激光振荡特性

1、激光振荡特性内容提要u阈值反转粒子数密度u阈值增益系数u连续（长脉冲）激光器的泵浦阈值功率u短脉冲激光器的泵浦阈值功率u均匀加宽激光器中的模式竞争u非均匀加宽激光器中的模式竞争求激光上能级上粒子数密度随时间的关系？激光在军事上的应用1、激光武器激光最吸引人的军事应用当属于激光武器。由于强激光束具有很强的烧蚀作用，因而可以破坏制导系统、引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导弹和破坏雷达、通信系统等。激光摧毁卫星可由地面、空中和空间进行。激光武器的威力强大，命中率极，是真正意义上的“杀手锏”。科幻电影中的激光武器反映了激光武器的远大前程。目前美国已研制出机载和车载激光武器

2、。当激光能量不高时，主要使敌方人员致盲和使某些光电测量仪器的光敏元件受到破坏甚至失效，或可用来在城市、森林大面积点火。著名的英阿马岛战争中，英国就曾经使用了激光武器对付阿方飞机，导致飞行员失明而机毁人亡。在反坦克、反潜艇中，激光致盲武器也有很大发展潜力，对准潜望镜入口发射激光，就会把在用潜望镜观看外部情况的指挥员、驾驶员的眼睛损伤，坦克和潜艇也就失去作战能力。侦察卫星靠装在其中的各种光电传感器侦察地面目标，如果用激光束照射其中的光电传感器也会使侦察卫星变为瞎子。“凯撤”原型系统依靠激光陀螺仪作为它的导航与瞄准系统 实验中的美军激光武器系统激光陀螺（一）阈值反转集居数密度(population

3、inversion density at threshold) 能否产生振荡，取决于增益与损耗的大小。 谐振腔的长度L往往大于工作物质的长度l，假设谐振腔中光束体积为VR，工作物质中的光束体积为Va，谐振腔中折射率均匀分布，则第l个模式的光子数变化的方程cLNLlcNnffndtdNlll),()(02111222212101()()( ,)lRlRlaRld NVNVfnnNVdtf 假设光束直径沿腔长均匀分布L为谐振腔光程长度 当 时，腔内辐射场可由微弱的自发辐射场增长为足够强的受激辐射场。 考虑到在阈值附近腔内光强很弱，相当于小信号情况，得出自激振荡的阈值条件为lnnt),(021002

4、1()tnl0dtdNl不同模式具有不同的21(,0)值，频率为0的模式阈值最低，表示为（二）阈值增益系数激光自激振荡时，小信号增益系数满足lggt)(0不同纵模具有相同的，因而具有相同的阈 值gt。不同的横模具有不同的衍射损耗，因而有不同的阈值，高次横模的阈值比基模大。增益曲线增益曲线谐振腔模谱谐振腔模谱激光器起振模谱激光器起振模谱（三）连续或长脉冲（ t02 ）激光器的阈值泵浦功率 (pump threshold) Lasers are commonly classified into the so-called “three-level” or “four-level” lasers.1

5、、四能级激光器的阈值泵浦功率3230321SAS2121212SAA21F E3能级向E2能级无辐射跃迁的量子效率E2能级向E1能级跃迁的荧光效率总量子效率光子数工作物质从光泵吸收的发射荧光的光子数F复习以下概念激光下能级E1是激发态，其无辐射跃迁几率S10很大，因而n10，2210( ,)ttnnl 工作物质必须从光泵吸收n2t/(Fs) 光子数，为此须吸收的泵浦功率称作激光器的阈值泵浦功率，以 Ppt表示2210( ,)ptpptFsFshn VhVPl V为工作物质的体积，p为泵浦光频率21122)(nnffnnE2能级集居数密度的阈值为当n2稳定于n2t时，E2 E1 ，即n2t/(2

6、s)为保证稳定，单位时间内必须 E3E2， n2t/(2s)(A21+S21)n2t E0E3， n2t/(Fs)参与激光作用的下能级是基态，nnnnnnt121222ttnnn一般有 nnt22nnt须吸收的阈值泵浦功率为sFpptnVhP22、三能级激光器的阈值泵浦功率、三能级激光器的阈值泵浦功率采用与四能级系统类似的方法分析（四）短脉冲激光器的阈值泵浦能量若光泵激励时间很短，在激励持续期间E2能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响可以忽略不计。在这种情况下，要使E2能级增加一个粒子，只须吸收1/1个泵浦光子。当单位体积中吸收的泵浦光子数大于n2t /1 时，就能产生激光。四能级系统须吸收的光泵

7、能量的阈值为三能级系统须吸收的光泵能量的阈值为211210( ,)ptppthn VhVEl 12nVhEppt四能级激光器与三能级激光器的比较 三能级系统所需的阈值能量比四能级系统大得多：四能级系统的激光下能级为激发态，n10，只须把nt个粒子激励到E2能级就可使增益克服腔的损耗而产生激光；在三能级系统中，激光下能级是基态, 至少要将n/2个粒子激励到E2能级才能形成粒子数反转 三能级系统激光器中光腔损耗的大小对光泵阈值能量（功率）的影响不大。 四能级系统的阈值能量（功率）反比于发射截面21，而21又反比于荧光谱线宽度F，故阈值能量（功率）正比于F 。n2t阈值泵浦功率Ppt阈值泵浦能量Ep

8、t一般表达式四能级系统三能级系统2210( ,)ttnnl 210( ,)pptFshVPl 2pptFshnVP 22nnt21ptpthn VE1210( ,)ppthVEl 2ptptFshn VP 12ppthnVE小结：小结：二 激光器的振荡模式the effect of homogenous or inhomogenous broadening on the laser oscillation.均匀加宽激光器中的模竞争非均匀加宽激光器的多纵模振荡（五）均匀加宽激光器中的模竞争1 增益曲线均匀饱和引起的自选模作用Q：如果有多个模式的谐振频率落在均匀加宽增益曲线范围内，且小信号增益系数

9、g0()都大于gt，这些模式是否都能维持稳态振荡？ Mode competition均匀加宽激光器中建立稳态振荡过程中的模竞争 结论：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其它纵模都被抑制而熄灭。理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模的，其频率总是落在谱线中心附近。(The ideal homogeneously broadened laser can oscillate only at a single frequency.) 频率为的纵模在腔内形成稳定振荡时，腔内形成一个驻波场，波腹处光强最大，波节处光强

10、最小，使轴向各点的反转集居数密度和增益系数不同，波腹处增益系数（反转集居数密度）最小，波节处增益系数（反转集居数密度）最大，这种现象称为增益的空间烧孔效应 (spatial hole burning)。2 空间烧孔引起多模振荡q模腔内光强分布只有q模存在时的反转集居数密度的分布q模腔内光强分布图 由于轴向空间烧孔效应，不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡，这一现象称为纵模的空间竞争。 如果激活粒子的空间转移很迅速，空间烧孔便无法形成。 气体工作物质中，粒子作无规则热运动，迅速的热运动消除了空间烧孔，以均匀加宽为以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振荡主的高气压激光器可获得单纵模

11、振荡。 固体工作物质中，激活粒子被束缚在晶格上，借助粒子和晶格的能量交换形成激发态粒子的空间转移，激发态粒子在空间转移半个波长所需的时间远远大于激光形成所需的时间，所以空间烧孔不能消除。以均匀加宽为主的以均匀加宽为主的固体激光器一般为多固体激光器一般为多纵模振荡纵模振荡。怎样消除？采用含光隔离器的环形行波腔含光隔离器的环形行波腔 由于横截面上光场分布的不均匀性，存在横向的空间烧孔。不同横模的光场分布不同，它们分别使用不同空间的激活粒子，当光强足够强时，可形成多横模振荡。（六）非均匀加宽激光器的多纵模振荡 由于某一纵模光强的增加，并不会使整个增益曲线均匀下降，而只是在增益曲线上造成对称的两个烧孔

12、，只要纵模间隔足够大，各纵模基本上互不关心，所有小信号增益系数大于gt的纵模都能稳定振荡。 在非均匀加宽激光器中也存在模竞争现象。 当q=0时， q-1及q+1模形成的两个烧孔重合，它们共用同一种表观中心频率的激活粒子，存在模竞争，输出功率有无规起伏。 当相邻纵模所形成的烧孔重叠时， 相邻纵模因共用一部分激活粒子而相互竞争。 什么情况下烧孔重叠？HsII112qcLqq=?，=?均匀加宽激光器1、增益曲线均匀饱和引起模式竞争，导致 理想情况下，输出应是单纵模的2、增益的空间烧孔引起纵模的空间竞争导致多模振荡小结：非均匀加宽激光器一般多纵模振荡，也存在模式竞争（烧孔重叠 ）q激光二极管 一、概述 二、基本结构 三、二极管线阵和阵列条 五、光谱特性一、概述 光谱窄，与工作物质吸收带匹配可提高效率，减轻热效应 结构紧凑 寿命长，连续10E4h，脉冲10E9次 波长 630680nm AlGaInP 770990nm GaAlAs 9001000nm InGaAs 模块化 价格高基本结构三、二极管线阵和阵列条线阵阵列条面阵封装光纤耦合半导体激光器此LD阵列上有10个bar条，每个bar条长10mm。b