长的激光器在光的传播、吸收和散射方面有着不同的特性。
2. 输出功率（Output Power）：激光器的输出功率是指激光器在单位时间内向外辐射的光能量。
输出功率的大小可以影响到激光器在实际应用中的效果和使用范围。
3. 光束质量（Beam Quality）：光束质量是激光器输出光束的空间属性的度量，它决定了光束的聚焦能力和光学深度。
光束质量越高，光束越接近理想光束，具有更好的聚焦和穿透能力。
4. 脉冲宽度（Pulse Width）：对于脉冲激光器而言，脉冲宽度是指激光脉冲的持续时间。
脉冲宽度的长短对于一些应用领域，如精密切割、医疗器械等，有着重要的影响。
5. 光学阻尼器（Optical Attenuator）：光学阻尼器是用于调节和控制激光光束强度的光学装置，通过调整光损耗或反射来控制光强。
6. 光束扩散角（Divergence Angle）：光束扩散角是指光束的发散性，即光束离开激光器时的束腰大小和形状。
光束扩散角可以描述激光器在空间中的传播特性。
7. 频率稳定性（Frequency Stability）：激光器的频率稳定性是指激光器的输出频率在一定时间范围内的稳定性。
频率稳定性越高，激光器的输出频率在长时间应用中的波动越小。
8. 工作温度范围（Operating Temperature Range）：激光器的工作温度范围是指激光器可以正常工作的温度范围。
对于一些特殊环境下的应用，工作温度范围的宽窄对激光器的使用有着重要的影响。
1.激光的产生原理：激光器内部通过激发材料（例如气体、固体或半导体）来产生激光。
激光原理3.5激光器的输出功率(2014)
G0 G= (3-55) 1 + I 平均 I s 式中，I为激光器在稳态工作时腔内的平均光强，Is为激光工作 介质的饱和光强，G0为激光工作介质的小信号增益系数。 高福斌 2 /27
3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率
在驻波型激光器中，稳定工作时， 腔内存在着沿腔轴方向传播的光 I+ 和反方向传播的光 I－。若谐振腔由 一面全反射镜和一面透射率为 t 的输 出反射镜组成时，腔内光强如图3-11 所示。 一. 稳定出光时激光器内诸参数的 表达式 (1) 腔内最小的光强 (2) 腔内最大光强
9
/27
⎛ 2 LG 0 ⎞ 1 P = AI out = t1 I s A ⎜ − 1⎟ 2 ⎝ α1 + t1 ⎠ 为了使激光器有最大的输出功率，必须使部分反射镜的透 射率取最佳值： ⎛ 2 LG 0 ⎞ 1 ⎛ 1 2 LG 0 ⎞ dP − 1⎟ + t1 AI s ⎜ − =0 = 0 ⇒ A ⋅ Is ⎜ 2 ⎟ 2 dt1 ⎝ α1 + t1 ⎠ 2 ⎝ (α1 + t1 ) ⎠
(3-74)
14
高福斌
/27
若腔内各频率的光强 I 都等于Is，则ν0以及ν0附近的ν光波所 获得的增益系数分别为： 获得的增益系数分别为
0 0 0 0 GD (ν0 ) GD (ν0 ) GD (ν ) GD (ν ) GD (ν0 ) = = 和 GD (ν) = = 1 + 2Is I s 3 1+ Is Is 2
(3 6 ) (3-67)
11
/27
3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率
和均匀增宽激光器不同的是, 当振荡模频率vq≠v0 时, I+和I-两 束光在增益曲线上分别烧两个孔。对每一个孔起饱和作用的分 别是 I+ 或 I- , 而不是两者的和。 一. 稳定出光时激光器内诸参数的表达式 (3-56) (0,ν ) exp 2 L(G − α in ) (1)腔内最大光强 I − (2 L,ν ) = r2 I + (0 (3-68)
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。
激光器等级分类标准
激光器等级分类标准
激光器的等级分类标准是根据激光器的功率、波长、辐射范围、辐射时间等参数来确定的。
国际标准化组织（ISO）和美国激光安全标准委员会（ANSI）制定了一套广泛应用的激光器等级分类标准，被称为“激光产品安全标准”。
根据这套标准，激光器等级分为以下几个级别：
1. 第一类激光器（Class 1）：无眼安全风险的低功率激光器，即使在长时间直接观察下也不会对人眼造成伤害。
2. 第二类激光器（Class 2）：低功率可见光激光器，对人眼有一定伤害风险，但由于人眼对瞬时光刺激有自我防御机制，所以在正常使用下不太可能造成损害。
这种激光器的输出功率限制在1毫瓦以下。
3. 第三类激光器（Class 3）：中等功率激光器，分为3A和3B 两个子类。
- 3A类激光器：输出功率不超过5毫瓦，对人眼有一定伤害风险，但在正常使用下不会造成严重损伤。
- 3B类激光器：输出功率在5毫瓦到500毫瓦之间，对人眼造成潜在危险，直视或近距离照射可能会引起眼睛损伤。
因此，对于3B类激光器的使用，需要采取一些特殊的安全措施来保护人眼。
4. 第四类激光器（Class 4）：高功率激光器，输出功率超过500毫瓦。
这类激光器对眼睛和皮肤都具有严重的伤害风险，甚至可以引起火灾和烧伤。
在使用和操作上，对于第四类激光器需要非常严
格的安全措施和专业技术支持。
需要注意的是，以上等级标准是一种国际通用标准，不同国家和地区可能还会有一些额外的标准和要求。
在使用激光器时，应该遵守相应的安全规范和操作指南，确保激光器的安全使用。
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
华科激光原理考研题2002-2014(汇总)
华科考研激光原理2002--2014真题2014年一.解释题1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。
(15)2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。
(15)3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15)4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15)二．解答题1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。
（1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。
（2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。
（3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。
(25)2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ∆，横模间隔m υ∆,n υ∆. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25)3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。
(20)4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有：（20）sL L m I I I I I L G 00ln -+= (提示：I dz dI G i =-α, s m I I G +=1G 构造微分方程) 2013年一、简答：1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。
2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。
3.试写出二能级的速率方程。
并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。
关于激光的安全等级和灯的光流明
激光的安全等级是如何规定的能量高度集中的激光光束有可能对人体造成损害，如眼睛或皮肤。
所以，国际电子技术委员会IEC(International Electrotechical Commission)和食品及药品管理局FDA（Food and Drug Administration）对激光设备的安全性，按其激光输出值的大小进行了分类。
正规生产激光设备，其安全等级均应按FDA或IEC标准进行标注。
IEC标准将激光设备分为五个等级，分别称为Class1, Class2, Class3A, Class3B, Class4。
例如，Class1级激光设备，在“可预见的工作条件下”是一种安全设备；而Class4级的激光设备，则是可能生成有害的漫反射的设备，会引起皮肤的灼伤乃至火灾，使用中应特别小心。
FDA标准将激光设备分为六个等级，即ClassⅠ, ClassⅡa,ClassⅡ,ClassⅢa, ClassⅢb和ClassⅣ。
对ClassⅠ级者，其激光辐射量不认为是有害的，对ClassⅣ级者，其激光辐射量无论是直接辐射还是散射（Scattered）,对皮肤和眼睛均是有害的激光的安全等级Class I：低输出激光（功率小于0.4mW），不论何种条件下对眼睛和皮肤，都不会超过MPE值，甚至通过光学系统聚焦后也不会超过MPE值。
可以保证设计上的安全，不必特别管理。
典型应用如激光教鞭，CD播放机，CD-ROM设备，地质勘探设备和实验室分析仪器等。
Class II：低输出的可视激光（功率0.4mW-1mW），人闭合眼睛的反应时间为0.25秒，用这段时间算出的曝光量不可以超过ＭＰＥ值。
通常1ｍＷ以下的激光，会导致晕眩无法思考，用闭合眼睛来保护，不能说完全安全，不要直接在光束内观察，也不要用Class II激光直接照射别人的眼睛，避免用远望设备观察Class II激光。
典型应用如课堂演示，激光教鞭，瞄准设备和测距仪等。
Class III ：中输出激光，光束若直接射入眼睛，会产生伤害，基于某些安全的理由，进一步分为IIIＡ和IIIＢ级。
激光器功率
激光器功率一、引言激光技术作为现代科技领域中的重要组成部分，被广泛应用于工业、医疗、通信等领域。
激光器是激光技术的核心设备，其功率是影响激光器性能和应用范围的关键指标之一。
本文将深入探讨激光器功率的概念、计量方式、对应用的影响以及提高激光器功率的方法。
二、激光器功率的概念激光器功率是指激光器每秒钟输出的能量，常用单位是瓦特（W）。
激光器的功率大小直接决定了激光束在空间中的传输距离和功率密度。
三、激光器功率的计量方式激光器功率的计量方式主要有两种：连续功率和脉冲功率。
连续功率是指激光器输出的稳定连续光束所携带的功率，常用单位是瓦特（W）。
脉冲功率是指激光器输出的不稳定脉冲光束所携带的功率，常用单位是瓦特（W）或焦耳（J）。
四、激光器功率对应用的影响激光器功率的大小直接影响激光器在应用中的表现。
首先，功率过小会导致激光束无法达到预期的传输距离，限制了激光器在远距离通信和激光雷达等领域的应用。
其次，功率过小还会限制激光器在加工和切割等工业领域的应用，使加工速度过慢或加工质量下降。
另外，激光器功率过大也会带来问题，如对环境和人体安全造成潜在威胁。
五、提高激光器功率的方法针对激光器功率不足的问题，科研人员提出了一系列的技术方法来提高激光器的功率。
首先，可以通过优化激光器结构和激光器泵浦方式来提高激光器的效率和输出功率。
其次，可以利用多级放大器或激光增益介质的堆叠来实现高功率激光器的输出。
另外，还可以通过激光束合并技术将多个低功率激光束合并为一个高功率激光束，从而提高激光器的输出功率。
六、结论激光器功率是激光技术中的重要参数之一，直接影响激光器在各个应用领域中的表现。
合理的功率选择可以提高激光器的传输距离、加工速度和加工质量，从而推动激光技术的进一步发展和应用。
通过不断努力提高激光器功率的方法和技术，相信激光技术将在更多领域展现出巨大的应用潜力和市场价值。
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Pp Ppt
1
0 T 2
• 光泵浦激光器输出功率由超出Ppt的泵浦功率转换得到
• I的大小由超出gt的增益决定的
讨论1.输出功率~激励功率
太原理工大学
物( 理Pp与光电P工)程（学院固体激光器）
• 气体激光器 (放电激励－ 存在最佳放电电流 )
n
P
上能级
下能级
gm
1.4102
l d
jm
j
j
• 半导体激光器 (Semiconductor Laser)
§5.3 输出光功率与能量
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
一、连续或长脉冲激光器的输出功率
腔内光强不均匀
•激活介质的光放大作用 •损耗系数不均匀分布 •驻波效应 •横向高斯分布
增益饱和效应出发估算稳态工作时的腔 内平均光强，并在此基础上给出粗略计算 输出功率的方法
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
激光器稳定工作状态的建立
a)如果腔内某一振荡模式的频率为νq，开始时，由
于 g q, Iq gt，腔内光强Iq 逐渐增加。
b)同时，由于饱和效应，g q, Iq 将随Iνq的增加而减 少，但只要 g q, Iq 仍比gt大，这一过程将继续下去， 即继续Iνq增加， g q, Iq 不断减小，直到
g q , Iq
gt l
增益和损耗达到平衡，Iνq才不再增加。这时激光 器建立了稳定工作状态。
当外界激发作用增强时，小信号增益系数增大， 输出功太率随原之理上工升。大 学 物理与光电工程学院
1、均匀加宽单模激光器
T1=0
T1=T
T 1 I I 腔内平均光强 Iq I I 2I
I- I+
Tm 2gmla a
Pm
1 2
A
Is
2
2gml a
当T<<1 2 T + a a 往返指数净损耗因子
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
讨论3 : 输出功率 ~ 工作物质长度 l P
讨论4
输出功率
~ 工作物质性质
P
1 2
I
sTA
gml
1
四 Is h 0 21 2 能
级 gm nW03 2 21
g q, Iq
g
0 H
q
1 Iq
l
Is q
激光器的输出功率为
Iq Is
q
g
0 H
q
l 1
I , I 同时参与饱和
0
P
ATI
1 2
I
s
(
q
)TA
g
0 H
q
l 1
0
P
1 2
I
sTA
gml
1
自行推导
当 Pp PPt ，P 随 Pp线性增加
P
A 0 S p
01Ppt
E0E3
E3E2
E2E1
E内
吸收泵浦能量激活粒子数受激辐射粒子数 腔内激光能量
EP
EP1 h P
ntV
EP1 h P
-
n2tV
A S
1 泵浦效率 V 体积
输出能量 ( E )
h
0
EP1 h P
-
n2tV
A S
EPt
h
PntV
1
A0 SP
T
T
a1EPt
EP EPt
-1
T
T
a
0
E
A0 SP
受激辐射功率
P
J
J th e
i
(10-5-10)
Pout
ln1 r L ln1
P
r P
半导体激光器的效率
D th J
i
eV
ln1 r L ln1
r(10-5-12)
Ith
I
i --载流子复合辐射几率； D-- LD效率 Pin JV
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
• 均匀加宽: (固态激光器）必须由多模速率方程求Pout, 并作简化假设(各模损耗相等, 线型函数为矩形) 后可得 与(5-3-5) 相同的表达式
P
A0 Sp
01Ppt
Pp Ppt
1
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
二、短脉冲激光器的输出能量 （t0<< s) 四能级系统为例 思路：输出能量 ～ 受激辐射光子数 ～ n2 ～ 吸收泵浦能量
说明:上述物理模型的缺陷 假设 T 1 I I
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
2. 非均匀加宽单模激光器
q0时,I 和 I 分别在增益曲线烧两个孔,不是共同作用
gi q,Iq
gi0 q
1 I Is
l
I
Is
gi0 q
l
2
1
01vz c
I
01vz c
I
P
AIT
AIsT
gi0 q
l
2
1
q=0， I 和 I 同时在增益曲线上中心频率处烧一个孔
I
I 0
I 0
2I0
•要求熟知
P
AIT
1 2
A
IsT
gml
2
1
均匀加宽和非均匀加宽单模连续激光器输出功率和泵
浦功率、工作物质及谐振腔参数的关系。
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
• 兰姆凹陷 (Lamb Dip) －单模输出功率P与频率ν的关系 什么是兰姆凹陷现象 兰姆凹陷形成的物理原因 兰姆凹陷的宽度、深度
01EPt
EP EPt
-1
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院
P
1 2
TAh
0
nW03
l
1
21 2
三 能
Is
h 0 2 21
1
2
W13
级
g
m
nW13 1/ 2
W13 1 2
21
W 03 , n, 21, 2 P
P
1 4
ATh0 W13
nl
1
2 21
1
2
nl
1
21 2
W13 , 21, 2, n P
三能级系统对W13有要求 w13 1 2 才能使 n0 0
讨论2 输出功率与反射镜透过率有关
• 最佳透过率 实验测定及计算 T
Pout
实验 Pp一定，改变T 测 Pout
gt I
Tm
计算 dP/dT=0 当＝ 0 ，T 1时
P
1 2
I
sTA
2 a
gml T
1
取微分
dP dT
AI
s
gml
a
a T
2
1 2
AI
s
dP dT 0
aT 2 2gmla
Lamb Dip
• P 烧孔面积 (表征对激光有贡献的反转粒子数)
• 兰姆凹陷宽度( 烧孔宽度~ L
H
1 I q Is
气压 碰撞加宽L 烧孔宽度 , 深度变浅
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3. 多模激光器的输出功率
非均匀加宽: q足够大, 不发生烧孔相连时, 用(5-310)及(5-3-12)计算每个纵模的输出功率, 总功率即为各 模输出之和。