激光技术基础-第八讲.ppt

第五章激光器的振荡特性 5 1激光器的振荡阈值5 2激光器的振荡模式5 3输出功率与能量5 4驰豫振荡5 5单模激光器的线宽极限5 6激光器的频率牵引 第八讲 引言 激光器分类 按泵浦方式分类 连续激光器 脉冲激光器激光器的阈值振荡条件阈值反转粒子数 阈值增益阈值泵浦功率 能量 激光器的振荡模式均匀加宽激光器的模竞争 单模输出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模式选择选横模选纵模 引言 激光器分类 工作方式 按泵浦方式分类 1 连续激光器 稳定工作状态 稳态 在泵浦时间内 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2 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 短脉冲激光器 t0 t2 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 三能级系统 红宝石 的泵浦激励 矩形脉冲激励 泵浦效率 荧光效率 若尚未形成自激振荡或在阈值附近 可忽略受激辐射跃迁过程 可解得当时 讨论 1 经历两种变化过程 0t0泵浦脉冲撤除n2 2 t t0 t0 2 时n2最大 t0 4 t0 t2 长脉冲泵浦 激励时间足够长 n2完成增长过程达到稳定值 可按稳态处理 n1也达到稳定值 3 t0 t2短脉冲泵浦 时间极短 忽略SP 光泵作用过程中 n2 t 处于不断增长的非稳态 W13 t w13 0 t0 t 为什么可忽略 5 1激光器的振荡阈值 OscillationThreshold 一 阈值反转粒子数密度Dnth 阈值条件 自激振荡条件 1 Dn 0 2 g a 推导Dnth公式的两种方法 1 增益 光强 变化 2 速率方程 1 增益 光强 变化 前提 增益介质充满腔内 单程损耗 其中 2 速率方程 小信号情况时的Dn Dnth L l h Va VR 设腔内A处处相等 修正 工作物质折射率 不同模式 频率 具有不同的受激辐射截面 Dnt值也不同 阈值反转粒子数密度 即n n0时的反转粒子数密度 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 二 阈值增益系数gt即n n0时的阈值增益系数 均匀加宽 非均匀加宽 讨论 不同模式 n s21 n n0 不同 Dnt不同 即Dnt n 不同纵模具有相同的 因此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 三 连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 PPtt0 t2 1 四能级系统 假定泵浦均匀 当 时 作为稳态处理 单位时间 单位体积内 E2 E1跃迁的粒子数或 要维持 通过泵浦 吸收 E0 E3 或 泵浦光子能量 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 激光下能级为基态 设总粒子数密度为n E2能级阈值粒子数密度为n2t 四 短脉冲 t0 t2 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 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 短脉冲激光器 长脉冲或连续激光器 四能级 三能级 当t0 t 界于长脉冲与短脉冲之间 A21 S21的影响不能忽略 无法得到Ept解析表达式 t0给定 可数值求解 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G a形成振荡三能级n1为基态 至少要抽运n 2粒子 且n 2 Dnt2 泵浦效率的提高 EDFA采用半导体激光器泵浦 3 Ppt Ept与工作物质特性有关 均匀加宽 非均匀加宽 荧光线宽小的介质是好的激光工作物质 钕玻璃 YAG比较 4 应保证腔内各光学元件质量 减小各种损耗 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光泵 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 5 2激光器的振荡模式 即激光输出模式 要求了解和掌握 什么是激光振荡模式 激光输出模式由哪些因素决定的 增益饱和在激光振荡中所起的作用 均匀和非均匀加宽 什么是模竞争 空间烧孔效应的产生及对模式的影响 如何获得基 横 模TEM00振荡 如何获得单纵模 单频 振荡 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 均匀加宽激光器增益曲线的均匀饱和及自选模作用 g0 n 稳态增益 结论 一般情况下 均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模 该模频率总是在增益曲线中心频率附近 由于模竞争其它纵模被抑制而熄灭 横模之间同样存在模式竞争 但由于阈值增益系数不同 使得情况比较复杂 通过饱和效应 某一个模逐渐把别的模的振荡抑制下去 最后只剩下它自己的现象 称之为模竞争 modecompetition 2 空间烧孔效应及其引起的多模振荡 轴向空间烧孔效应 设横向分布均匀 仅考虑Z向分布 腔内驻波场分布增益空间分布g z 增益的空间烧孔轴向驻波场分布导致工作物质中各点增益不同 空间烧孔引起多模振荡的物理原因当激励作用较强时 由于空间烧孔效应 不同纵模可以分别使用腔内不同部位的高能级粒子 纵模的空间竞争 空间烧孔的形成条件 驻波腔烧孔间距在波长量级 粒子空间转移速度较慢 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 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 二 非均匀加宽激光器的振荡模式 1 外激励 g0 满足阈值条件的纵模 振荡模式数 2 非均匀加宽激光器中模竞争的表现 若纵模频率n1 n2对称分布在中心频率n0两侧 消耗相同速度Vz的反转粒子数 相邻纵模的烧孔重叠 n1 n2 Dn 烧孔宽度 要实现单模激光 需要进行模式选择 详见第七章 5 3输出光功率与能量讨论稳态情况下的平均光强 腔内光强不均匀 只能粗略估算激光器输出功率一 连续 或长脉冲 激光器输出功率 单模激光器 设第l模 频率为nq T1 0 T1 T I I 饱和加深 稳态光强 不变 g n gt 饱和 1 均匀加宽激光器 n n0 假设 同时参与饱和 I I 求腔内In T1 0 T1 T 时腔内的光强 dT是指数损耗因子T是百分比损耗因子 两者不能等同 在T 1的情况下 如 气体激光器 2 T a 有 严格推导表明 在 T的情况下 上式仍成立 往返净损耗因子 A 激光束有效截面积 耦合输出效率 讨论1 输出功率 激励功率 Pp P 固体激光器 光泵 当 P随Pp线性增加 光泵浦激光器输出功率由超出Ppt的泵浦功率转换得到 5 3 5 耦合输出效率 S 工作物质的横截面 讨论2 最佳透过率的实验测定及计算 气体激光器 存在最佳放电电流 He Ne最佳放电条件下gm经验公式 取微分 Tm确定 实验Pp一定 改变T测Pout 计算dP dT 0 Fig 5 3 2 Fig 5 3 3 讨论3 输出功率 工作物质长度 l P 讨论4输出功率 工作物质性质 三能级 说明 上述物理模型的适用范围 高Q 低损耗激光器 才能使 W03 n 21 2 P 四能级 三能级系统对W13有要求 2 非均匀加宽单模激光器 nq n0时 和分别在增益曲线烧两个孔 不是共同作用 nq n0 烧同一个孔 同上思路可得 输出功率下降 在P与频率 的关系曲线上 0处出现凹陷 兰姆凹陷 兰姆凹陷 LambDip 单模输出功率P与频率n的关系 P 烧孔面积 表征对激光有贡献的反转粒子数 烧孔重叠条件 兰姆凹陷宽度 dn 烧孔宽度 兰姆凹陷宽度 dn DnL 碰撞线宽 气压 碰撞加宽DnL 烧孔宽度dn 深度变浅 P3 p2 p1 3 多模激光器非均匀加宽 Dnq足够大 不发生烧孔相连时 用 5 3 10 及 5 3 12 计算每个纵模的输出功率 总功率即为各