第五章激光振荡特性课件.ppt

激光器分类(工作方式按泵浦方式分类),三能级系统(红宝石)的泵浦激励,矩形脉冲激励,(习题4-8),泵浦效率,荧光效率,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,讨论:1.n2经历的两种变化过程0t0泵浦脉冲撤除n2,4.t0t2(长脉冲泵浦)激励时间足够长,3.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,增益介质充满腔内,I0，I1,r1,r2,(2)速率方程方法阈值小信号情况,设腔内A处处相等,修正,=,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n=n0时的阈值反转粒子数密度,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（Ppt，t0t2）,1.四能级系统（假定泵浦均匀）,单位时间单位体积内，E2E1跃迁的粒子数或,要维持,需要E3E2粒子的跃迁补充,同样多的粒子数,通过泵浦（吸收）E0E3,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，不同之处三能级系统中，激光下能级为基态（E1）,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,讨论:1.四能级系统激光器阈值低于三能级系统四能级n10,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,3.Ppt,Ept与工作物质特性有关,均匀加宽,非均匀加宽,优良激光工作物质荧光线宽较小(钕玻璃W=WR处有最大值WR为弛豫振荡频率,提高调制带宽的途径(思考?),(3)增益开关DFB激光器(GainSwitched-DFB)增益开关用高速大信号调制时，使LD获得的增益大大超出阈值增益。利用LD的弛豫振荡特性获得超短脉冲,工作原理W03j,w在DFB激光器上施加调制信号，在大功率信号调制作用下产生弛豫振荡，在弛豫振荡的第一个脉冲产生后,撤除调制信号后会产生几十皮秒(ps)的超短光脉冲,主门电路,计数器,距离显示,晶体振荡器,脉冲信号输入,30MHz5m75MHz2m150MHz1m（6.67ns),(4)弛豫振荡使激光能量分散在多个尖峰脉冲上，峰值功率低时间特性差，为获得单个巨脉冲，必须抑制弛豫振荡。脉冲峰值功率较低几十kw量级,影响测距距离时间特性差：多脉冲输出影响测距精度获得巨脉冲方法：调Q、锁模,激光测距仪激光雷达,单模激光器的线宽由那些因素决定无源腔线宽有源腔线宽单模激光器的线宽极限自发辐射对单模输出线宽的影响单模激光器输出线宽极限的估算稳频激光器兰姆凹陷饱和吸收习题,作业：7-10,5.5单模激光器的线宽极限单色性时间相干性（频率特性）,多模激光器谱宽,单模激光器线宽,测量谱宽的方法：光谱仪（分辨率：0.02nmGHz）；扫描干涉仪（MHz）自差拍（KHz）,一、无源腔线宽谐振腔模本征线宽无源腔(g=0吸收与发射的光子数相等)光在无源腔中的传播时的光强变化,举例：He-Ne激光器L=30cm，r11，r20.98,无源腔线宽由无源腔内的光子寿命决定,二、有源腔（激光谐振腔）线宽（g0),仅从光子寿命出发来讨论？,有源腔线宽小于无源腔线宽,稳定振荡,2.求al,Nl,有源腔净损耗不为0，这部分损耗是由自发辐射补偿的,三、Dns的估算(四能级，单模，Ll）,分配该模式中的自发辐射几率,=,1.求ds,代入,5.5.8,举例：He-Ne632.8nmL=30cmT=0.02,P0=1mwDnc=1.6106HzDns=610-3Hzn2t/Dn2t=1,Nl,al代入(5-5-8)(5-5-3),3.,单模激光器的（理论）线宽极限,四、实际激光器输出激光的线宽,远远超出极限线宽许多量级原因：温度及其它因素引起的频率漂移,氦氖激光器（玻壳）0.01oC1MHz；固体激光器o漂移,小结：1)单模激光器线宽极限的物理原因：自发辐射，噪声2)DnsDncP0s腔内相干辐射光子增多，受激辐射在Pout占更大比例,He-Ne,小结：(续）4)s(Dnc)2:cs;Lcs外腔半导体激光器5)单模激光器实际线宽取决于频率稳定性,5.6激光器的频率牵引（FrequencyPulling）P.183什么是频率(模)牵引？当激光器的纵模频率与增益介质的中心频率不重合时，纵模频率在振荡过程中会牵向中心频率靠拢,无源腔纵模频率,有源腔纵模频率,有源腔与无源腔纵模频率差,在实际激光器中，由于增益介质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更向中心频率靠拢频率牵引,均匀加宽激光器的牵引参量,频率牵引产生原因？由于腔内增益介质的折射率对振荡频率存在色散，这种色散关系与激活介质的增益系数及增益曲线有关,（4.2.35P.131）,非均匀加宽激光器的牵引参量,习题7-2解法一,解法二按高斯光束考虑前提：YAG晶体长度较长,M1与透镜间距较大;M1和M2构成平凹腔,束腰在M1处,透镜变换后,束腰近似位于焦点处，要在P与M2间实现自再现模，M2曲率半径与波面曲率半径吻合,设束腰w0在M1处,透镜变换后,P.2447-6,7,(1),(2),(3),(4),(L=l),对,理解和认识,（1）见第八讲电子课件阈值条件的推导（2）等效速度,7-8输出脉冲能量,谱线宽度（光谱宽度、线宽）自发辐射宽度荧光宽度（荧光线宽）增益线宽,自然加宽碰撞加宽晶格振动加宽多普勒加宽晶格缺陷加宽,（自发辐射）谱线加宽,均匀加宽,非均匀加宽,了解常用激光工作物质的优势谱线加宽He-Ne,CO2,Ar3+,红宝石(低温，常温）,钕玻璃,Nd:YAG,谱线范围内一个光子能量接近不变，视为常量,两种加宽类型均存在时:(1)综合加宽(2)优势加宽类型,固体工作物质能级寿命,注意认识以下几种寿命的物理意义：荧光寿命（自发辐射寿命）、自发跃迁寿命、无辐射跃迁寿命、能级寿命,无源腔(本征模式)线宽c有源腔(激光)线宽s振荡线宽osc(习题5-2)荧光谱线中能产生激光振荡的频率范围小信号增益阈值增益的频率范围,速率方程四能级，三能级（二能级）,要求熟知：受激辐射几率和受激吸收几率的表达式描述激光器及光放大器中各能级粒子数密度和光子数密度速率方程中各项的物理意义，从速率方程出发导出各种表达式的近似、忽略条件。应用：应能根据给出的有关能级参数建立相应能级系统的速率方程。应能利用速率方程自行导出介质有关参数的表达式。(反转粒子数、增益系数、饱和增益、饱和光强、输出功率、输出能量),均匀加宽增益系数,饱和光强（均匀加宽）,（忽略损耗）,（吸收系数）,大信号增益系数,