脉冲激光器
脉冲激光器驱动电路的设计与应用
脉冲激光器驱动电路的设计与应用介绍脉冲激光器是一种能够产生高峰值功率、短脉冲宽度的激光器。
它在许多领域中都有广泛的应用，包括激光加工、医学治疗、通信等。
脉冲激光器的驱动电路起着至关重要的作用，它能够确保激光器的稳定工作并产生所需的脉冲参数。
本文将详细介绍脉冲激光器驱动电路的设计原理和应用。
设计原理脉冲激光器的工作原理脉冲激光器通常由激光介质、泵浦源和驱动电路组成。
激光介质通过泵浦源的能量输入，产生激发态粒子的反转分布。
当反转分布达到一定程度时，通过光学谐振腔的反射作用，可以实现激光的正反馈放大，从而产生激光脉冲。
驱动电路的作用驱动电路的作用是提供适当的电流或电压信号，使激光介质能够产生所需的激发态粒子反转分布，从而产生脉冲激光。
驱动电路需要满足以下几个要求： 1. 提供稳定的电流或电压信号，确保激光器的稳定工作。
2. 控制激光器的脉冲宽度和重复频率，以满足不同应用需求。
3. 提供保护功能，避免激光器因过电流或过压而损坏。
驱动电路的设计电源设计脉冲激光器通常需要较高的电源电压和电流。
为了确保电源的稳定性和可靠性，可以采用稳压稳流电源或者直流稳压电源。
稳压稳流电源能够根据激光器的工作状态自动调整输出电流和电压，保持恒定。
直流稳压电源则需要通过电压和电流调节器手动调整输出参数。
控制电路设计控制电路主要用于控制激光器的脉冲宽度和重复频率。
其中，脉冲宽度由激光介质的特性和谐振腔的参数决定，可以通过调节激光介质的泵浦源和谐振腔的参数来实现。
重复频率则由驱动电路的时序控制器控制，可以通过改变时序控制器的频率来调节。
保护电路设计保护电路用于保护激光器免受过电流、过压等损坏。
常见的保护电路包括过流保护电路、过压保护电路和过温保护电路。
过流保护电路可以监测激光器的电流，当电流超过设定值时，及时切断电源以避免激光器损坏。
过压保护电路则可以监测激光器的电压，当电压超过设定值时，自动切断电源。
应用脉冲激光器驱动电路在许多领域中都有广泛的应用。
光纤脉冲激光器的原理
光纤脉冲激光器的原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊光纤脉冲激光器的原理。
想象一下，这就像是一场超级酷炫的光线大冒险！
光纤脉冲激光器呢，就像是一个特别厉害的光线制造大师。
它的核心部分就像是大师的魔法盒子，里面有很多神奇的东西。
首先呢，有个叫增益介质的玩意儿，就好像是提供能量的宝库。
它能让光线变得越来越强，就像给小树苗施肥让它茁壮成长一样。
然后呢，还有个反射镜，这就像是一个神奇的镜子，可以把光线来回反射，让它们在里面跑来跑去，不断积累能量。
当能量积累到一定程度的时候，就像水库的水满了一样，“噗”的一下，就发射出超级强大的脉冲光线啦！这些光线速度超快，威力超强，就像闪电一样厉害呢！
你看，光纤脉冲激光器的原理虽然有点复杂，但咱这么一比喻，是不是就好理解多啦？就像是一场有趣的光线游戏，是不是很神奇呀！。
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）。
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：
脉冲激光器工作原理
脉冲激光器工作原理
嘿，你问脉冲激光器工作原理啊？这事儿还挺神奇呢。
你看啊，脉冲激光器就像个小魔法师，能发出特别厉
害的光。
它里面有个小房间，装着一些特殊的材料。
这些材料
就像一群小勇士，准备大显身手。
当有电流或者其他能量进入这个小房间的时候，这些
小勇士就开始兴奋起来。
它们就像一群被唤醒的小精灵，
开始释放出能量。
这些能量会让材料里面的原子变得特别活跃。
原子们
就像一群调皮的孩子，开始跑来跑去，跳上跳下。
在这个过程中，原子会释放出光子。
这些光子就像一
个个小闪光弹，特别亮。
但是这还不够呢，脉冲激光器还有个小秘密武器。
那
就是一个小镜子和一个半透明的镜子。
这两个镜子就像两
个好朋友，一起玩游戏。
光子在两个镜子之间来回反射。
每次反射的时候，就
会有更多的光子加入进来。
就像一群小伙伴，越聚越多。
当光子的数量足够多的时候，半透明的镜子就会让一
部分光子跑出去。
这部分光子就形成了一个强烈的脉冲光。
这个脉冲光可厉害了，它可以用来切割东西、打标、
医疗啥的。
就像一把超级锋利的刀，或者一个神奇的画笔。
总之呢，脉冲激光器就是靠着这些小勇士、小镜子和
光子们的共同努力，发出了强大的脉冲光。
脉冲激光器操作规程
脉冲激光器操作规程一、引言本操作规程适用于脉冲激光器的使用和操作。
脉冲激光器是一种高强度、短脉冲的激光设备，具有广泛的应用领域，包括材料加工、医疗美容、科研实验等。
正确的操作和使用脉冲激光器对保障人身安全和设备正常运行至关重要。
本规程旨在提供一套可行的操作指南和注意事项，以确保脉冲激光器的安全操作和使用。
二、脉冲激光器的基本原理与组成1. 基本原理：脉冲激光器利用光学放大器将其它能量源（例如激光二极管、气体放电等）产生的光信号进行增益放大，得到高能量、短脉冲宽度的激光输出。
2. 组成：脉冲激光器主要由激光源、谐振腔、Q开关和输出耦合组成。
其中，激光源产生初始激光，谐振腔对激光进行稳定放大，Q开关控制脉冲宽度和重复频率，输出耦合将激光输出。
三、脉冲激光器操作前的准备工作1. 确认设备完整性：在操作脉冲激光器之前，必须检查设备是否完整、运行正常，各部分是否连接良好，没有明显的损坏或故障。
2. 操作人员准备：操作脉冲激光器的人员必须穿戴符合要求的个人防护装备，包括护目镜、防护手套、防护服等。
3. 环境准备：操作脉冲激光器的环境必须干燥、通风良好，并远离易燃物品和易爆物品。
四、脉冲激光器操作步骤1. 打开电源：按照设备操作手册的要求，正确打开脉冲激光器的电源，并确保电源供应稳定，符合设备的要求。
2. 启动激光器：按照设备操作手册的要求，依次操作启动激光器的开关，控制激光器的启停、模式选择和调节等功能。
3. 脉冲参数设置：根据实际需求，设置脉冲激光器的参数，包括脉冲宽度、脉冲能量和重复频率等。
4. 激光输出监测：在激光输出前，必须进行激光输出功率的监测，确保输出功率符合要求，并记录监测结果。
5. 操作安全保护：在操作过程中，必须遵守操作安全规范，严禁直接注视激光束，避免激光辐射对眼睛和皮肤的伤害。
6. 操作结束：操作完成后，按照设备操作手册的要求，逆序关闭激光器及相关设备，并将设备恢复至初始状态。
五、事故应急处理在使用脉冲激光器过程中，可能会出现突发状况或事故。
激光脉冲原理与调Q原理
激光脉冲原理与调Q原理按照输出激光的时间特性，激光器可以分为连续激光器和脉冲激光器，脉冲激光的脉宽主要是纳秒，微秒和飞秒。
连续激光器连续不断地输出激光，输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作(激光通信，激光手术等)的场合；以连续光源激励的固体激光器，以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属于连续激光器。
脉冲激光器：是指每间隔一定时间才输出一次激光的激光器，一般具有较高的峰值功率，适合于激光打标，切割，测距等应用。
常见的脉冲激光器包括：固体激光器中的钇铝石榴石(YAG)激光器，红宝石激光器，蓝宝石激光器，钕玻璃激光器等，还有氮分子激光器，准分子激光器等。
脉冲激光器的关键参数：平均功率：表征在一个完整的周期内(脉冲周期)能量输出的平均速率峰值功率：表征一个脉冲内(脉宽)输出的能量的速率脉冲周期：从一个脉冲开始到下一个脉冲的开始之间的间隔(和重复频率是倒数关系) (重复频率：每秒内输出的脉冲个数)脉宽：一个脉冲的持续时间(例如，一台激光器每秒内输出一个能量为0.5J的激光脉冲，那么它的平均功率就是0.5W；如果相同一台单脉冲能量为0.5J的激光器的脉宽为1微妙，那么它的峰值功率为500000W)脉冲激光器的分类：1.长脉冲激光器：长脉冲激光也被称为准连续激光器，一般产生毫秒ms量级的脉冲，占空比为10%(比较大)；脉冲时间通常为1.5—100ms不等，常用的长脉冲激光包括翠绿宝石激光，半导体激光，Nd:YAG激光，染料激光，红宝石激光，超脉冲CO2激光，铒激光等2．巨脉冲激光器(调Q激光器)：在激光腔体内人为的加入损耗，使其大于工作物质的增益，这时抑制激光输出。
但在泵浦源持续不断的激励下，激光上能级的原子数越来越多，得到了较大的粒子数反转，不断积累能量。
在撤除人为加入的损耗情况下，就会在很短的时间内以极快的速度产生脉冲宽度窄，峰值功率高的脉冲激光，通常称为巨脉冲。
调Q：调Q是许多商用激光器产生脉冲激光的主要方式，为研究出真正具有实用价值的激光器，需不断改进其性能，提高效率和功率、压缩脉冲宽度、改变输出频率。
脉冲激光器原理
脉冲激光器原理脉冲激光器是一种利用脉冲激光技术产生高能量、高重复频率脉冲激光束的设备。
它在科学研究、医学、材料加工等领域发挥着重要作用。
本文将介绍脉冲激光器的原理以及其在不同领域的应用。
一、脉冲激光器的原理基于激光共振放大过程。
其主要组成包括激光介质、泵浦源、光学谐振腔和输出耦合装置等。
下面将详细介绍各部分的作用和相应的工作原理。
1. 激光介质脉冲激光器中的激光介质通常选择具有较长寿命、较高喇曼增益和较大特征因子的材料。
激光介质通过受激辐射过程将泵浦能量转换为激光辐射能量。
2. 泵浦源泵浦源的作用是给激光介质提供能量，使其产生激发。
泵浦源通常是一种高能量、高频率的连续波激光器。
泵浦光通过光学谐振腔进入激光介质，激发激光介质中的原子或分子。
3. 光学谐振腔光学谐振腔由两个平行的反射镜构成，起到反射和放大激光的作用。
其中一个镜子是半透明的，用于输出激光束。
光学谐振腔还能够选择性地放大特定波长的光。
4. 输出耦合装置输出耦合装置用于将激光束从腔外释放出来。
它通常由半反射镜和透过镜组成。
半反射镜能够部分反射和部分透过激光束，而透过镜则使激光束通过。
二、脉冲激光器应用脉冲激光器在多个领域具有广泛的应用。
下面将分别介绍其在科学研究、医学和材料加工领域的具体应用。
1. 科学研究脉冲激光器在科学研究中广泛应用于光学测量、原子和分子物理学等领域。
例如，在超快光谱学中，脉冲激光器可用于测量光子和电子之间的相互作用过程。
此外，脉冲激光器还可用于研究激光等离子体和非线性光学现象。
2. 医学脉冲激光器在医学领域有许多应用。
例如，它可以用作激光手术器械，用于皮肤整形、眼科手术和牙科手术等。
此外，脉冲激光器还可用于医学成像，如光学相干断层扫描（OCT）技术，该技术在眼科、癌症诊断和血管成像中得到广泛应用。
3. 材料加工脉冲激光器在材料加工中发挥着重要作用。
通过调节激光脉冲的能量和重复频率，可以实现对不同材料的精确加工。
例如，它可以用于激光切割、激光焊接和激光打标等应用。
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nq q
c 2 L
, n q
c 2 L
增益曲线决定被放大光的频率范围n
振荡阈值条件决定振荡频率范围nos
n os n H G 0 (n )l
1
激光器的可能起振的振荡纵模数：
n os M n q
激光器的工作和输出特性 激光器的工作和输出特性——激光器的振荡模式和模式选择
T1=0 T2=T
In q
In q
L
G 0 (n q )l In q I s (n q ) 1
从激光器中输出的激光束光强为： I
out
(n q ) In q
1 T In q T 2
激光器的工作和输出特性
均匀加宽单模激光器的输出功率
从激光器中输出的激光束功率为：A是输出截面积
( n ) ATI out q nq
激光器的工作和输出特性
多普勒加宽单模激光器的输出功率——兰姆凹陷
当振荡模频率nq≠n0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-，对增益饱和起作用的光强Inq ＝ I+ 。
P ( n ) ATI ATIn q out q nq
模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。 纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。 纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。 单一纵模单色性最好。 横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。 不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。 基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。 随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。 一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光 的方向性，必须选出基横模。
匀分布。
若存在另一非优势纵模，其腔内光强波腹分
布与优势模的波节重合，而获得较高的增益,从
而形成较弱的振荡。由于轴向空间烧孔效应,不 同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产 生振荡,这一现象叫做纵模的空间竞争。
激光器的工作和输出特性——激光器的振荡模式和模式选择 激光器的工作和输出特性
激光器的模式选择
腔内非均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：
GD (n q , In q )
0 GD (n q )
1 In q I s (n q )
l
In q
G 0 (n )l 2 I s (n q ) D q 1
非均匀加宽单模激光器的输出功率为： P
当振荡模频率nq＝n0时,I+和I- 与同一类原子相互作用，同时参与了该类原子的 增益饱和，对增益饱和起作用的光强In0 ＝ I+ + I-= 2I+ 。
Pout (n 0 ) ATIn 0
1 ATIn 0 2
激光器的工作和输出特性——激光器的振荡模式和模式选择
激光器的纵模频谱分布
谐振腔的纵模频率：
模式选择的目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。
激光器的工作和输出特性——激光器的振荡模式和模式选择 激光器的工作和输出特性
激光器中的模竞争
增益曲线均匀饱和引起的自选模作用：多个满足阈值条件的纵模在振荡过程中 互相竞争,结果总是靠近中心频率v0的一个纵模得胜,形成稳定振荡,其他纵模都被
抑。
激光器的工作和输出特性 激光器的工作和输出特性——激光器的振荡模式和模式选择
均匀加宽激光器中的模竞争
增益的空间烧孔效应：由于谐振腔内的驻 波场分布，使得增益系数沿轴向呈现出不均
和损耗达到平衡，Iνq不再增加。这时，激光器建立了稳定工作状态。
如何增大激光器的输出功率?
当外界激发作用增强时，小信号增益系数G0(n)增大，即饱和光强增大，此时Inq必须
增加到一个更大的值才能出现增益饱和效应，使G(nq,Inq)降低到Gt并建立起稳定工作 状态，因此激光器的输出功率增加。
但是，不管激发强或弱，稳态工作时激光器的信号增益系数总
G 0 (n q )l 1 1 Pout (n q ) AI out (n q ) AIn q T ATI s (n q ) 1 2 2
激光器的激光输出功率与泵浦速率的关系：
T1=0
T2=T
G (n q )l
0
n0 Wp 0 Gt (n q )l nt Wpt
是等于GБайду номын сангаас ！！
激光器的工作和输出特性
均匀加宽单模激光器的输出功率
均匀加宽放大器的增益系数为：
G 0 (n q ) G (n q , In q ) In q l 1 I s (n q )
腔内均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：
In q In q In q 2In q
粗略估算输出功率的方法。
激光器的工作和输出特性
连续激光器的输出功率
激光器的稳定输出状态是如何建立起来的?
如果腔内某一振荡模式的频率为nq，开始时，G(nq,Inq)>Gt，腔内光强Inqh。当Inq增
至一定值时，出现增益饱和效应，随Iνqh，G(nq,Inq)i，直到降至G(nq,Inq)=Gt，增益
G (n q )l
0
In q
In q
L
Wp 1 Pout (n q ) ATI s (n q ) 1 2 W pt
激光器的工作和输出特性
非均匀加宽单模激光器的输出功率
多普勒加宽放大器的增益双烧孔效应：
Vz
n q n 0 n0
c
Inq分别与运动方向相反的两组原子相互作用，引起 增益饱和，出现“双烧孔”。
激光原理 II
——激光器的工作和输出特性
激光器的工作和输出特性
连续激光器的输出功率
按照工作方式不同，激光器分为两类:连续激光器、脉冲激光器。 以不间断方式输出激光即为连续式，每间隔一段时间才输出一次即为脉冲式 本章的内容： 一、连续激光器的输出功率、振荡模式特性和模式选择 二、脉冲激光器的尖峰和驰豫振荡、调Q和锁模的基本原理 由于激活腔内光强分布不均匀，精确计算腔内各点光强是个复杂的问题。本 节由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