激光原理课件5-1[wsg]

激光原理2008/2009学年第二学期主讲：涂兴华主要内容1、激光器的振荡阈值a、激光器的运转方式（短脉冲、长脉冲和连续运转）b、阈值增益系数（重点）c、阈值反转集居数密度（重点）d、阈值泵浦功率和阈值泵浦能量2、激光器的振荡模式a、增益曲线均匀饱和引起的自选模作用（重点）b、空间烧孔引起多模振荡c、非均匀加宽激光器的多纵模振荡第五章激光振荡特性§5.1激光器的振荡阈值激光器的运转方式按激光器泵浦方式连续激光器脉冲激光器连续激光器长脉冲激光器t0：激励持续时间：激光上能级寿命s)(0st)(0stPulsedlaser:PLContinuousWaveLaser:CWLQuasi-continuous-waveLaser:QCWL连续激光器以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术等）的场合长脉冲激光器:泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。短脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等常见脉冲激光器：钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、氮分子激光器、准分子激光器等激光器的运转方式粒子数密度为的红宝石（三能级）被矩形脉冲激励光照射，其激励几率：n1313()0WWt00tt0tt13()Wt13W00tt图5.0.1(a）激光器的运转方式一、短脉冲运转2()nt20()nt00tt13()Wt13W00tt1.0tt211132()1132211132()[1]AWtWnnteAW激光上能级粒子数密度按上式规律随t增长基态（激光上能级:n2）（激光下能级:n1）E1E2亚稳态E3（抽运高能级:n3）W21W13A31S31S32A21S21W12激光器的运转方式一、短脉冲运转13()Wt13W00tt2.0tt2111302()1132211132()[1]AWtWnnteAW激光上能级粒子数密度达最大值2()nt20()nt00tt激光器的运转方式一、短脉冲运转13()Wt13W00tt激光上能级粒子数密度随时间t按上式规律指数下降3.0tt130W22122()()dntAntdt2102()220()()Attntnte2()nt20()nt00tt激光器的运转方式一、短脉冲运转4.若泵浦脉冲以周期T重复施于激光器…………13()Wt13W00tt2()nt20()nt00ttTT0tT0tT各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，系统处于非稳定态激光器的运转方式二、长脉冲和连续运转按上式规律随t增长。2()nt1.st0211132()1132211132()[1]AWtWnnteAW激光器的运转方式二、长脉冲和连续运转113220211132()()WnntntAW完成增长过程而达到稳定值，保持为常数。2()nt2.0tts211132()1132211132()[1]AWtWnnteAW激光器的运转方式二、长脉冲和连续运转3.0tt2102()220()()Attntnte随时间t按上式规律指数下降2()nt思考：为什么激光器会有脉冲和连续运转之分?与泵浦有什么关联？激光器的运转方式二、长脉冲和连续运转3.连续激光器0dNdt0idNdt，结论：在泵浦时间内，各能级粒子数及腔内光子数可以达到并处于稳定状态。思考：激光器设计中，“阈值条件”的意义是什么？激光器的振荡阈值振荡阈值：能够使激光器产生并维持激光振荡的最低条件。阈值增益系数gainthreshold阈值条件阈值反转集居数密度Populationinversionthreshold阈值泵浦功率（阈值上能级粒子数密度）Pumppowerthreshold阈值增益系数光在无源腔内往返一周后的光强：210IIe光在有源腔内往返一周后的光强（不考虑损耗）：0210glIIe光在谐振腔内往返一周后的光强（考虑损耗与增益）：02()10glIIe——单程损耗因子（Lossfactor）——小信号增益系数（Gaincoefficient）0g阈值增益系数阈值增益系数：tgl起振条件：10II02()0gl0gl讨论：影响阈值增益系数的因素有哪些？激光器起振模谱（图5.1.1)0()g001q012q00q001q002q011q01q011q01tg00tg不同纵模的相同，故具有相同的；tg不同横模的不同，故不同（横模较大，也较大）tgtg讨论：激光器稳定振荡时的特点？z()Iz0ImI0zg0g0阈值增益系数讨论：激光器稳定振荡时的特点？tgg)(图1.4.112nn?tn2E1E2E1E阈值反转集居数密度12nnn阈值反转集居数密度增益系数和反转集居数密度间的关系：210()(,)gn),()(021gnlgntt),(),(021021讨论：此时的反转集居数密度阈值适合作为考量一台激光器的指标吗？阈值反转集居数密度特例：频率为的模式0),(00212121tnl激光器的阈值反转集居数密度：不同模式（频率）具有不同的阈值反转集居数密度。中心频率处阈值反转粒子数最低。讨论：影响阈值反转粒子数密度的因素有哪些？阈值泵浦功率1.四能级系统12120nnnnn，E2能级阈值粒子数密度：lnntt),(0212（一）连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率：)(0st2121323030,ASSAS10S较大基态E2（激光上能级）E0W03A30S30S32A21S21W21W12E3（抽运高能级）S10E1（激光下能级）221ttnnl频率为的模式：0阈值泵浦功率1.四能级系统21PtPPtFsFshnVhVPl阈值泵浦功率：（一）连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率：)(0st基态E2E0W03A30S30S32A21S21W21W12E3（抽运高能级）S10E12n稳定于时：2tn)/(22stn个粒子21EE)/(22stn)/(22stn个粒子32EE)/(22stn)/(2sFtn个粒子03EE)/(2sFtn阈值泵浦功率2.三能级系统1221nnnnnn，上能级粒子数密度：22nnn阈值上能级粒子数密度：22ttnnn（一）连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率：)(0st基态（激光下能级）E1W13A31S31S32A21S21W21W12E3（抽运高能级）（激光上能级）E2亚稳态阈值泵浦功率2.三能级系统22nnt2PPtFshnVP阈值泵浦功率：（一）连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率：)(0st阈值泵浦功率（二）短脉冲（）激光器的阈值泵浦能量：st0激励持续期间，E2能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响可忽略四能级系统三能级系统1021112),(nVhElVhVnhEPPtPtPPt阈值泵浦功率（三）短脉冲（）激光器的阈值泵浦能量：可比拟与st0无法得到EPt简单解析式；若t0给定，则可数值求解。阈值泵浦功率关于激光器阈值泵浦功率的三点结论：（1）三能级系统所需的阈值能量比四能级大得多；（2）三能级系统激光器中对阈值功率（能量）影响不大，四能级系统中，阈值功率（能量）正比于；（3）四能级系统的阈值功率（能量）正比于。F思考：三能级系统所需的阈值能量比四能级大还是小？为什么？（从激光上能级阈值粒子数密度来考虑）第五章激光振荡特性§5.2激光器的振荡模式核心问题:与饱和效应相关的模式(纵模或横模)之间的竞争！起振模式数：1TqqT——振荡带宽：激光器小信号增益系数中大于阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围Tqtg0()g激发参数：mmtgglg反映了激光器外界激发作用的大小与谐振腔损耗大小的比值。问题思考:试说明某个频率的光要成为激光的纵模并起振，它必须突破几个关口？参考：①满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一。②频率落入工作物质的谱线线型范围ΔνT内,即对应小信号增益系数大于阈值增益系数。Tqtg0()g均匀加宽激光器中的模竞争1.增益曲线均匀饱和引起的自选模作用起始：11()()()qqqtgggg、、增益曲线下降到曲线1：11()()()qtqqtggggg、增益曲线下降到曲线2：1()()qtqtgggg增益曲线下降到曲线3：()qtgg0()g12g0tg31qq1q图5.2.1均匀加宽激光器中的模竞争1.增益曲线均匀饱和引起的自选模作用竞争结果：最靠近中心频率的一个纵模取胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭。小结：理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式是单纵模，单纵模频率总是位于谱线中心频率附近，且模增益系数就等于阈值增益系数。tg均匀加宽激光器中的模竞争竞争结果：a、阈值增益系数较小的横模最靠近中心频率的一个纵模取胜，形成稳定振荡。b、该横模的其它纵模都被抑制而熄灭。c、阈值较大的横模的各纵模都被抑制而熄灭。0()g001q012q00q001q002q011q01q011q01tg00tg思考：均匀加宽激光器横模之间如何竞争？均匀加宽激光器中的模竞争a.横模间也有竞争；b.横模竞争情况较复杂；c.可通过选模措施获得单横模输出。小结（横模竞争情况）：均匀加宽激光器中的模竞争2.空间烧孔引起多模振荡LzzzqIqIn若的波腹与的波节重合，则模式可能得到较高的增益系数而形成振荡。qqq增益的空间烧孔效应：波腹处光强大，用去的反转粒子数多，增益系数下降的也大；波节处光强小，用去的反转粒子数少，增益系数下降的也少纵模的空间竞争：由于轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡的现象均匀加宽激光器中的模竞争2.空间烧孔引起多模振荡纵模空间烧孔的消除：①使激活粒子在空间迅速转移，抹平烧孔。例如：以均匀加宽为主的高气压气体激光器中，由于气体分子热运动，使空间烧孔无法形成，故可获得单纵模振荡。均匀加宽激光器中的模竞争2.空间烧孔引起多模振荡纵模空间烧孔的消除：例如：在固体工作物质中，激活粒子被束缚在晶格上，借助粒子和晶格的能量变换形成激发态粒子的空间转移，激发态粒子在空间转移半个波长所需的时间远远大于激光形成所需的时间，所以轴向空间烧孔不能消除。如不采取特殊措施，以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡。在含光隔离器的环形行波腔内，光强沿轴向均匀分布，不存在轴向空间烧孔效应，可实现单纵模输出。②加上光隔离器形成环形行波腔，无轴向空间烧孔。均匀加宽激光器中的模竞争2.空间烧孔引起多模振荡横模也能形成烧孔效应横向烧孔尺度较大(mm量级)，粒子的迁移不能消除这种不均匀性。所以，当激励作用足够强时,不同横模可以分别使用不同横向空间的激活粒子而形成多横模振荡。均匀加宽激光器中的模竞争小结：当激发较弱时，均匀加宽激光器可实现单纵模、单横模振荡输出。当激发较强时，由于增益空间烧孔的形成，不同模式的光可分用不同空间的反转粒子而实现多模振荡。轴向(纵向)空间烧孔导致多纵模振荡，横向空间烧孔导致多横模振荡。非均匀加宽激光器多纵模振荡0gtgThreshold1q1q2q02q思考：非均匀加宽激光器中存在模竞争吗？模竞争现象如何？非均匀加宽激光器多纵模振荡0gtgThreshold1q1q2q02q1.当纵模间隔足够大时，非均匀加宽激光器的各纵模之间没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈值增