《激光器件》课件第5章

5.1固体激光器的基本原理

5.2固体激光器的基本特性

5.1.1固体激光器的基本结构

典型的灯泵固体激光器结构如图5.1所示，其基本结构由工作物质、泵浦光源和谐振腔等三部分组成，另外还有电源、聚光腔、滤光系统、冷却系统等。5.1固体激光器的基本原理

图5.1灯泵固体激光器结构示意图5.1.2固体激光器的能量转换

固体激光器是通过电源系统使泵浦光源发光，将发出的光能量经聚光系统耦合到工作物质中，被其中的掺杂离子共振吸收而实现粒子数反转，在谐振腔中形成激光振荡。在这个过程中，泵浦光源的发光效率或电光转换效率ηL约为50%，该效率与电源的结构、类型及泵灯的结构性能参数有关；聚光腔的聚光效率ηc约为80%，该效率与聚光腔的类型、内表面反射率、泵灯与工作物质的匹配情况及冷却滤光的能量损失等有关；激活离子的吸收效率ηab约为20%，该效率取决于激活离子的吸收谱带、工作物质的体积、激活离子的浓度；激活离子的荧光量子效率η0

是离子吸收光子到发射光子之间的总量子效率，与离子的泵浦能级向激光上能级的碰撞弛豫概率η1及激光上能级通过辐射跃迁至激光下能级的概率η2有关。激活离子的能级结构决定了激光器的发光特性，通常可分为三能级系统和四能级系统两类，如图5.2所示。

W为受激跃迁速率，A为自发辐射跃迁几率，S为非辐射跃迁几率。对三能级离子系统有

(5-1)对四能级离子系统有

(5-2)

对三、四能级离子系统均有

(5-3)5.2.1固体激光器的阈值

由反射率分别为R1、R2的反射镜组成的谐振腔(腔长为L)和工作物质等构成的激光振荡器，在工作过程中表现出各种损耗，使粒子数反转只有达到足够程度才能建立激光振荡，

即达到阈值。其主要参数有阈值增益、阈值粒子数反转等。5.2固体激光器的基本特性

(1)输出镜的透射损耗为

T=1-R

(5-4)

式中，R为输出镜的反射率(设全反射镜的反射率为1)。

(2)工作物质的内部损耗率为

β=1-exp(-2αL)

(5-5)式中,α为工作物质的损耗系数，它包括工作物质的非共振吸收、散射、衍射损耗及谐振腔的失调等。谐振腔的总损耗为

(5-6)光在谐振腔内往返一次所产生的光强为

I=I0·R·exp［2(g0-α)L］(5-7)

式中，g0为工作物质的小信号增益，当I=I0时，则光在谐振腔内刚好起振。阈值条件为

R·exp［2(g0-α)L］=1

(5-8)阈值增益gth为

(5-9)5.2.2固体激光器的增益饱和和饱和光强

激光振荡的形成是由于腔内某一自发辐射光子在腔内增益介质中引起受激辐射和腔的正反馈，使腔内光强迅速增加，激光器处于非稳定状态。当受激辐射消耗激光上能级粒子数与其他弛豫过程相比拟时，会使增益降低，这种现象称为增益饱和。在稳态下，泵浦使激光上能级粒子数增加和受激辐射使激光上能级粒子数消耗的速率相等，粒子数反转分布Δn和腔内υ光子数密度N达到稳定状态，增益为

g(υ,υ0)=σ21(υ,υ0)·Δn

(5-10)(1)均匀加宽红宝石晶体的三能级系统的相对反转粒子数密度和增益分别为

(5-11)

(5-12)

小信号情况下，即N=0，代入得

将g0代入式(5-12)中可得

(5-13)

(2)四能级系统的相对反转粒子数密度为

(5-14)按照增益的定义，同样可得到与式(5-12)形式相同的饱和增益表达式。由于四能级系统常有，饱和光强可表示为

(5-15)5.2.3固体激光器的弛豫振荡

无论是脉冲运转还是连续运转的固体激光器，最主要的

动态特性是弛豫振荡现象。如图5.3所示是灯泵钕玻璃脉

冲激光器的输出波形和周期为50μs的正弦时标。

现在用图5.4来说明不规则短脉冲的形成过程。图5.3脉冲激光器输出的尖峰结构图5.4弛豫振荡的峰值特性因此可以忽略受激辐射对激光上能级粒子数n2的消耗，

粒子数反转速率方程可以写为

(5-16)随着光子密度增大，受激辐射成为主要因素，但在一个激光短脉冲宽度范围内，泵浦效应可以忽略，因此在实际的激光短脉冲过程中，反转粒子数密度Δn和光子数密度N的速率方程可以写成

(5-17)

(5-18)5.2.4固体激光器的输出光束质量

与其他激光器相比，固体激光器工作物质的热透镜效应会引起输出光束参量随泵浦功率变化，基模高斯光束的光斑尺寸往往远小于工作物质的横向尺寸，会使固体激光器工作于多模状态，造成固体激光器的输出光束质量较差。5.2.5固体激光器的光谱特性

激光器在工作过程中，参与激光振荡的模式与工作物质的荧光线宽、谐振腔结构、泵浦水平等因素有关。由于谐振腔模式的驻波结构，导致反转粒子数空间分布的不均匀，而这种不均匀性的弛豫是很缓慢的(约为10-4s)，从而造成反转粒子数和增益的空间烧孔，使激光器的振荡模式表现为多模式振荡。

固体激光器的增益线宽通常较大，所包含满足阈值的谐振频率很多，如图5.5所示为红宝石激光器输出的波长成分。图5.5红宝石激光器输出的波长成分5.2.6固体激光器的偏振特性

固体激光器输出激