激光器的振荡模式

激光器的振荡模式第1页，共33页，2023年，2月20日，星期日g0(n)......

满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（modecompetition）1.均匀加宽激光器中的模竞争及自选模作用第2页，共33页，2023年，2月20日，星期日稳态增益......g0(n)结论：无论起始时满足振荡条件有多少个纵模，理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模。时，达到稳态值大信号增益＝阈值增益时为稳态增益第3页，共33页，2023年，2月20日，星期日2.增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡烧孔效应）－光谱烧孔效应或频域烧孔效应(1)轴向空间烧孔效应的形成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腔内驻波场分布增益空间分布g(z)增益空间烧孔烧孔间距在波长量级第4页，共33页，2023年，2月20日，星期日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'模腔内光强分布不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子而同时发生振荡－纵模的空间竞争空间烧孔引起的多模振荡q‘模形成微弱振荡第5页，共33页，2023年，2月20日，星期日3空间烧孔的形成原因:驻波腔粒子空间转移速度较慢气体:无规热运动,空间转移迅速,难以形成空间烧孔.

以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振荡。固体:

如Cr离子束缚在晶格结构上，转移l/4波长的距离需10-4S;半导体:10-7S.远大于激光形成时间,空间烧孔不能消除.以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡.第6页，共33页，2023年，2月20日，星期日隔离器激光工作物质抑制空间烧孔效应行波环形腔第7页，共33页，2023年，2月20日，星期日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4横向空间烧孔的形成原因横截面上光场分布的不均匀反转粒子数密度的横向空间分布不均匀,横向烧孔第8页，共33页，2023年，2月20日，星期日二、非均匀加宽激光器的振荡模式1、外激励

g0满足阈值条件纵模振荡模式数

只要模间隔足够大，各个纵模互不相关第9页，共33页，2023年，2月20日，星期日2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现(1)若纵模频率q-1及q+1称分布在中心频率0

两侧n1n2Dn消耗相同速度vz的反转粒子数Dnq-1及q+1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。第10页，共33页，2023年，2月20日，星期日(2)相邻纵模的烧孔重叠烧孔宽度:纵模间隔:相邻纵模因共用一部分激活粒子而相互竞争。第11页，共33页，2023年，2月20日，星期日均匀加宽激光器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（固体）小结：一般多纵模振荡，也存在模式竞争（烧孔重叠或模的频率关于对称）非均匀加宽激光器第12页，共33页，2023年，2月20日，星期日输出功率和透光率关系透光率和2gml之间关系第13页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt4P4>P3321P1=0P2>P1P3>P2Pν0<P4兰姆凹陷－非均匀加宽单模输出功率P与频率ν的关系:P烧孔面积(表征对激光有贡献的反转粒子数)第14页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt第15页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt6'P6'>Po第16页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt5'P5'>P6'第17页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt4'P4‘<P5'第18页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt3'P3‘<P4'第19页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt12'P2‘<P3'第20页，共33页，2023年，2月20日，星期日0GGt1'P1'=0第21页，共33页，2023年，2月20日，星期日12303'2'gνgT(a)单模输出功率P与频率ν的关系-兰姆凹陷1'在单模输出功率P和单模频率的关系曲线中，在=0处，曲线有一凹陷，称作兰姆凹陷。P烧孔面积(表征对激光有贡献的反转粒子数)兰姆凹陷宽度烧孔宽度:第22页，共33页，2023年，2月20日，星期日气压碰撞加宽DnL

烧孔宽度dn,

深度变浅兰姆凹陷宽度烧孔宽度:第23页，共33页，2023年，2月20日，星期日3、多模激光器的输出功率非均匀加宽:

∆ν足够大,不发生烧孔相连时,各个模式相互独立，分别计算每个纵模的输出功率，总的输出功率是各模输出功率之和。

计算公式:第24页，共33页，2023年，2月20日，星期日均匀加宽:

(固态激光器）必须由多模速率方程(课本P147)求Pout,并作简化假设(各模损耗相等,线型函数为矩形)得出其输出功率第25页，共33页，2023年，2月20日，星期日二、短脉冲激光器的输出能量

(t0<<ts)

四能级系统为例思路：输出能量~受激辐射光子数~n2~吸收泵浦能量E0E3E3E2E2E1E内(Ei)吸收泵激活粒子数受激辐射粒子数腔内激光能量浦能量

EP输出能量(E)第26页，共33页，2023年，2月20日，星期日第27页，共33页，2023年，2月20日，星期日小结：均匀加宽单模激光器输出功率：T<<1输出最佳透过率光泵情况：非均匀加宽单模激光器输出功率：兰姆凹陷短脉冲激光器的输出能量：第28页，共33页，2023年，2月20日，星期日5.4(脉冲)激光器中的弛豫振荡荧光波形激光波形激光输出不是一个平滑的光脉冲，而是宽度只有微秒数量级的短脉冲序列，即所谓的“尖峰”序列第29页，共33页，2023年，2月20日，星期日弛豫振荡的形成定性解释腔内光子数密度及反转集居数密度随时间的变化第30页，共33页，2023年，2月20日，星期日泵浦激励使Dn增加,受激辐射尚未建立,N几乎不变泵浦激励使Dn增加的速率>受激辐射使Dn减小的速率

t1-t2

0-t1t=t2时同时Dn增加的速率=Dn减小的速率第31页，共33页，2023年，2月20日，星期日

t2-t3

受激辐射使Nl

急剧上升

Dn达最大

t3-t4

受激辐射使Dn<Dnt,Nl急剧下降,Dn

泵浦激励使Dn增加的速率<

受激辐射使Dn减小的速率

t4-t5

，受激辐射减弱