固体激光器光路设计激光原理课程设计_图文.
激光器件4-固体激光器设计
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等曲率半径腔
W1,22
R
L 2R
1 2 L
W02
2
[L(2R
L)]1
2
当R>>L
W1,22
W02
RL 1 2
2
共心腔 L=R1+R2 等曲率共焦腔腔
W2 1,2
W02 0
W1,2
R
1
π
α0
rR rL
lL lR
dα]
待求
E为总光能
§2.2.1 聚光腔
dα (lR lL )dθ
BA
dα
lL
α
13
ηge
1 π
[α0
π α0
rR rL
lL lR
dα]
1 π [α0
rR rL
θ0 ]
lR
dθ
待求
θ
§2.2.1 聚光腔
P0点的确定
P0
lL F α0
lR
θ0
F’
14
lL lR 2a
§2.2.1 聚光腔
1
聚光腔的作用
从泵浦光源发出的辐射能传输到激光工作物质上的效率，在 很大程度上决定了激光系统的总效率，聚光腔除了给泵浦光 源和工作物质之间提供良好耦合之外，还决定激光物质上泵 浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和 光学畸变。由于激光工作物质和泵浦灯都安装在聚光腔内， 合理设计聚光腔是决定固体激光器工作性能的重要条件之一。 但并不是所有的固体激光器都需要聚光腔。
最新第5章固体激光器ppt课件
在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这
时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半 导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带 上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果 我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可 跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半 导体。
长 的 时 间 隧 道，袅
第5章固体激光器
工作物质 物理过程 激光谱线
泵浦源 泵浦特点
优缺点
输出特性 特点
固体激光器
红宝石激光器
Al2O3＋Cr2O3；Cr3＋决定光谱性能 三能级系统
0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占优 势
脉冲氙灯
YAG激光器
Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3 ＋决定光谱性能
⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级。 (图f ); 两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。
4.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带
(图a—e )中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被 电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。
一实用的固体工作物质
大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米 转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比)
总体效率大概为0.5%-1%
1%-3%
输出能量大；峰值功率高；
5.1.4 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器 ➢高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。 ➢从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提 出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
§2.1 固体激光器
(2)泵浦系统 泵浦系统 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 常用的泵浦源有惰性气体放电灯、 金属蒸汽灯、 常用的泵浦源有 惰性气体放电灯、金属蒸汽灯、 钨丝 惰性气体放电灯 灯、太阳能及发光二极管。 太阳能及发光二极管。 惰性气体放电灯是当前最常用的，如氙、 惰性气体放电灯是当前最常用的， 如氙 、氪闪光灯和 氪弧灯。 氪弧灯。 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用， 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用 ，尤其是在航 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 二极管(激光二极管 半导体激光器 二极管 激光二极管—半导体激光器 作为泵浦源是目 激光二极管 半导体激光器)作为泵浦源是目 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。
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2.工作原理 或工作过程 工作原理(或工作过程 工作原理 或工作过程) (1)高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电 (2)触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路 (3)电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电 (4)工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦 (5) v0弱光导致受激辐射，振荡产生激光。(连续激光采用氪 弱光导致受激辐射，振荡产生激光。 连续激光采用氪 灯)
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2.固体激光器工作物质应满足的条件 固体激光器工作物质应满足的条件 (1)在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； 在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； (2)掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 多的重叠； 多的重叠； (3)能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子 (4)由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率 (5)有良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系 有良好的物理、化学和机械性能，热导率高， 有良好的物理 数小，易于光学加工； 数小，易于光学加工； (6)容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
2024版《激光原理》课件
工作原理
气体激光器的工作原理基于气体放电产生的粒子数反转。当放电管中的工作气体受到电场激励时，气体分子或原 子被激发到高能级，然后通过自发辐射或受激辐射跃迁到低能级，释放出光子。这些光子在谐振腔中来回反射， 不断激发更多的粒子数反转，从而实现光放大和激光输出。
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气体激光器性能特点及应用领域
3
激光产生机制
01
02
03
受激辐射
原子或分子在外部能量作 用下，从高能级向低能级 跃迁，同时发射出与激发 光相同性质的光子。
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粒子数反转
通过泵浦等方式，使得高 能级上的粒子数多于低能 级，形成粒子数反转分布。
光学谐振腔
提供正反馈机制，使得受 激辐射的光在腔内多次反 射、放大，最终形成强光 束输出。
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液体与光纤激光器性能特点及应用领域
液体激光器
主要应用于科研、光谱分析、生物医学等 领域。
VS
光纤激光器
主要应用于工业加工、通信、医疗等领域。
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半导体激光器与量子级联 激光器
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半导体激光器结构及工作原理
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结构
半导体激光器主要由P型半导体、N型半导体以及它们之间的有源层构成。P型和N型半 导体之间形成PN结，是激光器的核心部分。
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准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有脉 冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
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液体激光器与光纤激光器
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固体激光器光路设计_激光原理课程设计报告
WORD文档下载可编辑激光原理与技术课程设计课题名称：固体激光器光路设计与计算专业班级： 2011级光信息学生学号： ********** 学生姓名：学生成绩：指导教师： ******** 课题工作时间： 2014.6.4 至 2014.6.13武汉工程大学教务处侧泵激光器腔长480mm，输出镜曲率半径为5m，聚焦透镜离输出镜焦距为45mm，计算经聚焦以后的激光光斑直径。
用Matlab软件计算输出（用Q参数方法计算，写出Matlab程序）前言 (9)第一章半导体泵浦激光器原理和应用 (9)1.1 激光原理 (10)1.2 半导体泵浦激光器的应用 (11)第二章激光器的设计过程 (12)2.1 半导体泵浦激光器设计方案 (12)2.2 激光器的设计图 (12)2.3 计算聚焦后激光光斑直径 (13)2.4 聚焦透镜焦距与光斑半径的关系 (15)第三章总结 (17)参考文献 (17)激光是二十世纪最重大、最实用的发明之一。
1917年爱因斯坦提出受激辐射理论，1958年12月肖洛和汤斯发明激光原理，1960年7月梅曼制成世界第一台红宝石激光器。
激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，应用领域十分广泛。
半导体泵浦532nm绿光激光器具有波长短、光子能量高、在水中传输距离远和人眼敏感等优点，效率高、寿命长、体积小、可靠性好。
近几年在光谱技术、激光医学、信息存储、彩色打印、水下通讯、激光技术等科学研究及国民经济许多领域中展示出极为重要的应用，成为各国研究的重点。
自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20 直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20 世纪80 世纪80 年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。
目前世界范围内销售的商品固体激光器已有500 余种，但从1998 已有500 余种，但从1998 年开始，固体激光器中的Nd:YAG 中的Nd:YAG 激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。
激光原理(课堂PPT)
二反射面组成的谐振腔的谐振频率 为入射光频率
(1)当 c 时: Gmax11r1r1 1r 2G r2sG 2s激－光原最理大与增技术益
(2)当
G
1 2
Gm
ax
时:
c
41l r1rr12rG 2G s2S
v
14
讨论：①可见，仅当入射光频率在谐振腔本征 频率附近时，才能得到有效放大。
② l、Gs、r 越大，
要求：入射光需在谐振腔本 征频率附近,保证频率匹配。
r1
r2
I0 P0
g>0 I
1
I
2
I
1
I束干涉处理
工作物质单程传 输的增益为:
经过复杂的推算后得:
GS
I
2
I1
I1
I
2
G 1r1r2G s 2 1 4 r1 r1 r2 1 G srs 2G i2 sn 2 lvvc
曲线的平坦部分对应于小信号工作区， 增益较小信号增益下降3dB所对应的输出
功率称作光放大器的饱和输出功率，它表
征光放大器的高功率输出能力。
激光原理与技术
图 掺铒光纤放大器的增益饱和特性
激光原理与技术
当泵浦光功率一定时，若光纤长度等 于最佳长度，则光放大器具有最大增益 G0，相应的最大输出光功率为Pm,由此 可求出Gm及相应的Pm和输入信号光 功率P0及泵浦光功率Pp的关系。
脉冲放大器输出能 量和长度的关系
三、功率增益与脉冲宽度变窄
激光原理与技术
激光原理与技术
2、最大输出光强
激光原理与技术
dI(z) gm 0
I(z)dz 1 I(z) Is
Im
Is
(
激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质
f
νGGf (νν)a内8cν221Lf2νlnν2erd1rJ2
J阈
a内
21Llnr1r2
8
22ed
c2
5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
5.2.3 Ar+离子激光器
1. Ar＋激光器的结构
➢Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
2. Ar＋激光器的激发机理
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 ➢Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
➢图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激 光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。
➢He-Ne激光器是 典型的四能级系 统，其激光谱线 主要有三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器 ➢红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3) 生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)， 如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能 级模型
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
图(5-26) PN能带
➢在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级E
F
和E
F
，称为准费米能
级，如图(5-27)。
图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构