激光器工作原理ppt课件

第四章激光器工作原理,第四章激光器工作原理,1,引言,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,2,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,3,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n2,4,4.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,7,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）,4.1激光产生的阈值条件,一.阈值反转粒子数密度Dnth自激振荡条件:（1）Dn0;（2）Ga,8,一.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,r2,9,4.1激光产生的阈值条件,激光产生的阈值条件：增益系数大于阈值增益根据速率方程推导阈值增益系数,光子寿命：,单程总损耗C光速,10,界面处流入和流出的光子数相等,光子数密度速率方程,阈值时,阈值粒子数反转密度,11,不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同,激光器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,12,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,13,三、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,14,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）,15,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,16,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,17,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?),58,(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,59,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,60,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：4,5,61,腔内总光强为二个方向相反的传播场的叠加，只有向输出镜传播的可以出激光器，因此为总场的1/2,期中单程总损耗,a往返一次的内部损耗,62,代入Is和Gm,1、受激辐射截面大、上能级寿命长，输出功率越大2、抽运几率越大，输出功率越大3、增加工作物质长度、减小损耗有利于提高激光输出,光泵浦激光器,激发参数,63,最佳透射率,对一个给定的内部损耗a，都有一个最佳的透过率，使输出功率最大,令,Gm越大，工作物质越长，a越小，最佳透过率越大,64,二、非均匀加宽单模激光器,腔内光强,增益系数,稳定工作时,输出功率,65,如果,则,中心频率输出功率比非中心频率小，兰姆凹陷,66,兰姆凹陷宽度和烧孔宽度相当,气体激光器气压增大，兰姆凹陷变宽、变浅,三、多模激光器,1、均匀加宽输出功率,2、非均匀加宽,输出功率为各模式输出功率之和,67,4.4脉冲激光器的工作特性,一、弛豫振荡,腔内光子数和粒子数反转数相互作用的结果,68,数学分析：设单模激光，v0，l=L，效率=1,四能级系统,稳态工作时N、n的变化为0,把振荡看成是稳态附近的扰动,其中,69,忽略2阶小量,其中,方程的解为,70,其中,当,时，,趋向于0，表明由振荡趋于稳定,代入N0，,外界激发越强，衰减越迅速，振荡频率越高,71,4.5激光放大器,光通过粒子数反转的介质时产生光信号的放大激光放大器,激光放大器的分类：1、连续激光放大器输入信号是连续波或脉冲宽度大于能级寿命，反转粒子数保持稳定状态2、脉冲激光放大器脉冲小于能级寿命，反转粒子数在短时间内达不到稳定状态3、超短脉冲放大器当输入信号为飞秒时,72,按工作方式分：1、行波放大器无反射镜2、再生放大器有反射镜，构成F-P标准具,再生放大器的增益为,Gs单程光强增益，r反射镜反射率，vc放大器本征频率,当信号频率和本征频率相同时，增益最大。当r增大时，频率范围变小。当r=0时，G=Gs为行波放大器，输入信号在荧光谱线范围内均可放大,73,一、横向均匀激励连续激光放大器,激光放大器的主要参数：增益、输出功率、增益谱宽,增益：输出端光强和输入信号之比,均匀展宽：,为平均损耗系数,对于小信号放大，I(z)1时，I(z)随z增加。,2、IP(z)随z减小,79,（1）小信号增益,I(z)1,由输运方程求解得到,测量,时的Ip0，求出Ipth,4.15,当泵浦功率一定时，参杂光纤长度有一最佳值,80,三、脉冲激光放大器,反转粒子数密度和光子数密度是位置和时间的函数,1、在脉冲作用时间内，忽略泵浦光对自发辐射和反转粒子数的影响（输入光脉冲宽度远小于上能级寿命）2、反转粒子数在横截面内均匀，随z变化3、工作物质为均匀加宽，信号频率为中心频率，量子效率为1，简并度相等,dz薄层内光子数的变化为,81,对三能级系统，利用速率方程，得到输运方程,其中J(z,t)=N(z,t)v称为光子流强度,输运方程的边界条件为,1、脉冲放大器的能量增益GE：输入光脉冲能量和输出脉冲能量之比输入光子数和输出光子数之比,82,输入、输出能量为,输运方程,又,83,大于脉冲宽度，J(z,)=J(z,0)=0,=0,输运方程,84,小信号，,增益,小信号增益和入射光强无关，遂放大器长度增加而增加,85,增益为,