激光器的热透镜效应讲解

新型光学谐振器和热透镜效应

Thomas Graf Rudolf Weber, and Heinz-P. Weber 应用物理研究所，Beme Sidlerstrasse 5大学，CH - 301 2 Beme，瑞士

概要

激光谐振腔支持稳定的振荡的最大功率范围主要是由活性介质（热）材料常数和冷却方法所决定。通过控制稳定的基本模式操作的功率范围，可以转移到更高的能量，具有特殊的腔设计和腔内光学但稳定范围的宽度不会受到影响。此外，在泵的活性介质强度增加也加剧了非球面元件的热诱导的扭曲。因此，开发新颖的谐振器时，分析这些热效应具有重大意义。我们目前对热诱导的扭曲，一种新型的多棒激光腔，变量配置的谐振器（VCR）进行分析。对热效应进行了数值模拟和实验的研究。我们目前对各种抽水和冷却方案进行比较后发现复合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷却。VCR被开发调控基本模式激光器的功率范围。由于其能力作为法布里- 珀罗谐振器，它克服了稳定性与传统的多棒谐振器相关的问题，并允许一个新的Q开关技术作为一种环形腔运行。

关键词：固态激光器，二极管泵浦激光器，光学谐振器，热透镜效应，热致双折射。

1.介绍

二极管泵浦固态激光器，有着广泛的工业和科学应用。二极管激光器价格的不断下降，应用正在扩展到高功率范围。此外，泵浦方式的改善使二极管激光辐射高效和紧聚焦到激光材料。由于大量吸收功率，这将导致强烈的局部加热。因此，在固态激光材料的热效应已经获得了相当高功率，半导体激光泵浦全固态激光器作为一个发展中的关键问题的重要性被提高。

选中激光材料后，热效应只与冷却的方法有关，然后必须采用适当的谐振器设计。我们在下面的实验和数值调查报告二极管激光的热效应泵浦全固态激光器和特殊的光学谐振器的发展。热透镜效应和应力引起的双折射用于比较四种不同的冷却技术。完全验证的数值有限元（FE）代码，它也适用于区分不同的热透镜效应的贡献- 比如弯曲的表面和折射率变化与温度和应力性曲折分析高功率激光器的功率调整的极限。进一步的功率调节功能则需要使用更长的侧面泵浦激光棒多棒谐振器的使用。多棒谐振器特别适合规模在几十瓦的顺序输出功率，高光束质量的激光器的输出功率。在这种情况下，热扭曲分发到几个激光棒，在同一个腔泵的功率降低。我们报告一个独特的激光谐振腔，变量配置的谐振器（VCR），他具有反向泵浦多棒谐振器的可调性。特别是录像机的稳定性能与传统的多棒的法布里- 珀罗谐振解决了严重的稳定性问题，并允许一个新的Q开关技术。在下面的章节中，我们将首先考虑球面镜片的近似热引起的扭曲，并讨论TEM0模式激光器的规定下能量的限制。

我们对不同的激光棒的冷却方法进行了比较。热致双折射所造成的损失在短期内第3节中讨论。

2．近似球面透镜端面泵浦Nd ：YAG 激光器不同冷却方案 数值模拟比较采用热致端面泵浦Nd 束扭曲：YAG 激光棒图1所示为不同的冷却方法。首先FE 代码SESES 的数值计算结果与实验结果进行比较验证，然后比较采用不同的冷却技术，在相同条件下的有限元模拟。热诱导的平均镜头电源限制在本节结束讨论。

2.1．有限元计算验证

最常见的冷却方式激光棒是包裹在铟箔（我们的例子厚100pm ），并安装如图所示的冷却底座上。传热系数h=1.5W.c . 推导出铟棒表面接触系数。非制冷泵杆的表面，与周围的空气接触，只提供了一个非常薄弱的冷却(h = 0.005 W.cm^(-2).K^(-1)).在图1b 中，端面泵浦的杆在边缘和末端被水冷却（20毫米长，直径9.5毫米），如果水的流速是2L/MIN 并且冷却棒的直径是16mm 那么传热系数可以算出是h=1.0 W.cm^(-2).K^(-1)，在图C 中棒（20mm 长9.5毫米直径）仍然是与水直接冷却的边缘，但部分水冷却是依靠紧密安装在冷却泵浦表面泵杆面蓝宝石板（1毫米厚的），蓝宝石板表面进行了λ/10抛光。如果没有HR 涂激光波长的激光棒端面，蓝宝石板必须用AR 镀膜。由于高杆的表面质量和蓝宝石板，没有水渗入两种材料之间的区域。

表1：受调查的四个不同的冷却方法的计划，a ）“非致冷”：铟箔包裹的激光棒安装在水冷铜散热器，泵的表面未被致冷 b ）“水冷”：圆柱面和泵浦的激光棒的表面与水直接冷却 C ）

“蓝宝石板冷却”：蓝宝石板压住泵杆面，杆和部分蓝宝石板进行水冷却d ）“复合棒”：激光棒的两端未掺杂。棒是用水冷却的边缘。

图2：计算（线）和测量（点）根据非激射条件的OPD。（一）水冷式杆泵功率15 W。（二）蓝宝石板冷却泵功率15 W。（三）复合棒与泵浦功率25 W。虚线计算H =1.3 W.cm^(-2).K^(-1)) “（而不是1.0 W.cm^(-2).K^(-1))”。随着1 1/mim的水流量和冷却装置直径23毫米，推导出在与水接触的所有表面传热系数H =0.67 W.cm^(-2).K^(-1))

根据11/mm的水流量和一个直径23毫米的FBR冷却装置，推导出在与水接触的所有表面传热系数H =0.67W.cm^(-2).K^(-1)) ，最后，在1d图中的边缘冷却的激光棒泵浦末端部分是保持未掺杂的，直径为4毫米的复合棒由一个16毫米长，10.3％掺杂的中心部分，和每边5毫米的未掺杂部分，随着0.41/mm水流量和一个直径6毫米的冷却装置，推导出棒和水之间的传热系数h=1.0 W.cm^(-2).K^(-1))，我们将把这些不同的泵浦棒表面的冷却方法分别分为“非致冷”，“水冷却”，“蓝宝石冷却板”和“复合棒”，棒的中心使用DL-50泵浦其规模为0.96 x0.68 mm2，发散角是235 mrad x 96 mrad，在808纳米中心的相对广谱的1.04％掺杂棒的平均吸声系数为3.5c，对于10.3％掺杂复合棒，吸收系数为4.5 c

图2显示了空间分辨的干涉测量（点）和计算（实线）光学路径的差异，非激射条件下（OPD）在飞机具有较大的泵光斑直径的结果为三种情况（一）水冷却，，（二）蓝宝石板冷却，及（c）复合棒，很好的计算和测量OPD之间的办法是实现所有三种冷却方式。请注意，热透镜只依赖于OPD的形状，而不是其绝对值，。

一个理想的薄透镜OPD是抛物线形。正如在参考文献9所讨论的，在一阶近似，一个长度为L的纵向泵浦棒的热透镜可以形容为薄理想的镜头之间夹在两个不失真激光棒的长度为L/ 2件（空气中）。这个理想透镜近似焦距的解析表达式是：

其中P是吸收的泵浦功率，二是P的分数转换为热能，WP为泵点半径和C是一个常数称为特定的焦距。这种特定的焦距只取决于冷却方法和材料和激光棒的常量。常数，i在1.04%掺钕：YAG激光和非激光条件下，分别等于0.32和0.43，利用光束传播法，平均热透镜可

在激光条件下测得，等价于一个抛物线最小二乘拟合计算OPD。这分别产生了特定的焦距约2400,3300和2900mmW/mm2的水冷，蓝宝石板冷却，以及复合棒。从实验和FE代码的平均热透镜之间的协议在整个泵的范围内，所有的冷却方法，所有实验的几何实验中最好。这些值不能直接比较，因为实验条件和几何形状不同的冷却方法不相同。但良好的协议之间的

实验和数值模拟提供了良好的效果，FE代码产生逼真的效果，因此可以被用于不同的情况作进一步的数值分析。

2.2．冷却方法的比较

除了使我们能够比较在相同条件下的冷却方法，有限元分析允许获得热加载的激光棒的机械和光学性能的详细信息，单独的热透镜效应，如不同的贡献，弯曲的表面和应力引起的扭曲。如图1所示的四种不同的冷却技术相比，使用下列条件的Nd：YAG棒直径9.5毫米和20毫米的长度。复合棒由5毫米长的一块未掺杂的YAG激光泵浦棒为表面。表面与水和空气接触，其传热系数分别为0.67和0.005 W.cm^(-2).K^(-1))。15W吸收泵功率的泵模块有DL-50

光束特性和吸收系数3.5 c。

图3.屈光度功率，在Nd：YAG激光对不同的冷却方法分为从热的一部分，造成末端表面的弯曲。水泵功率：15瓦，棒直径：9.5毫米，泵的光斑直径：0.96毫米。杆与非致冷泵浦端面的温度分布计算，最高气温在端面中心与上述冷却水的温度最高值的59.5 K。任何冷却泵表面，大大降低了在杆的末端附近的温度。位于杆内部的是最高温度。水冷显示减少了约25％的最高温度。蓝宝石板冷却减少量约20％。取得最大的温度降低约35％的复合棒，是通过掺杂区流走热的一个重要组成部分。图3有四种不同的冷却方法的平均球面镜片比较。总屈光力（D= 1 / F）的热诱导镜头已被分隔在一个纯粹的热的部分，引起产生折射率的温度趋向性，以及泵浦端面弯曲的表面所造成的最终的效果。应力引起的折射率变化相对较弱，并没有热透镜显着的贡献。应力双折射是在第3节中讨论。由图3可见，镜头的热冷却方式的影响不显着。屈光度功率大约是所有的方法都是相同的，并有一个约2.2米（F =450毫米）的值。这意味着，径向温度梯度对所有冷却的方法泵当场程度几乎相同。相比之下，影响最终的效果是非常明显的冷却方法。泵浦表面的弯曲，从而相应的屈光度力量是非常强的非致冷杆和水冷仍然重要。但它大大减少蓝宝石板冷却，甚至是复合棒。

2.3．由于热透镜效应的功率限制

TEM00模半径内的光学谐振腔的热透镜的屈光度电源不同，测量的热透镜的变化位置显着，被无限的稳定范围的边缘，介于两者之间采用最低。屈光度的最大功率范围内，其中包含一个单一的热透镜激光谐振器（但不包括自适应光学）是稳定的，是由

其中D是热透镜屈光度功率而λ是激光波长。方程（1）给出了在激光棒的谐振支持稳定的振荡吸收功率范围的限制。对于一个具有N棒的激光谐振腔吸收稳定运行的最大总功率

范围，因此有

在整个稳定范围内运作的基本模式，谐振器必须设计TEM0模式的半径是永远不会小于泵光斑半径，即WP = WMM因此，基本模式操作的稳定范围是有限的到

由方程（4），没有量的腔设计，可避免此限制。其中一个谐振器支持稳定的基本模式振荡的功率范围是完全取决于激光棒，激光材料的具体焦距（因此冷却的方法和材料特性）和吸收小数?泵浦功率转换为热能。对于边缘冷却的Nd：YAG（TI= 0.32）杆无脸冷却（见图IA）

泵的最大功率范围内稳定的基本模式操作被认为是激光棒的19％，W（cf=1400 mm.W/m）在第4节讨论一种新型的谐振器，是专门为使用多棒谐振器的功率缩放的.

3．应力和应力双折射

虽然折射率的应力引起的变化不显着贡献的热透镜，他们有一个光的偏振的强烈冲击。应力双折射，因此可能导致显着的功率损耗

图4.。兆帕最高的主应力分布。两个等压线之间的差别是8.5兆帕。箭头指示的拉应力的最大值及其位置。水泵的功率是15瓦，集中到一个与直径的0.96毫米的点。吸声系数是

3.5c

图5.双折射非致冷端面泵浦功率在50 W的激光棒A）测量和B）与泵的光斑半径为0.5毫米计算。C）计算泵的光斑半径为1.5 mm的双折射。亮的地方对应的去极化损失。

激光谐振器与偏光元素。热致双折射是由于更强大的内在双折射，可以忽略不计非各向同性的激光基质材料。然而，由于激光棒断裂极限，热致应力，拉伸应力，特别是始终对泵浦功率的限制，YAG断裂极限约为150MPa的拉应力（负值对应的压应力）。对于不同冷却方法ND;YAG棒的最高压力分布将在图4讨论。晶体结构，泵浦功率和泵光束特性和前面的比较相同。大的拉应力出现在非制冷和水冷棒的情况下，最大值分别为为29 MPa和37 MPA，。这两种方法都显示泵的冷却水在压力的30％增加表面的中心附近发生最大应力。其他两个冷却方法显示出杆液压缸的表面，约2-3毫米，这是位于远离泵浦末端约14兆帕显着降低最大应力的地方。这些数字清楚地表明，固态冷却泵表面是非常有效地减少了在激光棒的拉伸应力。和50瓦的泵与双通后，在非制冷端面（图1A）的激光棒热致双折射偏光片有去极

化损失，如图5所示。定性测量（图5a）和模拟（图5b）的连接是目前正在开展的非常好

的定量比较。在图5a中出现热诱导的镜头的同心条纹。在计算结果只考虑了双折射。图5a 和5b，泵的功率是在一个半径为0.5毫米的泵产生。对于图5c泵心半径为1.5 mm。所有三个图片的晶体直径9.5为毫米。有限元模拟被用于比较不同的冷却方法下激光棒的去极化损失，对于一个固定的泵WP光斑半径=1毫米，一个15瓦的泵功率，三个不同情况下：非致冷端面，水冷端面的光束半径WB遭受损失的分布，和复合棒如图6所示。作为一个经验法则，人们发现，如果WP和WB都小于一半的激光棒的半径，那么复合棒导致去极化损失少。水冷或者非致冷方法在光束半径大于杆半径的一半的情况下受到青睐。综上所述，考虑到平均热透镜和热致双折射，复合棒将在端面泵浦激光器具有实际情况的最佳性能。我们还发现，

长度

图6交叉偏光片与光束半径不同的冷却方法的去极化损失。泵的光斑半径为1 mm和泵浦功率为15 W。

杆的掺杂的结尾部分不应该比激光棒半径短，以避免泵的端面弯曲。

热应力对最终的权力限制在激光材料的拉伸应力引起的断裂。对于侧泵浦Nd：YAG激光器在809 nm的泵浦，这个限制范围从150瓦左右，以每厘米的杆泵功率约300 W，主要取决于材料的质量和方法（如抛光或化学其表面蚀刻）。因此，进一步的功率调整涉及使用长棒多棒腔的发展。在下面一节讨论一种新型的多棒中的稳定性明显优于传统的线性的法布里- 珀罗多棒谐振腔。

4．可变配置谐振器

变量配置的谐振器（VCR），最初的开发是以缩放端面泵浦的基本模式激光器功率为目的。由于其特殊的稳定性能也非常适合侧面泵浦的高功率激光器的功率缩放。我们本来建议参考13这个新的谐振器架构，连同初步的实验结果。参考14有从优化设置的研究结果。VCR可以在法布里- 珀罗配置，或作为一个环形谐振振荡。由于在不同的两种配置稳定的条件下，VCR克服一些通常与法布里- 珀罗型多连杆谐振稳定性问题。随着普克尔盒VCR之间进行切换的两种配置（因此得名），它提供了一个新的Q开关技术的机会。相比之下线性多棒谐

振器，VCR，激光棒，由于谐振器的几何形状容易折叠所以很容易实现端面泵浦。VCR一个三杆的版本显示在图7a。三个激光棒（LC）端面泵浦泵束PB。要描述通过VCR的路径，它是有用的考虑之一VCR十字结构的边发生的事情。因为它有一个四分之一波片的双通镜子光偏振片P将反映在OC臂（在C臂或者OC臂的返回光路上安装偏光板。（量子阱的过程中）也将有其偏振翻转90 °。这意味着，光，如果最初通过偏振分束P传输，其返回到偏振片，反映，反之亦然。因此，每当有一个到位的四分之一波片的光将被迫入展VCR下一个臂，而不是回到它来自何处。如果在所有四个四分之一波板，轻者会遍历所有四个VCR臂序列。这意味着，该谐振器在环配置（往返行程：?????)。然而，四分之一波板在缺少一只臂时，反射的光线在镜边将从来处将其返回，因为它不会有其极化翻转。在这种情况下，我们有一个法布里- 珀罗谐振器没有底镜

图7.一）三杆版本变量配置的谐振器（VCR）。PB：泵束，立法会：激光晶体（杆），C：涂端面的激光棒（激光辐射AR泵辐射HR），P：偏振片。量子阱：四分之一为波板，OC输出耦合。二）稳定G -图VCR。灰色阴影区是稳定的法布里- 珀罗配置区域，点面积环配置的稳定区域。QS是一个合适的配置Q开关点。四分之一波片构成的法布里- 珀罗腔（往返，如果量子阱?缺少的两端：第十一??????).请注意，偏振片P和四分之一波片的量子阱之间的线性偏振模式并不是唯一可能的偏振态。一个详细的分析表明，也有一个圆极化模式，在P的位置，即模式可以描述为两个部分传播组件的线性叠加，但相互正交极化事实上，VCR都配置总是散发出完全非极化辐射。不同的可能适应VCR，使线性极化输出将在以后的篇章报告。录像机还可以扩展到超过三月底使用额外偏振片每增加偏振片P.的泵浦激光棒，激光棒的数量可以由两个增加。从图7a中可以看到，VCR的优势之一是它可以端面泵浦很容易，它允许高效的TEM0操作模式。在传统的线性多棒谐振器，棒，只能使用分色光束分离器耦合到激光轴泵辐射纵向泵浦。还值得一提的是，VCR热致双折射不会导致功率损耗。去极化光耦合谐振器，它只是在相反的方向传播。也许最有趣的VCR特性是在稳定的条件下，两种配置之间的差异。稳定的法布里- 珀罗配置情况。

其中，G1和G2是众所周知的谐振器的参数，是代表稳定，如图7b所示的G -图中的灰色阴影区域。它可以很容易地显示，环形谐振腔的稳定条件。

—2

这种稳定的条件是代表由图7b中的虚线区域，并提供了比传统的线性多棒的法布里- 珀罗

谐振器的重要优势。为了有一个单一的，连续功率范围内稳定的振荡，一个多棒的法布里- 珀罗谐振器必须满足以下条件：它必须是绝对对称的（G1，G2），所有的热透镜必须是平等的，热透镜等距离整个谐振器，以及飞机结束之间的距离镜腔和最近的热透镜必须正好是两个相邻的热透镜之间的距离的一半。只有在这些条件下，谐振器与不同的泵浦功率P1和P2（图7b）之间的直线，没有离开灰色稳定区域。更确切地说，与泵浦功率的增加，谐振器的G -图表示将P1和P2两个转折点之间和背部有多次有杆腔临行前在任P1或P2的稳定区域，只要一个轻微的不对称是这个谐振器，也不会再按照直线图7b，但遵循一个稍微复杂的跟踪，留在共聚焦点附近的每一个阶段（GI = G2= 0）的稳定区域，频率较低，在PI和P2点。对于一个有N个棒腔，由方程（4）稳定的振荡功率范围将被分成2N单独和小功率范围。可以从图7b点缀面积的非对称谐振器不会导致附近的焦点ifthe谐振环配置任何稳定性问题，因为点与G1= G2= 0的稳定区域中为环形腔。这意味着，VCR不仅是一个多棒谐振器，可以很容易地端面泵浦，它也解决了显着的稳定相关的问题与多连杆的法布里- 珀罗谐振。由于折叠的几何形状，它也可以让一个非常紧凑的设置。泵浦Nd：YAG激光棒VCR（3毫米直径，10毫米长）在我们的实验与光纤芯直径的光纤耦合二极管激光棒（JOLD- 15- CPXF- 1L，德国耶拿，德国）600时，数值孔径为0.2。非制冷泵的棒端面（图拉）。输出耦合器（OC），有80％的反射率。杆LC（X）的业主立案法团和结束之间的距离是14.5厘米和立法会?和LC?两端之间的距离29厘米。（环和法布里- 珀罗）在这两种配置，在泵的最大功率的激光棒（泵总功率为27瓦），9.0 W每一个基本模式，输出功率10W。这相当于一个良好的光效为37％。光- 光的斜率效率为53％。由于在第二单元中讨论的复合棒的优势，我们最近使用的Nd：YAG激光棒5毫米长的非掺杂结束。泵浦Nd：YAG激光棒VCR（3毫米直径，10毫米长）在我们的实验与光纤芯直径的光纤耦合二极管激光棒（JOLD- 15- CPXF- 1L，德国耶拿，德国）600pm和数值孔径为0.2。非制冷泵的棒端面（图拉）。输出耦合器（OC），有80％的反射率。杆LC（X）的业主立案法团和结束之间的距离是14.5厘米，LC和LC?末端之间的距离是29厘米。（环和法布里- 珀罗）在这两种配置，在泵的最大功率的激光棒（泵总功率为27瓦），9.0 W每一个基本模式，输出功率10W。这相当于一个良好的光效为37％。光- 光的斜率效率为53％。由于在第二单元中讨论的复合棒的优势，我们最近使用的Nd：YAG 激光棒5毫米长的非掺杂末端。随着复合棒的最大输出功率为16 W的法布里- 珀罗配置和15 W与环附近的基本模式的光束质量配置。这些结果是有限的38 W最大可用泵总功率（每份晶体12.7W）。光效率测定，分别为42％和39％的法布里- 珀罗和环配置。由于较大的比我们预期的基本模式的输出功率和40％以上的光学效率的20-30 W将与三杆VCR获得通过增加总的泵浦功率复合棒的焦距。

由于环和法布里- 珀罗谐振器不同稳定的条件下，VCR提供了一个新的Q开关技术的可能性。由此可以看出，从图7b，有稳定G -图VCR是稳定有一个配置，但在其他配置不稳定的地方。如果，例如，VCR是在QS图7b所示设立明显不对称谐振点运行，激光，是不稳定的法布里- 珀罗配置（低Q）和稳定环配置（高Q）。此配置的Q开关技术已被用来在VCR

包含三个钕：YAG激光棒与非致冷端面。随着泵总持续时间为20 ns和一个脉冲能量0.78mJ （因而峰值功率为39千瓦）的功率为24瓦，脉冲重复率在200赫兹。在6.7 kHz的重复率，平均输出功率为3.0 W与0.45兆焦耳/40 ns的脉冲。这些结果表明，配置Q开关是一种有效的重复Q开关为进一步优化设置提供承诺VCR激光的新方法。

5.高电源侧泵浦激光器

虽然基模激光器的输出功率可使用端面泵浦激光棒VCR，远高于缩放的权力，可以实现使用侧泵浦棒。与泵送方的主要问题是防止高的横向振荡腔的模式，以避免光束质量的退化。这涉及到双方的优化，泵的配置和谐振器模式的特点。为此，我们已经开发出一种新型泵和可扩展计划，我们称之为转导，并结合横向复合激光晶体中掺杂的YAG棒的掺钕核心，这是用来集中在该中心的增益激光介质。图8a所示的转导系统是在Paralas系统中使用的抽水计划的改善。Paralas激光输出功率205W，38％的光- 光效率。转导包括三个重点元素，允许地方三个二极管激光栈杆周围。这些栈通常提供约160W功率泵每堆叠高度（只有一个栈如图8a所示）每厘米。（慢轴）交界处的平面布置垂直轴杆。在这架飞机中，二极管的辐射聚焦到与杆轴的圆柱形玻璃表面。在快轴，二极管的辐射仅仅是局限于单片转导体的平面抛光。三倍的几何形状，确保同质抽杆的中心，因为一个堆栈产生的非均匀泵浦的效果，是其他两个栈补偿。一方面，这有助于减少热透镜的非球面像差。另一方面，它允许高效的激光棒抽水的要求，在不降低泵杆直径的几何重叠和激射模式的重大损失，位于中心转导杆本身和四周是由其中包含了冷却水的通道。请注意，这样的安排并不需要为快轴准直器等任何额外的光学，而无动于衷二极管不对。此外，它允许使用非常高的泵浦功率，单位杆长度。单位杆长度泵浦功率可以部分调整，通过适当选择的转导体的厚度。在目前的实验中，分别用三栈包含三个二极管激光棒。他们提供了一个泵总功率200瓦的转导体的厚度8毫米导致泵的最大功率每单位250 WIcm杆长度。在实验中使用的复合棒图8b所示。使用5％的输出耦合泵总功率200 W的19.6％，光- 光的斜率效率获得，这是与侧泵浦的配置相媲美的33.0 W 的最大输出功率与M2= 9复合板。

图.转导抽水计划（a）和侧面泵浦复合材料的Nd：YAG棒（二）与掺杂的YAG晶体中掺钕的核心

直径复合棒（4毫米），输出功率为58 W与=23。这意味着，虽然输出功率比较低，由于

减去总功率吸收的复合棒几何原因，亮度增加了4个因素复合棒。强调特定功能我们新颖的横向复合材料的Nd：YAG棒是使用氟化锂：F2腔被动Q开关晶体。结果发现，这进一步降

低了平均光束传播因子= 4低。改善侧泵浦激光器的光束质量的另一种方法是使用相位板

或分级相辉映。这些元素具有额外的好处，他们可以提供一个高的区别之间的横向模式，可用于生成定制设计的振幅分布的基本模式（如超高斯）。这提供了非常强大的方法来控制输出光束特性，特别是如果与适应机制相结合。这些元素的设计，需要精确的增益介质的热效

应引起的相位扭曲知识。进一步的实验和数值研究这些现象，因此具有重大意义。

6．结论

随着可以传递到激光介质的泵浦功率不断增加，热引起的扭曲和新型谐振器的发展概念，其中包括谐振器的结构，泵浦方式和冷却方法的详细分析- 越来越重要的。在这里，我们已经讨论了不同的冷却方式的热效应的数值模拟的帮助。结果发现，复合棒，大多数的实际情况提供最佳的端面泵浦激光器的性能。一种新型的具有独特的稳定性能和高功率激光器高光束质量的一个新的抽水方案的谐振器的概念已经提出。非球面元件的热扭曲，在更高的功率也应占。这很可能会涉及使用腔内相位板或分级，与具有自适应能力的理论相结合。

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by means of adaptive optics", Optics Communications, 155, pp. 99-106, 1998.

激光器的热透镜效应

新型光学谐振器和热透镜效应 Thomas Graf Rudolf Weber, and Heinz-P. Weber 应用物理研究所，Beme Sidlerstrasse 5大学，CH - 301 2 Beme，瑞士 概要 激光谐振腔支持稳定的振荡的最大功率范围主要是由活性介质（热）材料常数和冷却方法所决定。通过控制稳定的基本模式操作的功率范围，可以转移到更高的能量，具有特殊的腔设计和腔内光学但稳定范围的宽度不会受到影响。此外，在泵的活性介质强度增加也加剧了非球面元件的热诱导的扭曲。因此，开发新颖的谐振器时，分析这些热效应具有重大意义。我们目前对热诱导的扭曲，一种新型的多棒激光腔，变量配置的谐振器（VCR）进行分析。对热效应进行了数值模拟和实验的研究。我们目前对各种抽水和冷却方案进行比较后发现复合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷却。VCR被开发调控基本模式激光器的功率范围。由于其能力作为法布里- 珀罗谐振器，它克服了稳定性与传统的多棒谐振器相关的问题，并允许一个新的Q开关技术作为一种环形腔运行。 关键词：固态激光器，二极管泵浦激光器，光学谐振器，热透镜效应，热致双折射。 1.介绍 二极管泵浦固态激光器，有着广泛的工业和科学应用。二极管激光器价格的不断下降，应用正在扩展到高功率范围。此外，泵浦方式的改善使二极管激光辐射高效和紧聚焦到激光材料。由于大量吸收功率，这将导致强烈的局部加热。因此，在固态激光材料的热效应已经获得了相当高功率，半导体激光泵浦全固态激光器作为一个发展中的关键问题的重要性被提高。 选中激光材料后，热效应只与冷却的方法有关，然后必须采用适当的谐振器设计。我们在下面的实验和数值调查报告二极管激光的热效应泵浦全固态激光器和特殊的光学谐振器的发展。热透镜效应和应力引起的双折射用于比较四种不同的冷却技术。完全验证的数值有限元（FE）代码，它也适用于区分不同的热透镜效应的贡献- 比如弯曲的表面和折射率变化与温度和应力性曲折分析高功率激光器的功率调整的极限。进一步的功率调节功能则需要使用更长的侧面泵浦激光棒多棒谐振器的使用。多棒谐振器特别适合规模在几十瓦的顺序输出功率，高光束质量的激光器的输出功率。在这种情况下，热扭曲分发到几个激光棒，在同一个腔泵的功率降低。我们报告一个独特的激光谐振腔，变量配置的谐振器（VCR），他具有反向泵浦多棒谐振器的可调性。特别是录像机的稳定性能与传统的多棒的法布里- 珀罗谐振解决了严重的稳定性问题，并允许一个新的Q开关技术。在下面的章节中，我们将首先考虑球面镜片的近似热引起的扭曲，并讨论TEM0模式激光器的规定下能量的限制。 我们对不同的激光棒的冷却方法进行了比较。热致双折射所造成的损失在短期内第3节中讨论。

半导体激光器原理

半导体激光器原理 一、半导体激光器的特征 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器,由于物质结构上的差异,产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓:GaAs:、硫化镉:CdS:、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器具有体积小、效率高等优点,广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。 二、半导体激光器的结构与工作原理 现以砷化镓:GaAs:激光器为例,介绍注入式同质结激光器的工作原理。 1〃注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构,故形成激光的机理有其特殊性。 :1:半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时,晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带:对应较低能量:。与价带最近的高能带称导带,能带之间的空域称为禁带。当加外电场时,价带中电子跃迁到导带中去,在导带中可以自由运动而起导电作用。同时,价带中失掉一个电子,则相当于出现一个带正电的空穴,这种空穴在外电场的作用下,也能起导电作用。因此,价带中空穴和导带中的电子都有导电作用,统称为载流子。 :2:掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体,称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子,则在导带之下和价带之上形成了杂质能级,分别称为施主能级和受主能级:见图19,24:。

图19,24 有施主能级的半导体称为n型半导体;有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下,热能使n型半导体的大部分施主原子被离化,其中电子被激发到导带上,成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子,在价带中形成空穴。因此,n型半导体主要由导带中的电子导电;p型半导体主要由价带中的空穴导电。 半导体激光器中所用半导体材料,掺杂浓度较大,n型杂质原子数一般 为:2,5:×1018cm-1;p型为:1,3:×1019cm-1。 在一块半导体材料中,从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散,而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来,结构附近的n型区由于是施主而带正电,结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场,称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散:见图19,25:。 图19,25 :3:p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压,p 区接正极,n区接负极。显然,正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反,它削

半导体激光器工作原理及主要参数

半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。

激光的发明及广泛应用讲解

激光的发明及广泛应用摘要：激光器的发明是20世纪科学技术有划时代意义的一项成就。从近代一开始，激光理论、激光器件、激光应用各方面的研究广泛开展，各种激光器如雨后春笋一般涌现。几十年来，激光科学成果累累，已成为影响人类社会文明的又一重要因素。 关键字：受激辐射粒子数反转放大器 1960年5月16日，世界上第一个激光器——红宝石激光器发出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。最初中文的名称叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译。LASER是英文“受激辐射的光放大”的缩写。 什么叫做“受激辐射”？他基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。 普朗克的能量子假说和爱因斯坦的光量子理论为量子电子学的发展奠定了基础。特别是爱因斯坦1916年对辐射

理论的分析，为激光提供了理论基础。 而美国马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院的汤斯（CharlesH．Townes，1915—）也为此做出了不可磨灭的贡献。他研究的是微波和分子之间的相互作用。他计算出把分子束系统的高能态与低能态分开，并使之馈入腔中的条件。他还考虑到腔中应充有电磁辐射以便激发分子进一步辐射，从而提供了反馈，保持持续振荡。 这时拍赛尔和庞德在哈佛大学已经实现了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法加以利用。当时人们已经认识到，粒子数反转是放大的必要条件。汤斯认为是粒子没有办法放大。他一直在苦思这个问题。他设想如果将介质置于诸振腔内，利用振荡和反馈，也许可以放大。汤斯很熟悉无线电工程，所以别人没有想到的，他先想到了。 汤斯开始按他的新方案进行工作。这个组的成员有博士后齐格尔（H．J．Zeiger）和博士生戈登（J．P．Gordon）。后来齐格尔离开哥伦比亚，由中国学生王天眷接替。汤斯选择氨分子作为激活介质。这是因为他从理论上预见到，氨分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，跃迁频率为23870 MHz。氨分子还有一个特性，就是在电场作用下，可以感应产生电偶极矩。氨的分子光谱早在1934年即有人用微波方法作出了透彻研究。1946年又有人对其精细结构作了观察，这都为汤斯的工作奠定了基础。

激光器的种类及性能参数总结

激光器的种类及性能参数总结 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。 （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。 工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义：

DFB激光器调研报告(在实际工程中的应用)

分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。 关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率 一、分布反馈式半导体激光器简介 1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质 的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高 能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高 能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。 c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。 d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。

光调制度

竭诚为您提供优质文档/双击可除 光调制度 篇一：41光发射机激光器光调制度的定义 光发射机激光器光调制度的定义 林挺逵浙江省台州市路桥区乡镇广播站退休职工 光发射机内激光器光调制度参数有两项：单频道光调制度m与光总调制度μ。单频道调制度为m： m＝Δi／(ib－ith) 单频道光调制度m与光总调制度μ之间的关系算式是：μ＝m／2/n 两式中，n为系统内频道总数；ib为额定偏置电流，单位ma，各台光发射机不一样，一般数值范围为几十ma至 100ma之间，最常见者为50ma左右；ith激光器的阈值电流，单位ma，一般为15ma左右；Δi为射频信号激励电流在匹 配电阻（R＝75Ω）上的起伏度，单位ma。 Δi＝2（射频信号激励电压毫伏数）／75 因此，激光器单频道光调制度的定义大致是“射频信号激励电流的起伏度与激光器偏置电流和阈值电流差值之比”。 激光器光总调制度的定义大致是“全部频道数的各单频

道光调制度的累加总值”。 激光器光调制度通常都是通过计算得出来的。 至于光调制度测量方法，笔者既没有见到过，也没有听说过。 篇二：74光发射机的输入电平和光调制度的关系 光发射机的输入电平和光调制度的关系 林挺逵浙江省台州市路桥区乡镇广电站退休职工 踏雪飞鸿于20xx-3-4发出帖子《求教光发射机的射频驱动和光调制度的关系》 （.cn/catvbbs/viewthread.phptid=6230声光调节利用超声光栅的衍射原理；磁光调节利用磁光晶体的法拉第效应,激光器电流调器利用输入激光器的电子数控制粒子数翻转来控制激光光强。电光调制可以对振幅调制，也可以对相位调制，但是其调制带宽易受外电路参数影响，且一个最高调制频率限制；声光调制和磁光调制都只能对振幅调制，但声光调制若应用布拉格衍射可获得较大的调制带宽和较高的调制频率，磁光调制原理简单，易于控制操作。这几种光调制方式都只能用模拟信号调制，电流直接调制还可以用数字信号调制，且这种调制方式简单，能工作在高频，并能保持良好的线性工作区和带宽，但是半导体激光器功耗较大。

激光器的种类及性能参数

激光器的种类及性能参数 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。 （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。 工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义：

光发射机的原理及其选择与使用

光发射机的原理及其选择与使用作者：佚名来源：慧聪发布时间：2006-4-15 20:52:34 [收藏] [评论] 光发射机的原理 用光波传输电视信号和数据信息是20世纪末发展起来的一门新的科学技术，它的出现使世界信息产业得到了飞速发展，现在光纤传输技术正以超出人们想像的速度发展，其光传输速度比10年前提高了100倍，在今后的发展中估计还要提高100倍左右。随着光纤传输技术的不断发展，在光域上可进行复用、解复用、选路、交换，网络可利用光纤的巨大带宽资源，增加网络的容量，实现多种业务的“透明”传输。 光传输系统主要由光发射机、光接收机、光分路器和光纤电缆及其它器件组成。 一光纤传输光信号的基理 光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输电视信号的工作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的; 在中心机房的光发射机把输入的RF电视信号变换成光信号，它由电/光变换器(Electric-Optical Transducer，E/O)完成，变换成的光信号由光纤传输导向接收设备(光接收机)接收，光接收机把从光纤中获取的光信号变换还原成电信号。因此光传输信号的基理就是电/光和光/ 电变换的全过程，也称为光链路。 目前光传输方式采用光强度调制。如采用激光器的光发器件发出相位一致的所谓相干光，因此采取了使发光强度整体发生变化的调制方式，它利用了输出光功率对应于电/光变换器输入信号电流的变化而线性 变化的特性。 在光/电变换器(Optical-Electric Transducer，O/E)中，输出正比于输入光信号强度的电流，光/电变换器的输出电流波形因而与电/光变换器输入电流波形相似，达到了信号传输的目的。 那么，光纤又是如何导向光信号的呢？目前有线电视系统使用的光纤是圆柱体的光纤，它由光纤圆柱体和包层组成，是石英玻璃材料。包层起着把光严密地封闭在光纤内的作用，保护纤芯，增强光纤本身的强度。而纤芯的作用是传输光信号。纤芯和包层虽然都是石英玻璃材料生产而成，但在生产时对两者的掺杂成份有区别，因而导致了所产生的折射率大小不同(纤芯为1.463~ 1.467，包层为1.45~1.46)，当然也与所采用的材料不同有关。当激光器发射的光源进入纤芯后，光入射到包层界面时，只要入射角大于临界角，就会在纤芯内产生全反射，光不会漏射到包层中，这样聚入到纤芯内的光信号就会不间断地传播下去，直到导向光接收机为止。这个过程就是光信号在光纤中传输的基理。 二光传输中产生的失真 光在光纤中传输时，也会产生一些失真，产生失真的原因有以下几点: (1)在光纤传输系统中，由于半导体激光器的电/光转换特性的非线性，使输出的光信号与激励电流的变化不一致导致了失真，它称为调制失真。调制指数M值不允许太大，选择高性能、预失真处理技术强的光发射机很有必要，预失真处理技术是利用人为的设计产生预失真改善调制线性，达到消除和减轻光纤传 输系统中CSO与CTB的目的。 (2)在光传输系统中，由于驱动RF放大器和接收RF放大器产生失真的机会很小，线性PIN光电二极管因信号电平不太高，产生的微小失真可不计，而它的主要原因来自于半导体激光器调制特性的失真和光 纤的色散。 (3)激光器在光强度调制时，光的波长会发生变化，出现附加频率调制，使信号频率展宽，出现啁啾 效应，主要表现为CSO失真。 (4)光纤的色散特性会使不同波长的群时延发生差异，形成到达终端的时间会先后不一致所引起的失 真，主要是CSO失真。

激光技术 答案讲解

考试时间：12月17日 19:00—21:00 考试地点：思源楼411，412， 座位安排：学号03211138-05231022在411教室，05231144—06292044在412教室 第一章作业（激光技术--蓝信鉅，66页）答案 2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个1／4波片，（1）它的轴向应如何设置为佳? （2）若旋转1／4波片，它所提供的直流偏置有何变化? 答：（1）. 其快、慢轴与晶体主轴x 轴成450角（即快、慢轴分别与x’、y’轴平行）。此时，它所提供 的直流偏置相当于在电光晶体上附加了一个V 1/4的固定偏压(E x’和E y’的附加位相差为900)；使得调制器在透过率T=50%的工作点上。 （2）. 若旋转1／4波片，会导致E x’和E y’的附加位相差不再是900；因而它所提供的直流偏置也 不再是V 1/4。当然调制器的工作点也偏离了透过率T=50%的位置。 3.为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z 切割的KDP 晶体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。试问：(1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x 和y 轴取向应如何? (2) 若λ=0.628μm ，n 。＝1.51，γ63＝23.6×10—12m ／V ，计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较之。 解：(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号，则把晶体x 和y 轴逐块旋转90安置，z 轴方向一致（如下图）， (2).四块晶体叠加后，每块晶体的电压为： v 966106.2351.1210628.0412n 41V 41V 123-663302' 2=?????=?==-γλλλ 而单块晶体得半波电压为： v 3864106.2351.1210628.02n V 123-6 63302 =????==-γλλ 与前者相差4倍。 4．试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏光、椭圆偏光和自然光)，并指出是根据什么现象? 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制?为什么？ 解：（1）实验装置：偏振片和白色屏幕。 a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如有两次消光现象，则为线偏振光。 b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强有两次强弱变化（但无消光现象发生）；则为椭圆偏振光。 c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强没有变化；则为自然光（或圆偏振光）。区分二者也不难，只需在偏振片前放置一个四分之一波片（可使圆偏振光变为线偏振光， 可出现a 的现象）即可。（这里自然光却不能变成线偏振光） （2）自然光得不到调制。原因是自然光没有固定的偏振方向，当它通过电光晶体后没有固定的位相差； 因而不能进行调制。 x y z x y z x y z x y z

激光器原理及其应用讲解

激光器原理及其应用 应用化学0402班宋彬 0120414450201 摘要由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。关键词激光器激光工作物质激励(泵浦系统光学共振腔分类及应用 正文： 激光器 laser 能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L. 肖洛和C.H. 汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H. 梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A. 贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N. 霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X 射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q 和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X 射线波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。

激光器知识讲解

激光器基本知识 激光的意思是光受激发射，激光器的意思就易理解了吧！类似于放大镜聚焦火柴，不过激光能量大，可连续和脉冲， 分类 激光器的种类就越来越多。按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。其中每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器。按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器。大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦。如前所述的He-Ne激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。红宝石激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。 激光器工作原理 激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。从CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手电筒光束的区别何在呢？

激光器工作原理

激光器工作原理 1. 1. 引言 2. 2. 原子基础知识 3. 3. 原子形成激光的核心原理 4. 4. 激光器与原子的关系 5. 5. 激光 6. 6. 红宝石激光器 7.7. 三级激光器 8.8. 激光器类型 9.9. 激光器的波长 10.10. 激光器分类 11.11. 了解更多信息 12.12. 阅读所有物理学类文章 激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。从CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手电筒光束的区别何在呢？ NASA供图 美国国家航空航天管理局兰利研究中心（Langley Research Center） 的光学损伤阀值测试装置有三部激光器：高能脉冲钕-钇铝 石榴石激光器、钛-蓝宝石激光器和谐振氦氖激光器。 原子基础知识 整个宇宙中大约只有100多种不同的原子。我们看到的所有东西都是由这100多种原子以穷极无限的方式组合而成。这些原子之间排列组合的方式决定了构成的物体是一杯水、一块金属或是汽水瓶中的泡沫！

原子是永恒运动着的。它们不停地振动、移动和旋转，就连构成我们座椅的原子也是不断运动着的。固体实际上也在运动！原子有几种不同的激发状态，换言之，它们具有不同的能量。如果赋予原子足够的能量，它就可以从基态能量层级上升到激发态能量层级。激发态能量层级的高低取决于通过热能、光能、电能等形式赋予原子的能量有多少。 下图可以很好地阐释原子的结构： 最简单的原子模型 由原子核和沿轨道旋转的电子组成。 简单原子由原子核（含有质子和中子）和电子云组成。我们可以把电子云中的电子想象成沿多个不同轨道环绕原子核运动。 原子形成激光的核心原理 想一想上一页中的原子结构图。即便以现代技术观察原子，我们也无法看到电子的离散轨道，但把这些轨道设想成原子不同的能级会对我们的理解有所帮助。换言之，如果我们对原子加热，处于低能量轨道上的部分电子可能受激发而跃迁到距离原子核更远的高能量轨道。 能量吸收： 原子可以吸收热能、光能、电能等形式的能量。然后电子可以从低能 量轨道跃迁至高能量轨道。

半导体激光器工艺知识详解

半导体激光器工艺知识详解 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。 半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。 半导体激光器的工作原理激光产生原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件： （1）增益条件：建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 （2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F—p腔（法布里一珀罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一面构成F—P 腔。 （3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流

1550直调光发射机和外调光发射有什么区别

1550直调光发射机和外调光发射有什么区别 一、关于直接调制 对半导体激光器的直接调制是将预调制的（AM、FM、PCM)信号电流叠加到激光器的偏置电流上对激光器进行调制，由于它是要使光的强度发生变化，所以，也称之为强度调制。对于数字传输，尽管速率很高，但只是有光信号或无光信号两种工作状态，在接收端也是只要能对这两种状态进行判定就行。这种调制方式存在着几种缺点： 1、在对LD(半导体激光器）进行直接调制时，当强度发生变化是，波长也发生了变化，即产生了光的频率调制（FM),这种现象称为附加频率调制（Chirping),它将使调制边带有进一步加大。 2、有调制产生的宽频谱信号，其相位因为光纤的色散特性而相互偏移，在接收端就会表现为复合二阶失真（CSO)。 3、直接光强度对激光器LD调制时其光输出与电流之间的线性关系是静态特性，在进行高频直接调制时会因内部电流与光相互作用而引起光频率的变化。在这种情况下，也会产生较大的复合二阶失真（CSO)。 直接调制虽然简便且成本较低，但由于存在上述问题，人们也在研究别的调制方法。这就是不在激光器内部进行调制，而是用外部调制器对激光器输出的光进行调制的光外调制器技术。 二、光外调制方式 光外调制器技术是将激光器（LD)发射出的一定强度的光束，注入LiNbO3(铌酸锂）等晶体制成的外调制器上，即经处理的射频调制信号加到调制器的电极上，在电场作用下，对光束光强和相位进行调制，调制器的输出光强即为随调制信号而变化的光信号。和直接调制不同的地方是调制信号加在调制器上，而不是加在光源上，光输出的光是直流光，而且光源可以是LD光源，也可以是固态激光器。由于外调制器不存在光源的附加频率调制，所以可以有效克服组合二次失真（CSO). 光的外调制方式，从原理上讲虽然有几种，但目前用于有线电视网中的外调制器，主要是应用电广效应的马赫——曾德效应（M--Z)干涉计型。它的结构是以电光结晶为衬底，再在衬底面上以单模的光波导做成通路。输入光由光波导通路将光分成两个通路，而在进行合成时产生干涉的就是吗赫--曾德干涉（M--Z)。在马赫--曾德干涉计的单侧通路上，利用电光效应进行相位变化时，所干涉的光输出就会随相位差发生变化。为产生电光效应，原理上是将单侧的波导通路的两边，贴装上电极，再加上信号电压即可。如果两个通路的长度相等，外加电压为零，故无相位差会形成相加合成，当外加半波长电压的相位差为л时，则产生抵消，输出为零。（未完）

激光器的工作原理及应用

激光器 一、固体激光器。 1.Nd：YAG 图1 固体激光器Nd：YAG 的组成图 图2固体激光器Nd：YAG 的工作原理图

图3 激光腔的构造 b. Nd：YAG激光的光学特性 图4 Nd：YAG激光的光学特性 图5 Nd：YAG激光脉冲的相关参数

图6 激光聚焦的光学特性（聚焦一） 图7 激光聚焦的光学特性（聚焦二） 二、DFB(Distributed Feedback Laser):分布式反馈激光器，属于侧面发射的激光器。 其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。

优点：DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一 个纵模输出，此类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信。多用在1550nm波长上，速率为2.5G以上。 DFB芯片设计：芯片分为P极和N极，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。 DFB激光器有以下性能参数： 工作波长：激光器发出光谱的中心波长。 边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。 -20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。 阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。 三、FP激光器 FP激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。这类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信。 FP激光器有以下性能参数： 工作波长：激光器发出光谱的中心波长。 光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽。 阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。 光接入网络是由OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）和ONU（Optical Network Unit , 光网络单元）以及ODN（Optical Distribution Network , 光分配网络）三部分组成；其中OLT和ONU是光接入网络的核心部件。PON（Passive Optical Network , 无源光网络）

半导体激光器发光原理及工作原理

半导体激光器发光原理及工作原理 半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。它具有体积小、寿命长的特点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 激光器的发光原理一、粒子数反转； 二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里——帕罗谐振腔。 三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。 （1）满足一定的阀值条件。 为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注人，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。 （2）谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡。 要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。 对F-P腔（法布里—拍罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-N结平面相垂直的自然解理面构成F-P 腔。 （3）增益条件： 建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区

激光器的分级标准及激光安全管理讲解

激光器的分级标准及激光安全管理 激光器按波长分各种类型，由于不同波长的激光对人体组织器官伤害不同。因而在各类型的激光器中按其功率输出大小及对人体伤害分以下四级。 第一级激光器：即无害免控激光器。这一级激光器发射的激光，在使用过程中对人体无任何危险，即使用眼睛直视也不会损害眼睛。对这类激光器不需任何控制。 第二级激光器：即低功率激光器。输出激光功率虽低，用眼睛偶尔看一下不至造成眼损伤，但不可长时间直视激光束。否则，眼底细胞受光子作用而损害视网膜。但这类激光对人体皮肤无热损伤。 第三级激光器：即中功率激光器。这种激光器的输出功率如聚焦时，直视光束会造成眼损伤，但将光改变成非聚焦，漫反射的激光一般无危险，这类激光对皮肤尚无热损伤。 第四级激光器：即大功率激光器，此类激光不但其直射光束及镜式反射光束对眼和皮肤损伤，而且损伤相当严重，并且其漫反射光也可能给人眼造成损伤。 根据上述激光器的分级来看，对人眼睛及皮肤损害最大的是第四级激光器。前述了激光对人体的危害，尤其是对眼睛的损伤，其损伤程度可以使眼睛视力降低，甚至完全失明。但这种损伤并非所有量级激光能引起，而是有一最低限度——即致伤阈值，只有当激光能量密度或功率密度超过此阈值时才能对眼睛造成伤害。激光器的级别分类给我们提供了一个安全的参考值。 激光安全管理措施 使用不同级别激光器的管理措施 1．使用第一级激光器的管理 由于第一级激光器是无害免控激光器，因此不需任何控制措施。激光器不必使用警告标记，但须避免不必要长久地直视第一级激光束。 2．第二级激光器的使用安全措施 第二级激光器为低水平激光器，如偶尔照射到人眼还不至于引起伤害，可连续观察激光束时能损伤眼睛。因此，不能长时间地直视激光束，此是对第二级激光器的最重要控制措施。此外，还应该在安放第二级激光器的房门上及激光的外壳及其操作面板上张贴警告标记。