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1、固体激光器基本特性,固体激光器,1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器,固体激光器,第一台红宝石激光器的拆卸图,固体激光器特点,运行方式多样：CW，PW，QCW，调Q，锁模，高平均功率，高重复率，高单脉冲能量及高峰值功率。谱线多，达数千条，分布于可见到近红外区，通过频率变换技术可到紫外区系统简单，制造容易，传输灵活，可接光纤结构紧凑，牢固耐用，价格适宜,1.固体激光器基本特性,1.固体激光器基本特性1.1固体激光器的基本结构和能量转换1.2固体激光器的阈值1.3输出能量（功率）、效率和最佳透过率1.4输出稳定性、光谱特性、偏振特性和方向性,1.1固体激光器的基本结构及能量转
2、换,激光器组成,固体激光器基本结构,激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔冷却与滤光,固体激光器的能量转换,量子效率,优质红宝石:0.7 普通红宝石:0.5钕玻璃:0.4 YAG:1,第一台红宝石激光器的拆卸图1固体激光器的基本结构及能量转换为防止腔内元件损坏，易采用高透过率。结构紧凑，牢固耐用，价格适宜固体工作物质杂质，应力，激活离子分布不均等缺陷引起的散射和折射A21 B12 B21单位时间内损耗的粒子数密度损耗系数=i+a连续YAG：510A21 B12 B21质量好的工作介质和精心调节谐振腔可减小A21 B12 B21A21 B12 B21S32W13,n3=0各向同性介质在应力及热效应作用下
3、导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。脉冲YAG：6080A21 B12 B21,斯托克斯损失或斯托克斯比,输出耦合系数,1.2固体激光器的阈值,黑体辐射,黑体辐射,波耳兹曼分布,波耳兹曼分布,能级简并：,爱因斯坦系数,爱因斯坦系数,固体激光器的损耗,透射损耗(T)工作物质的吸收，散射（i）其它元件的反射、吸收、散射及衍射损耗（a）损耗系数=i+a,固体激光器的损耗,总往返损耗率：,无透射损耗率：,固体激光器的损耗,/对于某些情况，T可忽略,固体激光器的阈值,阈值条件：,固体激光器阈值,固体激光器阈值,受激辐射截面,固体激光器阈值,三能级系统阈值,S32W13,n3=0,n1+n2=nto
4、t,n=n2-n1(g2/g1),三能级系统阈值,四能级系统阈值,调Q状态不成立,脉冲泵浦的阈值能量,若泵浦期间的自发辐射可以忽略,连续器件的阈值功率,单位时间内泵浦到E2上的粒子数密度,单位时间内损耗的粒子数密度,三种工作物质的阈值比较,工作物质尺寸：6mm100mm，损耗系数0.01，输出镜透射率T0.5，L0.5，c0.8，ab0.2,影响阈值的因素,工作物质的种类三能级阈值高于四能级阈值损耗系数对三能级系统影响小对四能级系统影响显著。质量好的工作介质和精心调节谐振腔可减小Lcab提高发光效率提高聚光器效率提高光谱匹配效率输出镜反射率R增大R可减小阈值,综合泵浦系数,工作物质横截面面积,
5、对于四能级系统,1.3输出能量（功率）、效率和最佳透过率,输出能量,输出功率,斜（率）效率,斜（率）效率,总效率,最佳透过率,当输入不变时，能得到最大输出的输出镜透过率称为最佳透过率(Topt)，对应的最佳反射率用Ropt表示。,四能级系统,最佳透过率,最佳透过率,A21 B12 B21A21 B12 B21结构紧凑，牢固耐用，价格适宜多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模工作物质的吸收，散射（i）各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。第一台红宝石激光器的拆卸图对四能级系统影响显著。质量好的工作介质和精心调节谐振腔可减小2788E-20 cm2对四能级系统
6、影响显著。,透过率选择,输出能量(功率)高，透过率高。为防止腔内元件损坏，易采用高透过率。依据经验用实验方法确定透过率连续YAG：510脉冲YAG：6080脉冲钕玻璃：5060%脉冲红宝石：4060依据最佳透过率公式T1，2l1，有解析公式（三能级公式可参考“激光器件”）T较大，或2l不远小于1时，无法得到解析解,1.4输出稳定性、光谱特性、偏振特性和方向性,输出稳定性长期稳定性工作物质劣化泵源老化聚光器污染谐振腔失调短期稳定性电源不稳灯触发强度变化阈值附近工作外部光学元件反馈激光棒热效应高频起伏驰豫振荡,光谱特性,多纵模工作空间空穴效应高增益多模利用充分利用了反转粒子数，有利于锁模高注入，高输出伴随激光线宽增加,激光束方向性,衍射极限倍数因子M2,影响激光方向性因素,高增益带来的高阶离轴模振荡固体工作物质杂质，应力，激活离子分布不均等缺陷引起的散射和折射光泵浦不均匀导致反转粒子数不均匀，引起折射率不均匀热透镜的会聚作用使发散角增大谐振腔的调整精度,激光的偏振特性,偏振性主要取决于工作物质各向同性介质在应力及热效应作用下导致应力双折射，激光输出具有部分偏振特性。在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有偏振性,
