第五章激光振荡特性课件

第五章激光器的工作特性引言•激光器分类(工作方式－按泵浦方式分类)连续激光器脉冲激光器短脉冲激光器长脉冲激光器三能级系统(红宝石)的泵浦激励W13(t)w130t0t矩形脉冲激励0130131300tttWttWtW(习题4-8)w13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E332313231SASS2121AS,1332WS332113332311nSnWnSA03n3232121202111222313231313,SnASnNnffndtdnASnWndtdnlv123nnnn3132321ASS泵浦效率荧光效率2121212SAAW13(t)w130t0t从泵浦→阈值附近(尚未形成自激振荡),可忽略受激辐射跃迁过程可解得当时,00tttWAeWAnWtn13122111312211312讨论:1.n2经历的两种变化过程0tt0激励过程中n2tt0泵浦脉冲撤除n22121222122130SAnAndtdnW22121132221211312AnWnnAnWndtdnn2(t0)t0tn2W13(t)w13t0t4.t0t2(长脉冲泵浦)激励时间足够长1312211312WAnWtn1321212121WAnAtnntn3.t0t2短脉冲泵浦,时间极短,忽略SP21321dnWnndttWntn1312exp1光泵作用过程中,n2(t)处于不断增长的非稳态(为什么？)2.t=t0时n2最大11320211132WnntAW•连续激光器－稳定工作状态(稳态)各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。速率方程代数方程•脉冲激光器－非稳定工作状态(非稳态)泵浦持续时间短,各能级粒子数及腔内光子数密度处于剧烈的变化之中。根据泵浦持续时间t0及激光上能级寿命t2对脉冲激光器细分0;0dtdNdtdnln2完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理;n1也达到稳定值W13(t)w130t0ttn2短脉冲激光器(t0t2)未达到平衡,泵浦作用终止非稳态,数值解,小信号微扰或其他近似方法长脉冲激光器(t0t2)泵浦作用时间较长，趋近稳态连续激光器可按稳态处理理论上说,脉冲激光器和连续激光器没有严格界限§5.1激光器的振荡阈值(OscillationThreshold)阈值反转粒子数密度阈值增益系数阈值泵浦功率（阈值泵浦能量）一.阈值反转粒子数密度Dnth自激振荡条件:（1）Dn0;（2）ga推导Dnth的两种方法:(1)光强变化*(2)速率方程;(1)往返一周的光强变化0)(20211)(2)(01000IeIrrrereIIlglglgaaa21ln21rrlgtha021,ththgnDissdTaaaaaa21a10221lgerrala0)(2010IeIIlgthgl增益介质充满腔内I0，I1r1r2thgalnth021,D(2)速率方程方法阈值－小信号情况0ldNdtRllllNvNnffndtdNt0211122,LlVaVRRlllllllLANAlNAlNcnffndtlLANAlNdt0211122,lLAVAlVRa设腔内A处处相等修正cNcNlllLlLcLRltLcNLlcNnffndtdNlll0211122,0dtdNllnnt0210,DD0nDdtdNALllNAL•不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同020221021,~8,gvA021,ngDlnggttD210•阈值反转粒子数密度－0时的阈值反转粒子数密度lnt2100D•中心频率处阈值反转粒子数最低•阈值增益系数唯一地由单程损耗决定，当腔内损耗一定时，阈值增益系数为一常数lnnt021000,,,DDlnntt210DD二、阈值增益系数gt即0时的阈值增益系数210ttnlggDHtAvlnDD202212214DtAvlnDD20232122142ln均匀加宽非均匀加宽*讨论•不同模式()21(,0)不同Dnt不同，即Dnt()•不同纵模具有相同的阈值增益gt•不同横模的衍射损耗不同,gt不同高阶横模的阈值增益大于基模，即0001ttgg三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率（Ppt，t0t2）1.四能级系统（假定泵浦均匀）211000nnnSDlnntt212Dw03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10•单位时间单位体积内，E2E1跃迁的粒子数或22ttn22tstn要维持tnn22•需要E3E2粒子的跃迁补充22tsn同样多的粒子数•通过泵浦（吸收）E0E3122ttn212tstn或22121212sAAStt3132321ASS21221ptptpPtsFsFshnVhnVhVPltttDph－泵浦光子能量21F－总量子效率2.三能级系统•分析方法与四能级系统类似，不同之处－三能级系统中，激光下能级为基态（E1）22ttnnnDnntD22nntsFpptnVhPt22112nnnnnnD若要使Dn=1需吸收（泵浦）光子数(1/1)要使n2=n2t需吸收（泵浦）光子数(n2t/1)当单位体积吸收的泵浦光子数(n2t/1)就能产生激光12VnhEtppt12nVhEppt短脉冲激光器长脉冲或连续激光器stpptVnhPt21DspptnVhPt212四能级三能级四、短脉冲（t0t2）激光器的阈值泵浦能量短脉冲激励：忽略自发辐射(A21)及无辐射跃迁(S21)只考虑泵浦激励作用讨论:1.四能级系统激光器阈值低于三能级系统四能级n10,只需抽运Dnt粒子就可使ga形成振荡三能级n1为基态,至少要抽运n/2粒子,且n/2Dnt2.泵浦效率的提高13.Ppt,Ept与工作物质特性有关FsFtD,,,21lVhPsFpptt21ptptsFEP,,,21tHAvD202212214DAvD20232122142ln均匀加宽非均匀加宽DptptFEP,214.Dtn应保证腔内各光学元件质量,减小各种损耗ptptEP,激光器种类红宝石钕玻璃Nd:YAGHe-NeDF(Hz)3.3×10117×10121.95×10111.5×109ts(S)3×10－37×10－42.3×10－47×10－9Dnt(cm-3)8.7×10171.4×10181.8×1016109n2t(cm-3)~9.5×10181.4×10181.8×1016F0.70.41Ept/V(J/cm3)50.954.9×10－3Ppt/V(W/cm3)1600140021优良激光工作物质－荧光线宽较小(钕玻璃&YAG比较)5.Ppt和Ept的实际含义推导得出的Ppt或Ept－有效泵浦功率或泵浦能量实际激光器Ppt或Ept为输入泵浦光源的电功率固体激光器为例电源电容脉冲氙灯工作物质充电放电发光部分吸收tnD+－电源•半导体激光器Ith注入电流•气体激光器放电电流•固体激光器闪光灯激光器激光效率补充题：今有频率光强的光及频率为的弱光在均匀加宽及非均匀加宽工作物质中传播，请作下列三种情况下~,~11gg11IsII1sII1sII1曲线示意图并(1)(2)(3)11I11I标出其宽度。•激光器的振荡模式均匀加宽激光器的模竞争及自选模作用空间烧孔引起的多模振荡非均匀加宽激光器的多纵模振荡•选模技术选横模选纵模作业:5-2,4，7；7-2•连续或长脉冲激光器输出光功率与能量均匀加宽单模激光器非均匀加宽单模激光器兰姆凹陷多模激光器§5.2激光器的振荡模式(Oscillationmode)振荡模式－满足自激振荡条件，在激光器中能形成稳定振荡输出的模式第二章从谐振腔(类型、结构）出发讨论腔内可能存在的各种场分布及谐振频率模式本节以激光工作物质的增益特性为基础，从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式一、均匀加宽激光器的振荡模式1.均匀加宽激光器中的模竞争及自选模作用123,,.....2cqL21ln21rrlgtha0thggthgg0123......2满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（modecompetition）稳态增益......g0thg123增益曲线123g()g(1)I1g(2)I2g(3)I3红gthgthgth蓝gthgth=gth绿=gthgthgth0棕gth0=gthgth0结论：无论起始时满足振荡条件有多少个纵模，理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模。•时，达到稳态值•大信号增益＝阈值增益时为稳态增益22,thgIg2I2.增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡•解释在泵浦激励较强情况下，均匀加宽激光器(尤其固体激光器)产生多模振荡的原因•烧孔效应（第四章）－光谱烧孔效应或频域烧孔效应轴向空间烧孔效应的形成(设横向分布均匀)腔内驻波场分布增益空间分布g(z)增益空间烧孔波腹－光强大；波节－光强小轴向驻波场分布导致工作物质中各点增益不同－增益空间烧孔波腹－g小；波节－g大烧孔间距在波长量级空间烧孔的形成条件:驻波腔粒子空间转移速度较慢气体:无规热运动,空间转移迅速,难以形成空间烧孔固体:如Cr离子束缚在晶格结构上，转移l/4需10-4S半导体:10-7S空间烧孔引起的多模振荡当激励作用较强时,不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子而同时发生振荡－纵模的空间竞争qq可形成较弱的振荡横向空间烧孔的形成原因横模粒子数的空间分布不均匀,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•当激励作用足够强时,不同横模可以分别使用不同空间的激活粒子而形成多横模振荡XTEM00I00DnXTEM10DnI10要点：什么是激光振荡模式？激光输出模式由那些因数决定？增益饱和在激光振荡中所起的作用？（均匀和非均匀加宽）模竞争在均匀加宽和非均匀加宽介质中的表现？空间烧孔的产生及其对振荡模式的影响？二、非均匀加宽激光器的振荡模式1、外激励g0满足阈值条件纵模振荡模式数只要模间隔足够大，各个纵模互不相关2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现若纵模频率1,,2对称分布在中心频率0两侧，消耗相同速度vz的反转粒子数相邻纵模的烧孔重叠12Dn烧孔宽度HsIID11D•振荡线宽－小信号增益等于阈值增益时所对应的宽度三、选模(P.211)选模意义：基横模（TEM00）～发散角小～空间相干性单纵模～单色性好～时间相干性1.横模选择横模选择的物理基础：不同横模有不同的衍射损耗横模选择原则尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗差尽可能减少除衍射损耗外的其它损