《激光器工作特性》PPT课件.ppt

第四章连续激光器的稳态工作特性 1激光形成的条件 一 阈值条件 1 阈值增益系数 证 为使 必须有 2 阈值反转粒子数 证 1 三能级 2 四能级 n3 n n3t nt 二 起振模式数 1 激发参量 2 振荡线宽 1 定义小信号增益曲线中大于Gt部分的线宽 3 阈值上能级粒子数 证 非均匀加宽 证 2 大小 均匀加宽 3 起振模式数 x 取整函数 本征纵模频率间隔 三能级激光介质总粒子数密度为n 5 1013m 1 发射截面为S 2 5 10 14m2 介质长l 20cm 单程损耗率 0 01 求阈值增益系数 阈值反转粒子数密度和阈值上能级粒子数密度 例1 解 激光器腔内总损耗系数等于激活介质的峰值增益系数的1 4 分别按均匀加宽和非均匀加宽计算振荡线宽 荧光线宽 F 150MHz 例2 解 均匀加宽 非均匀加宽 He Ne激光器放电管及腔长都为L 1 6m 直径为d 2mm 两反射镜透射率分别为0和T 0 02 其它损耗的单程损耗率为 0 5 萤光线宽 F 1500MHz 其峰值小信号增益系数Gm 3 10 4 d1 mm 求 激发参量 可起振的纵模个数 q 例3 解 0 01 0 005 0 015 2模式竞争 一 基本概念 满足振荡条件的激光纵模由于使用相同反转粒子数而产生的竞争 二 特点 1 均匀加宽 所有模式间有竞争 靠近中心频率处的模式取胜 2 非均匀加宽 2 关于中心频率对称的两模式间有竞争 随机取胜 1 烧孔不重叠的模式之间无竞争 造成多纵模输出 三 跳模现象 1 现象均匀加宽激光器点燃时 输出激光的频率在中心频率附近产生周期性变化 2 解释 1 温度升高 腔长变大 光频向低频漂移 2 由于模式竞争 光频漂移到处被模代替 3 规律 2 腔长每伸长 产生一次跳变 证 1 输出光频在至范围内变化 3输出功率 1 均匀加宽激光器 一 腔内稳定光强 0 证 稳定时 2 非均匀加宽激光器 证 稳定时 二 输出功率 S 激光介质横截面积 T 输出镜透过率 I I I 证 三 均匀加宽激光器的最佳透射率与最大输出功率 0 a 除输出损耗外的其它往返损耗率 四 兰姆凹陷 1 现象 非均匀加宽气体激光器的输出功率 在中心频率 0处出现下降 2 原因 0处两烧孔重合造成输出功率的下降 3 规律 1 气压越高 凹陷越浅 气压高 加大 L 向均匀加宽转化 2 激发越强 凹陷越深 激发强 烧孔面积大 CO2激光器谐振腔长L 0 8m 放电管直径d 20mm 输出镜透射率为T 0 04 其他往返损耗率a 0 04 求 腔内稳定光强 输出功率 最佳输出功率 设只有 0一个模式 所须经验公式 Gm 1 4 10 2 d1 mm Is 72 d2w mm2 例1 解 0 02 0 02 0 04 He Ne激光器的谐振腔长L 1 5m 截面积S 1mm2 输出镜透过率为T 0 02 激活介质的多普勒线宽为 D 1000MHz 饱和参数为Is 10w mm2 现将此激光器激活 激发参数 4 求总输出功率 所有模式都按中心频率计算 例2 解 例3 解 非均匀加宽气体激光器中 已知Gm 10 41 mm 总单程损耗率 0 02 腔长L 0 5m 入射强光频率为 且光强达到稳定 求该光在增益曲线上所烧孔的深度 G 4线宽极限 一 无源腔本征纵模线宽 L l 二 有源腔纵模线宽极限 1 计算方法 s GL 有源腔单程净损耗率 2 产生线宽极限的机理 输出激光中有自发辐射的贡献 证 3 分配给每个激光模式的自发辐射几率 V SL 激光腔体积 4 光子数速率方程 1 不考虑自发辐射的影响 a b 令 证 5 有源腔单程净损耗率 6 线宽极限 0 n n3 2 考虑自发辐射的影响 或 光在单程时间内自发辐射到激光模式中的光子数与模式总光子数之比 2 表达式 令 3 表达式 1 表达式 某激光器中心频率为 0 5 1014Hz 谐振腔长L 0 8m 单程损耗率 0 04 中心频率模式的输出功率为P 0 05w 求此模式的线宽极限 例1 解 光源频谱线宽 三 线宽小结 线宽数量级 He Ne 例4 解 分别求光频为 的两个激光模式在非均匀加宽增益曲线上的烧孔宽度 激发参数为 碰撞线宽为 L 5频率牵引 一 激光介质的色散 均匀加宽 1 色散现象 中心频率 0附近介质的折射率随频率而变 2 色散关系式 3 色散曲线 二 频率牵引 1 现象 有源腔纵模频率比无源腔靠近中心频率 2 解释 2 当时 则 即 1 当时 则 即 3 牵引参量 1 定义 2 计算 均匀加宽 证 稳定时G I Gt 例1 均匀加宽激光器 谐振腔与激光介质长度都为L 50cm 介质折射率为n 1 6 荧光