光纤激光器简介

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1、目录第一章、激光基础第二章、激光器第三章、光纤的特性第四章、光纤激光器第五章、实验室激光器型号及操作安全第一章激光基础1.1什么是激光？激光在我国最初被称为“莱赛”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”的缩写。意为“辐射的受激发射光放大”，大约在1964年，根据钱学森院士的建议，改名为“激光”。激光是通过人工方式，用光或者放电等强能量激发特定的物质而产生的光。激光的四大特性：高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至

2、上万度的高温，这就使其能够加工几乎所有材料。由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。1.2激光产生的基本理论1.2.1原子能级和辐射跃迁按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级,如图1-1。图1-1原子能级图当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级称为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量增图1-2电子跃迁图加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射

3、跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1）。1.2.2受激吸收、自发辐射、和受激辐射受激吸收：处于低能级上的原子，吸收外来能量后跃迁到高能级，则称之为受激吸收。自发辐射：由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去，如果跃迁中发出光子，则这个过程称为自发辐射。两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐

4、射光子。当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射……如此循环不止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后，电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼热，使钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光子，于是灯泡就亮了。受激辐射：处于高能级E2上的原子，受外来频率（满足hv=E2-E1）的光子的激励，从E2跃迁到E1，发出一个和外来光子完全相同的光子，称为受激辐射。受激辐射和自发辐射有本质的区别：前者是受激产生，跃迁时产生的光子与外来光子在频率、相位、方向、和偏振方向上完全一致，吸收一个光子，放

5、出两个光子，产生的光子相当于加强了外来光子，即光放大作用。而自发辐射的光子频率不同，是杂乱无章的，完全不相干的。光放大作用简单地说，就是输入是一个外来光子，而输出的则是性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的两个光子中，一个就是外来光子本身，而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的，即是被外来光子“激”出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射，得到两个完全相同的光子，这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产生受激辐射，就可以得到完全相同的4个光子，4、8、16……如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多，可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放

6、大了的光，便是激光。1.2.3粒子反转分布从光的放大作用可以看出，要想实现放大，则必须输入外来光子（即种子光，后面要讲的泵浦光），并且要有可供受激辐射的处在高能级的原子。在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满足玻尔兹曼公式，即能级的能量愈高，上面的粒子数越少。这时如果给粒子系统提供一个外来能量，使低能级上的粒子吸收能量跃迁至高能级上，使高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个形成了粒子数反转的能级之间，受激辐射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。1.2.4激光产生的三要素：激励源，工作介质，谐振腔一、激励源要想把处于低能态的粒子

7、送到高能态去，就得借助外力工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率的水泵作功才成。同理，要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能级“搬运”到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。由于其作用原理和水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为“光泵”。“光泵”只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。实际上粒子都是甘居低能态的，而且很顽固，并不是象水一样很容易地就被泵抽运