激光器的工作特性

第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。

光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。

3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。

当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。

二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。

1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。

激光器工作原理和光学谐振腔特点激光器是一种能产生高度聚焦、单色、相干和高强度的光束的设备。

它在科学研究、医疗、通信、制造业等领域都有广泛的应用。

为了更好地了解激光器的工作原理和光学谐振腔的特点，我们需要了解以下两个方面的内容。

一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于激光放大效应和光学谐振腔的特性。

具体而言，激光器工作过程中的关键组成部分包括激发源、增益介质和光学谐振腔。

1. 激发源：激发源可以是电、光、化学反应、热或强电磁场等不同形式的能量输入装置。

激发源的作用是提供外部能量，激发增益介质的原子或分子跃迁到高能级。

2. 增益介质：增益介质是激光器中的工作物质，它能够吸收激发源提供的能量，使原子或分子由基态跃迁到激发态。

在激发态上，原子或分子被激发，它们会经历辐射过程，从而产生放射性衰减。

3. 光学谐振腔：光学谐振腔是激光器的核心组成部分，它是由两个平行的反射镜构成的。

其中一个镜子是部分透明的，允许一部分光束通过，另一个镜子是完全反射的，将光束完全反射回谐振腔内。

当光束在谐振腔内来回多次反射，它经过增益介质时会受到增益介质的放大作用，同时受到双反射镜的反射作用，形成所谓的光学谐振腔。

在激发源激励下，增益介质的原子或分子跃迁到高能级，随后通过辐射衰减回到基态。

衰减过程中的放射能量通过传播光束的形式逐渐积累并得到放大。

光束在经过多次的反射和增益介质的激励后，达到激光阈值条件，形成高度聚焦、单色、相干和高强度的激光光束。

二、光学谐振腔的特点光学谐振腔是激光器中一个至关重要的元件，它决定了激光束的性质，包括波长、频率、模式结构等。

光学谐振腔具有以下几个重要特点。

1. 高度聚焦：光学谐振腔可以将入射的光束聚焦到一个非常小的焦点上，从而使激光束的能量集中在一个小的空间范围内。

这种高度聚焦的特点使得激光器能够在精细加工、激光切割和医学手术等领域得到广泛应用。

2. 单色性：光学谐振腔的谐振模式会过滤掉非谐振频率的光，使得输出的激光具有较窄的频谱带宽。

激光器的光谱特性分析激光器是一种利用受激辐射原理产生激光的设备，具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点。

在现代科技领域中，激光器已经广泛应用于医疗、通信、制造等领域，并成为了现代技术和科研的重要工具。

激光器的光谱特性是激光产生的重要基础之一，对于研究激光器的物理特性以及应用具有重要意义。

本文将从激光器的基本理论入手，分析激光器的光谱特性。

一、激光器的基本理论激光器的工作原理是利用受激辐射原理，通过外部能量激发激光介质原子或分子的外层电子跃迁到高能级态，使其受到促发并跃迁回基态，从而产生激光。

具体来说，激光器由激发能源、激光介质、反射镜（或衰减器）和光学谐振腔等元件组成。

激发能源可以是电场、光场、化学反应或者核反应等。

典型的激发能源包括弧光灯、氖气激发器、合成晶体、气体放电管等。

这些能源可以提供足够的能量，使得激光介质原子或分子跃迁到高能级态。

激光介质是指能够产生激光的物质，常见的激光介质包括固体、气体和半导体等。

不同的激光介质具有不同的激发能级和电子结构，从而决定了激光器的性能和应用。

反射镜和衰减器是激光器光学谐振腔的重要组成部分。

反射镜是将光线反射回入口端，从而形成多次光程，放大激光信号，并且增加激光稳定性的光学元件。

拥有波长选择性的薄膜反射镜可以增大反射率，提高光强。

而衰减器则可以调节激光器的输出功率和光强。

二、激光器的光谱特性激光器波长的稳定性和准确定位性是激光应用的重要指标，与激光器的线宽和频率稳定性密切相关。

激光器的光谱特性是指激光器本身产生的光波长分布情况，通常用光谱线宽、光波长偏差、光波长变化等参数来描述。

1. 光谱线宽激光器的光谱线宽是光谱上一个特定频率范围内的光强度变化程度，通常用光谱线宽半高宽（FWHM）等参数进行描述。

光谱线宽越窄，说明激光器能够产生更为单色的激光，具有更高的频率稳定性和准确定位性。

光谱线宽受到激光介质材料、激光光程、光学元器件等多个因素的综合影响。

2. 光波长偏差光波长偏差是指激光器产生的光波长与目标波长之间的差异，通常用波长偏移等参数进行描述。

半导体激光器特点半导体激光器是一种利用半导体材料的电子能级结构产生激光的装置。

它具有以下几个特点：1. 高效率：半导体激光器的光电转换效率相对较高，通常可达到30%以上。

这是因为半导体材料具有较高的折射率，能够实现较长的光程，并且电流注入激活的载流子浓度较高，使得激光产生的概率增大。

2. 小型化：半导体激光器具有体积小、重量轻的特点，可以制成非常小巧的器件。

这使得它可以广泛应用于光通信、激光打印、激光雷达等领域，同时也方便集成到其他电子器件中。

3. 快速调制：半导体激光器的调制速度非常快，可以达到几十Gbps甚至上百Gbps的水平。

这使得它成为光纤通信和光存储等领域中的重要组件，能够实现高速数据传输和处理。

4. 低功率消耗：由于半导体激光器是利用电流注入产生激光，相对于其他类型的激光器，它的功耗较低。

这使得半导体激光器在便携式设备和低功耗应用中具有优势，例如激光指示器和激光笔等。

5. 单色性好：半导体激光器的输出光束通常是单色的，具有较窄的谱线宽度。

这使得它在光谱分析、光纤传感和光谱测量等领域中有着广泛的应用。

6. 长寿命：半导体激光器的寿命相对较长，可以达到几万小时以上。

这使得它在长时间稳定工作和持续使用的应用中具有优势，例如激光切割和激光医疗等领域。

7. 可调谐性：某些类型的半导体激光器具有可调谐的特性，可以通过改变电流或温度等参数来调节输出的激光波长。

这使得它在光谱分析、光通信和光存储等领域中具有灵活的应用。

半导体激光器具有高效率、小型化、快速调制、低功率消耗、单色性好、长寿命和可调谐性等特点。

在现代科学技术的发展中，半导体激光器在光电子学、光通信、光存储、医疗等领域发挥着重要的作用，并且具有广阔的应用前景。

各功率激光的特点功率激光是一种产生高能量和高功率输出的激光器。

它们通常用于工业、医学、国防等领域，具有许多独特的特点。

下面将详细介绍一些常见功率激光的特点。

1.CO2激光器CO2激光器使用碳气混合物来产生激光束，通常工作在10.6微米的波长。

CO2激光器具有以下特点：-高功率输出：CO2激光器可以产生高达几千瓦的功率输出，是一种非常强大的激光器。

-高效率：CO2激光器的光电转换效率通常在10-30%之间，能够最大限度地将电能转换为光能。

-较低的光束质量：CO2激光器的光束质量较差，通常具有较大的光斑尺寸和较差的光束射准度。

2.光纤激光器光纤激光器是一种使用光纤作为激光体的激光器，产生的激光束通常工作在1微米以下的波长。

光纤激光器具有以下特点：-高功率输出：光纤激光器具有较高的功率输出，通常为几千瓦。

-高效率：光纤激光器的光电转换效率较高，通常在30-40%之间。

-高光束质量：光纤激光器可以产生具有较小光斑尺寸和出色光束质量的激光束。

-可靠性和耐用性：光纤激光器具有较长的寿命和较高的可靠性，适用于长时间运行和恶劣环境。

3.二极管激光器二极管激光器是一种使用半导体材料作为激活介质的激光器，常见的波长包括808nm、940nm和980nm。

二极管激光器具有以下特点：-小巧轻便：二极管激光器体积小，重量轻，便于安装和携带。

-高效率：二极管激光器的光电转换效率通常在50%以上，具有优秀的能源利用率。

-窄光谱：二极管激光器产生的光束具有相对较窄的光谱线宽，适用于许多精密应用。

-快速调制：由于二极管激光器具有快速的调制特性，它们常用于通信和数据传输领域。

4.固体激光器固体激光器使用固体材料（如Nd:YAG、Nd:YVO4等）作为激活介质，并通过泵浦光源来激活材料产生激光束。

固体激光器具有以下特点：-高功率输出：固体激光器通常可以产生较高功率，从几十瓦到几千瓦不等。

-高光束质量：固体激光器可以产生较小的光斑尺寸和出色的光束质量。