激光器的输出

第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。

激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。

实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。

由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。

因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。

3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。

而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。

光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。

3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。

菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。

基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。

图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。

泵浦激光器工作原理
泵浦激光器是一种基于激光放大原理的装置。

它通过将能量输入到激光介质中，使原本处于基态的粒子被激发到激发态，然后通过受激辐射过程使激发态粒子发射出具有相同频率、相干相位和方向的光子，从而产生激光输出。

泵浦激光器的工作原理可以简单描述为以下步骤：
1. 泵浦源提供能量：泵浦激光器通常使用强光源作为泵浦源，例如激光二极管或弧光灯。

这些能量源向激光介质中输入高能量光子。

2. 激发介质吸收能量：激光介质通常是一种具有激发态和基态能级的材料，例如固体晶体或液体。

泵浦光子被激光介质吸收，使介质中的原子或分子从基态跃迁到激发态。

3. 受激辐射过程：在激发态中的原子或分子在受到外界光子刺激时，可以通过受激辐射的过程向基态跃迁。

当受激辐射发生时，激发态的粒子会发射出与外界光子相同频率和相位的光子。

4. 光子的倍增和放大：受激辐射释放出的光子与泵浦光子相互作用，产生光子的倍增和放大效应。

这个过程通过在激光介质中设置适当的反射镜和光学器件来实现，使光子在激光介质中来回反射，从而增加光子数目和能量。

5.激光输出：经过倍增和放大后的光子从激光器中输出，形成
一束高强度、高相干性的激光束。

这束激光可以用于各种应用，
如切割、打标和通信等。

泵浦激光器的工作原理是通过泵浦源提供能量、激发介质吸收能量、受激辐射过程、光子的倍增和放大以及激光输出等步骤实现的。

这种原理使得泵浦激光器能够产生高能、高相干性的激光输出，广泛应用于科研、工业和医疗等领域。

激光器的发射功率计算公式激光器是一种能够产生高强度、高一致性和高单色性的光束的装置。

它在医疗、通信、制造和科学研究等领域有着广泛的应用。

激光器的发射功率是指单位时间内激光器所发射的能量，通常以瓦特（W）为单位。

计算激光器的发射功率可以帮助我们了解激光器的性能，并且在实际应用中也具有重要意义。

激光器的发射功率计算公式可以通过以下公式来表示：P = E / t。

其中，P代表激光器的发射功率，单位是瓦特（W）；E代表激光器在单位时间内发射的能量，单位是焦耳（J）；t代表单位时间，单位是秒（s）。

在实际应用中，我们可以通过不同的方法来计算激光器的发射功率。

下面将介绍几种常见的计算方法。

1. 使用激光器的能量计算发射功率。

激光器的能量可以通过使用能量计来测量。

首先需要将激光器的输出能量测量出来，然后将这个能量除以单位时间，即可得到激光器的发射功率。

这种方法适用于需要准确测量激光器发射功率的情况，例如在科学研究和实验室中。

2. 使用激光器的光功率计算发射功率。

另一种计算激光器发射功率的方法是使用光功率计。

光功率计可以直接测量激光器的输出功率，然后将这个功率作为激光器的发射功率。

这种方法简单快捷，适用于一般的激光器发射功率测量。

3. 使用激光器的电流和电压计算发射功率。

对于一些需要实时监测激光器发射功率的应用，可以通过测量激光器的电流和电压来计算发射功率。

首先需要测量激光器的工作电流和工作电压，然后根据激光器的电流-电压特性曲线来计算激光器的发射功率。

这种方法适用于需要实时监测激光器发射功率的应用，例如在激光切割和激光焊接中。

除了以上介绍的几种计算方法，还有一些其他的方法可以用来计算激光器的发射功率。

无论使用何种方法，都需要注意测量的准确性和精度，以确保得到准确的激光器发射功率。

除了计算激光器的发射功率，我们还需要注意激光器的功率稳定性。

激光器的功率稳定性是指激光器在工作过程中发射功率的稳定程度。

功率稳定性对于一些需要高稳定性的应用非常重要，例如在激光医疗和激光通信中。

一、激光器的常用性能指标1、激光器的门限电流与功率输出激光的输出光功率与驱动电流并不成直线比例关系。

在门限电流（或称阈值电流）以下，激光器工作于自发射，输出光功率极小，在门限电流以上，激光器工作于受激发射、输出激光、功率随电流的增大而上升，基本上成直线对应关系，在实际应用中，我们要求门限电流越小越好。

激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。

2、激光器的调制增益激光器的调制增益是指输出光功率与输入射频驱动电流的比值，如0.42mW/mA，表示输入驱动电流1mA，输出0.42mW的光功率，调制增益一般越大越好。

3、激光器的相对强度噪声RIN激光器的相对强度噪声定义为单位频带宽度中噪声与输出光强的比值。

常用dB/HZ 作单位，激光器的噪声主要来源于激光器内光子涨落的量子噪声，相对强度噪声是描述激光器量子噪声特性的参数，我们希望它越小越好。

4、激光器的线性范围激光器的线性范围指激光器能线性工作的最大范围，通常它越大越好，我们可以用饱和电流(即激光器输出饱和时对应的激励电流，当激励电流超过饱和电流时，再加大激励，也不能使输出光功率增加，这时可能会造成激光器的损坏)与阈值电流之差来近似的代表其线性范围，实际上在线性范围内，激光器的输出光功率随注入电流变化的曲线，也不是绝对的直线，我们总是希望它尽量接近直线，使其非线性失真指标尽可能小，当温度升高时，阈值电流以1%—2%/ ºC的速度增大，而饱和电流则相应降低，使激光器的线性范围减小，因此在激光器内部要加温控装置，保持其工作稳定。

5、带内平坦度普封装的激光器由于引线电感等分布参数的影响，频率响应并不理想，一般为±1dB （750MHZ带宽），在CATV领域，激光器的封装形式一般为蝶形封装，这种封装引线最短。

6、激光器的温度特性激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。

激光器功率不稳定的原因激光器功率不稳定是激光器应用中常见的技术问题，其主要原因包括以下几个方面：1.激光器器件老化激光器器件老化是导致激光器功率不稳定的主要原因之一。

激光器器件老化会导致激光器输出功率不稳定，特别是在激光器使用时间长、频繁开关等情况下容易出现。

这是因为激光器器件在长时间工作中会产生热量，导致器件老化，从而影响激光器的功率稳定性。

2.激光器光路不稳定激光器光路不稳定也是造成激光器功率不稳定的原因之一。

激光器光路不稳定主要表现为激光器输出功率随着环境温度、机械振动等因素的变化而变化。

这是因为激光器光路的稳定性是激光器输出功率稳定性的重要保证，如果激光器光路不稳定，就会导致激光器输出功率不稳定。

3.激光器泵浦源问题激光器泵浦源的问题也是造成激光器功率不稳定的原因之一。

激光器泵浦源主要负责激发激光器材料中的激发态粒子，从而实现激光器的放大和输出。

如果激光器泵浦源出现问题，就会导致激光器输出功率不稳定，甚至无法正常工作。

4.激光器驱动电源问题激光器驱动电源的问题也是造成激光器功率不稳定的原因之一。

激光器驱动电源主要负责为激光器提供稳定的电源，从而保证激光器的正常工作。

如果激光器驱动电源出现问题，就会导致激光器输出功率不稳定，甚至无法正常工作。

为了解决激光器功率不稳定的问题，可以采取以下措施：1.定期维护和更换激光器器件定期维护和更换激光器器件可以有效避免激光器器件老化问题，从而保证激光器的输出功率稳定性。

2.优化激光器光路设计优化激光器光路设计可以有效提高激光器光路的稳定性，从而保证激光器的输出功率稳定性。

3.选择优质的激光器泵浦源和驱动电源选择优质的激光器泵浦源和驱动电源可以保证激光器的工作稳定性，从而保证激光器的输出功率稳定性。

激光器功率不稳定是激光器应用中常见的技术问题，需要采取有效的措施来解决。

通过定期维护和更换激光器器件、优化激光器光路设计以及选择优质的激光器泵浦源和驱动电源等措施，可以有效提高激光器的输出功率稳定性，保证激光器的正常工作。

激光机光路调节最简单方法
激光器的光路调节是为了使激光光束在传输过程中保持稳定和聚焦。

下面介绍一种简单的方法来进行激光器的光路调节：
1. 准备工作：确保你已经安装好激光器，并且激光器已经调整至合适的功率和模式。

同时，确认工作区域的安全。

2. 对准输出光束：使用一个光学元件（如反射镜）来对准激光器的输出光束。

将光学元件放置在激光器的输出口，然后调整它的位置，使得光束能够垂直地射出，并且无明显的偏移或倾斜。

3. 聚焦光束：使用一个透镜将激光光束聚焦到所需的位置。

透镜可以调整激光束的直径和聚焦点的位置。

通过移动透镜的位置或者旋转透镜，调整光束的焦点位置使其达到最佳聚焦效果。

4. 碰撞检查：检查激光光束是否与其他元件发生碰撞或阻挡。

确保光束的路径没有被任何障碍物挡住，以确保激光能够正常传输。

5. 稳定性调节：对于需要长时间运行的激光系统，可以使用稳定器来调整光路的稳定性。

例如，使用稳定的支架或固定装置来确保光学元件和透镜的位置不会发生变化。

需要注意的是，在进行激光器光路调节时，务必遵守安全操作规程，戴上适当的防护眼镜，并根据具体的激光器类型和制造商指南进行操作。

如果不确定如何进行调节，建议咨询专业的激光技术人员或供应商的技术支持。

激光脉冲能量
激光脉冲能量是指激光器在单位时间内输出的能量。

激光脉冲能量的大小直接影响着激光器的功率和效率，也是评价激光器性能的重要指标之一。

激光脉冲能量的大小与激光器的输出功率、脉冲宽度、重复频率等因素有关。

一般来说，激光器的输出功率越大，脉冲宽度越短，重复频率越高，激光脉冲能量就越大。

激光脉冲能量的大小对于激光加工、激光切割、激光打标等应用具有重要意义。

在激光加工中，激光脉冲能量越大，加工速度越快，加工效率越高。

在激光切割中，激光脉冲能量越大，切割深度越大，切割质量越好。

在激光打标中，激光脉冲能量越大，打标速度越快，打标效果越好。

激光脉冲能量的大小也对激光器的稳定性和寿命有影响。

如果激光脉冲能量过大，会导致激光器的光学元件受到过大的热载荷，从而影响激光器的稳定性和寿命。

因此，在设计和选择激光器时，需要根据具体应用需求来确定激光脉冲能量的大小。

同时，也需要注意激光器的稳定性和寿命，避免激光脉冲能量过大导致激光器损坏。

激光脉冲能量是激光器性能的重要指标之一，对于激光加工、激光切割、激光打标等应用具有重要意义。

在应用中需要根据具体需求
来确定激光脉冲能量的大小，同时也需要注意激光器的稳定性和寿命。

激光器用激光头的原理
激光头是激光器的组成部分之一，它负责产生和放大激光光束。

激光头的原理主要包括以下几个方面：
1. 激光产生：激光头内部有一个激光介质（如激光晶体、半导体等），通过外部的能量输入（如电流、光束等），激光介质中的原子或分子受激跃迁，从低能级向高能级跃迁，并以光子的形式放出光能，形成初级光子，即产生激光。

2. 光的放大：初级光子进一步被激光介质中的其他原子或分子吸收，使它们也发生跃迁并放出光能，从而形成次级光子。

这些次级光子与初级光子在相同的相位和方向上叠加，逐渐形成一个强度足够大的激光光束。

3. 光的反射：激光头内部还有一个光反射器或反射镜，用于通过多次反射和干涉，将光子聚集在一起，增强光的强度和方向性。

4. 光的输出：最后，激光头通过一个输出窗口将激光光束从激光器内部输出，供应用场景使用。

总之，激光头通过激光产生、光的放大、光的反射和光的输出等过程，实现了对光能的放大和聚焦，从而产生高强度、高一致性的激光光束。

激光输出的三个必要条件激光输出作为激光器的关键指标之一，是指激光系统输出的激光的功率、波长、光束发散角等参数。

而想要得到高质量的激光输出，必须满足以下三个必要条件：1.高效的激光激发激光器的激发过程是激光输出的基础，而使用高效激发方式能够提高激发效率，进而增强激光输出功率。

目前广泛应用的激发方式有光学、电子和化学三种。

在光学激发方式中，光源发出的光线进入激光器内部，在激光介质中发生反射、散射或透过等过程，使介质内部的粒子获得足够的能量实现激发。

在电子激发方式中，外部电源把电子注入激光介质内，激发介质中处在激发态之下的粒子，使之向更高能级跃迁并释放激光。

而化学激发方式则利用化学反应的能量释放作为激发能源，将化学能转化为激光能，适合于大功率激光器。

2.合适的光学谐振腔光学谐振腔是激光器的核心组成部分，与激光输出密切相关。

只有谐振腔合适，才能充分实现光子在介质中的反复运动，最终实现激光放大。

所以，设计恰当的光学谐振腔结构非常关键。

光学谐振腔主要由反射镜组成，两面反射镜的光学特性决定着激光输出光的波长和发散角度。

同样，反射镜的光学特性也会影响激光谐振腔的损耗和稳定性，进而影响激光输出功率和波长等性能。

因此，在设计谐振腔结构时，需要考虑反射镜反射率、带宽和稳定性等指标，并合理选择反射镜的材质和工艺。

3.高质量的激光介质激光介质是刺激和产生激光的载体，所以其质量的好坏对激光输出影响非常大。

在选择激光介质时，需要考虑其透明度、折射率、吸收系数、发光寿命和温度稳定性等因素。

在实际应用中，常见的激光介质包括气态、液态和固态三种。

气态激光介质广泛应用于激光打印、激光加工和激光测距等领域。

液态激光介质主要应用于激光医疗和化学合成等领域。

而固态激光介质则更适合用于工业激光加工等高功率激光系统。

综上所述，高效的激光激发、合适的光学谐振腔和高质量的激光介质是实现高质量激光输出的三个必要条件。

只有同时优化这三个方面，才能获得更加卓越的激光输出性能。