激光振荡特性

激光振荡特性第1页，共25页，2023年，2月20日，星期日w13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E3泵浦效率荧光效率W13(t)w130t0t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第2页，共25页，2023年，2月20日，星期日可解得当时,讨论:

1.n2

经历的两种变化过程

0<t<t0

激励过程中n2

t>t0

泵浦脉冲撤除n2

n2(t0)t0tn2W13(t)w13t0t第3页，共25页，2023年，2月20日，星期日4.t0>>t2(长脉冲泵浦)激励时间足够长3.t0<t2

短脉冲泵浦,时间极短光泵作用过程中,n2(t)

处于不断增长的非稳态2.t=t0

时n2

最大第4页，共25页，2023年，2月20日，星期日连续激光器－稳定工作状态(稳态)

各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。速率方程代数方程脉冲激光器－非稳定工作状态(非稳态)

泵浦持续时间短,各能级粒子数及腔内光子数密度处于剧烈的变化之中。根据泵浦持续时间t0

及激光上能级寿命t2对脉冲激光器细分n2

完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理;n1也达到稳定值

W13(t)w130t0ttn2第5页，共25页，2023年，2月20日，星期日

短脉冲激光器(t0<t2)

未达到平衡,泵浦作用终止

非稳态,数值解

长脉冲激光器(t0>>t2)

泵浦作用时间较长，趋近稳态

连续激光器可按稳态处理

第6页，共25页，2023年，2月20日，星期日§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或能量（外部需提供的功率或能量）振荡阈值(条件)－产生激光振荡的最低限制条件增益介质充满腔内I0，I1r1r2一.阈值反转粒子数密度Dnt第7页，共25页，2023年，2月20日，星期日速率方程方法阈值－情况LlhVaVR设腔内A处处相等修正=＝阈值情况第8页，共25页，2023年，2月20日，星期日不同模式(频率)具有不同的发射截面,

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起振条件：起振条件：第9页，共25页，2023年，2月20日，星期日均匀加宽非均匀加宽*讨论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，即一般情况下：不同纵模具有相同的，阈值增益gt相同第10页，共25页，2023年，2月20日，星期日三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率

（Ppt

，t0>>t2）1.四能级系统（假定泵浦均匀）w03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10单位时间单位体积内，

E2E1跃迁的粒子数要维持,需要

E3E2粒子的跃迁补充个粒子通过泵浦（吸收）E0E3或第11页，共25页，2023年，2月20日，星期日－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）第12页，共25页，2023年，2月20日，星期日对四能级系统：

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四、短脉冲（t0<<t2）激光器的阈值泵浦能量短脉冲激励：忽略自发辐射(A21)及无辐射跃迁(S21)

只考虑泵浦激励作用第13页，共25页，2023年，2月20日，星期日讨论: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

g>a形成振荡,三能级n1为基态,至少要抽运n/2粒子,且n/2>>Dnt

2.三能级系统激光器损耗对光泵阈值影响不大，而四能级系统阈值能量正比于光腔损耗3.Ppt,Ept

与工作物质特性有关均匀加宽非均匀加宽四能级系统第14页，共25页，2023年，2月20日，星期日4.

应保证腔内各光学元件质量,减小各种损耗，以减小泵浦阈值优良激光工作物质－荧光线宽较小(钕玻璃&YAG比较)四能级系统第15页，共25页，2023年，2月20日，星期日

振荡模式－满足自激振荡条件，在激光器中能形成稳定振荡输出的模式。第二章从谐振腔(类型、结构）出发讨论腔内可能存在的各种场分布及谐振频率模式。一、均匀加宽激光器的振荡模式

1.均匀加宽激光器中的模竞争及自选模作用§5.2激光器的振荡模式(Oscillationmode)本节以激光工作物质的增益特性为基础，从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式。第16页，共25页，2023年，2月20日，星期日

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）第17页，共25页，2023年，2月20日，星期日稳态增益结论：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18页，共25页，2023年，2月20日，星期日T1=0T2=TI+I-

讨论稳态情况下的平均光强估算激光器输出功率:饱和加深g(n)>gt饱和稳态光强不变§5.3输出光功率与能量一、连续或长脉冲激光器的输出功率

单模激光器（考虑第

l

模，频率为nq)第19页，共25页，2023年，2月20日，星期日1.均匀加宽单模激光器假设

如何求腔内

In

同时参与饱和I+I-T1=0T1=T或者时第20页，共25页，2023年，2月20日，星期日a－往返指数其它损耗因子T<<1(5.3.3)第21页，共25页，2023年，2月20日，星期日Fig.5.3.3Fig.5.3.2取微分Tm确定:

实验Pp一定,改变T测

Pout

计算了解第22页，共25页，2023年，2月20日，星期日三能级才能使(W03

,

n

,l

,21

,2)

P四能级三能级系统对W13有要求结论：激光输出功率与工作物质性质和长度有关（掌握）了解第23页