《激光器件》課件第5章

5.1固體激光器的基本原理

5.2固體激光器的基本特性

5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)

典型的燈泵固體激光器結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，其基本結(jié)構(gòu)由工作物質(zhì)、泵浦光源和諧振腔等三部分組成，另外還有電源、聚光腔、濾光系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。5.1固體激光器的基本原理

圖5.1燈泵固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖5.1.2固體激光器的能量轉(zhuǎn)換

固體激光器是通過電源系統(tǒng)使泵浦光源發(fā)光，將發(fā)出的光能量經(jīng)聚光系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，被其中的摻雜離子共振吸收而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在諧振腔中形成激光振蕩。在這個(gè)過程中，泵浦光源的發(fā)光效率或電光轉(zhuǎn)換效率ηL約為50%，該效率與電源的結(jié)構(gòu)、類型及泵燈的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)有關(guān)；聚光腔的聚光效率ηc約為80%，該效率與聚光腔的類型、內(nèi)表面反射率、泵燈與工作物質(zhì)的匹配情況及冷卻濾光的能量損失等有關(guān)；激活離子的吸收效率ηab約為20%，該效率取決于激活離子的吸收譜帶、工作物質(zhì)的體積、激活離子的濃度；激活離子的熒光量子效率η0

是離子吸收光子到發(fā)射光子之間的總量子效率，與離子的泵浦能級(jí)向激光上能級(jí)的碰撞弛豫概率η1及激光上能級(jí)通過輻射躍遷至激光下能級(jí)的概率η2有關(guān)。激活離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了激光器的發(fā)光特性，通?？煞譃槿芗?jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)兩類，如圖5.2所示。

W為受激躍遷速率，A為自發(fā)輻射躍遷幾率，S為非輻射躍遷幾率。對(duì)三能級(jí)離子系統(tǒng)有

(5-1)對(duì)四能級(jí)離子系統(tǒng)有

(5-2)

對(duì)三、四能級(jí)離子系統(tǒng)均有

(5-3)5.2.1固體激光器的閾值

由反射率分別為R1、R2的反射鏡組成的諧振腔(腔長為L)和工作物質(zhì)等構(gòu)成的激光振蕩器，在工作過程中表現(xiàn)出各種損耗，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)只有達(dá)到足夠程度才能建立激光振蕩，

即達(dá)到閾值。其主要參數(shù)有閾值增益、閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)等。5.2固體激光器的基本特性

(1)輸出鏡的透射損耗為

T=1-R

(5-4)

式中，R為輸出鏡的反射率(設(shè)全反射鏡的反射率為1)。

(2)工作物質(zhì)的內(nèi)部損耗率為

β=1-exp(-2αL)

(5-5)式中,α為工作物質(zhì)的損耗系數(shù)，它包括工作物質(zhì)的非共振吸收、散射、衍射損耗及諧振腔的失調(diào)等。諧振腔的總損耗為

(5-6)光在諧振腔內(nèi)往返一次所產(chǎn)生的光強(qiáng)為

I=I0·R·exp［2(g0-α)L］(5-7)

式中，g0為工作物質(zhì)的小信號(hào)增益，當(dāng)I=I0時(shí)，則光在諧振腔內(nèi)剛好起振。閾值條件為

R·exp［2(g0-α)L］=1

(5-8)閾值增益gth為

(5-9)5.2.2固體激光器的增益飽和和飽和光強(qiáng)

激光振蕩的形成是由于腔內(nèi)某一自發(fā)輻射光子在腔內(nèi)增益介質(zhì)中引起受激輻射和腔的正反饋，使腔內(nèi)光強(qiáng)迅速增加，激光器處于非穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)受激輻射消耗激光上能級(jí)粒子數(shù)與其他弛豫過程相比擬時(shí)，會(huì)使增益降低，這種現(xiàn)象稱為增益飽和。在穩(wěn)態(tài)下，泵浦使激光上能級(jí)粒子數(shù)增加和受激輻射使激光上能級(jí)粒子數(shù)消耗的速率相等，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布Δn和腔內(nèi)υ光子數(shù)密度N達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，增益為

g(υ,υ0)=σ21(υ,υ0)·Δn

(5-10)(1)均勻加寬紅寶石晶體的三能級(jí)系統(tǒng)的相對(duì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和增益分別為

(5-11)

(5-12)

小信號(hào)情況下，即N=0，代入得

將g0代入式(5-12)中可得

(5-13)

(2)四能級(jí)系統(tǒng)的相對(duì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為

(5-14)按照增益的定義，同樣可得到與式(5-12)形式相同的飽和增益表達(dá)式。由于四能級(jí)系統(tǒng)常有，飽和光強(qiáng)可表示為

(5-15)5.2.3固體激光器的弛豫振蕩

無論是脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)還是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器，最主要的

動(dòng)態(tài)特性是弛豫振蕩現(xiàn)象。如圖5.3所示是燈泵釹玻璃脈

沖激光器的輸出波形和周期為50μs的正弦時(shí)標(biāo)。

現(xiàn)在用圖5.4來說明不規(guī)則短脈沖的形成過程。圖5.3脈沖激光器輸出的尖峰結(jié)構(gòu)圖5.4弛豫振蕩的峰值特性因此可以忽略受激輻射對(duì)激光上能級(jí)粒子數(shù)n2的消耗，

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)速率方程可以寫為

(5-16)隨著光子密度增大，受激輻射成為主要因素，但在一個(gè)激光短脈沖寬度范圍內(nèi)，泵浦效應(yīng)可以忽略，因此在實(shí)際的激光短脈沖過程中，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度Δn和光子數(shù)密度N的速率方程可以寫成

(5-17)

(5-18)5.2.4固體激光器的輸出光束質(zhì)量

與其他激光器相比，固體激光器工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)會(huì)引起輸出光束參量隨泵浦功率變化，基模高斯光束的光斑尺寸往往遠(yuǎn)小于工作物質(zhì)的橫向尺寸，會(huì)使固體激光器工作于多模狀態(tài)，造成固體激光器的輸出光束質(zhì)量較差。5.2.5固體激光器的光譜特性

激光器在工作過程中，參與激光振蕩的模式與工作物質(zhì)的熒光線寬、諧振腔結(jié)構(gòu)、泵浦水平等因素有關(guān)。由于諧振腔模式的駐波結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)空間分布的不均勻，而這種不均勻性的弛豫是很緩慢的(約為10-4s)，從而造成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和增益的空間燒孔，使激光器的振蕩模式表現(xiàn)為多模式振蕩。

固體激光器的增益線寬通常較大，所包含滿足閾值的諧振頻率很多，如圖5.5所示為紅寶石激光器輸出的波長成分。圖5.5紅寶石激光器輸出的波長成分5.2.6固體激光器的偏振特性

固體激光器輸出激