清华激光原理第七讲

(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
ppt课件
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4.重叠率计算——Overlap
激光器 扫描镜
• 场镜：聚焦系统为F-θ 平场透镜，选用焦距 f=254mm。普通聚焦透镜像高y与入射角度θ 的关 系符合y=f tgθ ，当入射光偏转时其在焦平面上 的扫描速度不断变化；对普通透镜作改进后使像
高y=f θ ，以等角速度偏转的入射光实现线性扫 描，这种线性成像物镜称为F-θ 镜。
振镜
扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvo scanning system。所谓振镜，又可以称之 为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计 算机控制的-5V—5V 或-10V－+10V 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统 相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电
场镜
ppt课件
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振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机 ,基本原理是通电线圈在磁场中产 生力矩 ,但与旋转电机不同 ,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩 ,大小与转子偏 离平衡位置的角度成正比 ,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时 ,电磁力矩与 回复力矩大小相等 ,故不能象普通电机一样旋转 ,只能偏转 ,偏转角与电流成正比 ,与电流计一 样 ,故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanomet ric scanner) 。

工作原理
气体激光器的工作原理基于气体放电产生的粒子数反转。当放电管中的工作气体受到电场激励时，气体分子或原 子被激发到高能级，然后通过自发辐射或受激辐射跃迁到低能级，释放出光子。这些光子在谐振腔中来回反射， 不断激发更多的粒子数反转，从而实现光放大和激光输出。
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气体激光器性能特点及应用领域
3
激光产生机制
01
02
03
受激辐射
原子或分子在外部能量作 用下，从高能级向低能级 跃迁，同时发射出与激发 光相同性质的光子。
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粒子数反转
通过泵浦等方式，使得高 能级上的粒子数多于低能 级，形成粒子数反转分布。
光学谐振腔
提供正反馈机制，使得受 激辐射的光在腔内多次反 射、放大，最终形成强光 束输出。
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液体与光纤激光器性能特点及应用领域
液体激光器
主要应用于科研、光谱分析、生物医学等 领域。
VS
光纤激光器
主要应用于工业加工、通信、医疗等领域。
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半导体激光器与量子级联 激光器
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半导体激光器结构及工作原理
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结构
半导体激光器主要由P型半导体、N型半导体以及它们之间的有源层构成。P型和N型半 导体之间形成PN结，是激光器的核心部分。
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准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有脉 冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
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液体激光器与光纤激光器
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吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达 到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。

e TEM00 模： g00ol r1r2 (1 00 ) 1
e TEM
模：
01
g01ol
r1r2 (1 01 ) 1
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
激光器以 TEM00
模单模运转
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横模选择原理
与横模阶数无关的损耗： 腔镜透射率，腔内元件吸收、散射损耗等
与横模阶数相关的损耗： 衍射损耗
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纵模选择方法
标准具透过率：
T (
)
(1
(1 R)2
R)2 4R sin2(
2
)
1
1 4R (1 R)2
sin 2 (
2
)
标准具透射峰对应的频率：
m
m
c
2d cos
m q
单纵模输出
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
m
osc
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纵模选择方法
3. 复合腔法
用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜， 则其组合反射率是频率的函数。
决定横模鉴别能力的因素：
10 00 、 d
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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10 / 00 值与菲涅耳数N的关系
10 00
随N增加而变大
d
随N增加而减小
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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横模选择方法
改变谐振腔的结构和参数：气体激光器 在一定谐振腔内插入附加选模元件：固体激光器
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7.2.2 稳 频 方 法
主动稳频技术：
选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏 离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误 差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长， 使激光频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。