yz第五章-激光振荡特性

第五章激光振荡特性1§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Dnt2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3

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：4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5三、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跃迁的粒子数或要维持,需要

E3E2粒子的跃迁补充个粒子

通过泵浦（吸收）E0E3或6－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）7对四能级系统：若要使n2=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8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94.

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105.Ppt和Ept的实际含义推导得出的Ppt或Ept－有效泵浦功率或泵浦能量

实际激光器Ppt或Ept

为输入泵浦光源的电功率

电源电容脉冲氙灯工作物质充电放电发光部分吸收+－电源

半导体激光器

Ith

注入电流气体激光器放电电流固体激光器闪光灯固体激光器为例11

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。12g0(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）13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14

轴向空间烧孔效应的形成(设横向分布均匀)

腔内驻波场分布

增益空间分布g(z)增益空间烧孔

波腹－光强大；波节－光强小

轴向驻波场分布导致工作物质中各点增益不同－增益空间烧孔

波腹－g

小；波节－g

大烧孔间距在波长量级2.增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡解释在泵浦激励较强情况下，均匀加宽激光器(尤其固体激光器)产生多模振荡的原因15

空间烧孔的形成条件:

驻波腔(环形腔不存在纵向空间烧孔)

粒子空间转移速度较慢（波长量级转移时间）气体:无规热运动,空间转移迅速,难以形成空间烧孔固体:如Cr离子束缚在晶格结构上，转移l/4需10-4

S半导体:10-7

S

空间烧孔引起的多模振荡当激励作用较强时,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q可形成较弱的振荡16

横向空间烧孔的形成原因横模粒子数的空间分布不均匀,横向烧孔尺度较大(mm量级),粒子的迁移不能消除这种不均匀性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要点：什么是激光振荡模式？激光输出模式由那些因数决定？增益饱和在激光振荡中所起的作用？（均匀和非均匀加宽）模竞争在均匀加宽和非均匀加宽介质中的表现？空间烧孔的产生及其对振荡模式的影响？17二、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，各个纵模互不相关均匀加宽非均匀加宽182、非均匀加宽激光器中模竞争的表现

若纵模频率n1,n2

对称分布在中心频率n0

两侧，消耗相同速度

vz的反转粒子数(驻波腔)

相邻纵模的烧孔重叠烧孔宽度

振荡线宽－小信号增益等于阈值增益时所对应的宽度

非均匀展宽工作物质，振荡线宽内的纵模均可能起振。n2gDn(vz)19三、选模

(第七章P.211)

选模意义：

基横模（TEM00）～发散角小～空间相干性

单纵模～单色性好～时间相干性1.横模选择

横模选择的物理基础：不同横模有不同的衍射损耗

横模选择原则

尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗比

尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总损耗中的比例20

横模选择方法

谐振腔设计

小孔光阑

非稳腔

微调谐振腔合理选择腔型及腔结构参数，使TEM00和TEM10模之间有足够的差异(P211)圆形平面镜腔圆形镜共焦腔21

小孔光阑选横模小孔小孔基本思路：减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗

TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸特点：方法简单不易获得大功率输出小孔光阑选模聚焦光阑选模扩大基横模体积22

非稳腔选横模——适用于高增益激光器选横模非稳腔的输出光束为球面波或平面波

微调谐振腔高损耗腔，相邻横模间损耗差异大，模体积大双凸平凹平凸平面腔：腔镜倾斜时，基模损耗增加明显，有利于高阶模优先震荡稳定腔：腔镜倾斜时，高阶模损耗增加明显，有利于基模优先震荡232.纵模选择－提高时间相干性

－在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法

纵模选择原则

扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差

选纵模方法

短腔法－缩短腔长，增大纵模间隔适用于荧光线宽窄的激光器单模YAG：例：He-Ne振荡线宽24

腔内插入

F-P标准具F-P标准具的设计考虑L激光工作物质插入FP后标准具的自由光谱区透射宽度25

复合腔隔离器激光工作物质环形腔+隔离器抑制空间烧孔效应

行波环形腔福克斯-史密斯型复合腔LD

外腔半导体激光器M1M2M326T1=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)271.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28a－往返指数其它损耗因子T<<1光泵激光器(5.3.5)(5.3.3)四能级系统29讨论1.输出功率~激励功率

(Pp

P)

当

,P随Pp线性增加,光泵浦激光器输出功率由超出Ppt的泵浦功率转换得到

气体激光器(放电激励，最佳放电电流)

He-Ne

最佳放电条件下gm经验公式了解30

半导体激光器

(Semiconductorlaserorlaserdiode)hi

--载流子复合辐射几率；hD--LD效率(10-5-10)(10-5-12)PIIthP.329讨论2

最佳透过率的实验测定及计算理解了解31Fig.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32三能级才能使(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332.非均匀加宽单模激光器nq

n0时,和

分别在增益曲线烧孔,不是共同作用nq=n0其中可见时输出功率下降了解34

兰姆凹陷(LambDip)－单模输出功率P与频率n的关系P

烧孔面积(表征对激光有贡献的反转粒子数)

烧孔重叠条件

兰姆凹陷宽度(dn)

烧孔宽度

兰姆凹陷宽度(dn)~DnL

气压

碰撞加宽DnL

烧孔宽度dn

,深度变浅直至均匀展宽为主时，兰姆凹陷消失353.多模激光器非均匀加宽:

Dnq足够大,不发生烧孔相连时,用(5-3-10)及(5-3-12)计算每个纵模的输出功率,总功率即为各模输出之和

均匀加宽:(固态激光器）必须由多模速率方程求Pout

如果作简化假设(各模损耗相等,线型函数为矩形)后可得与(5-3-5)相同的表达式了解36５.４驰豫振荡一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓“尖峰”序列。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越。人们把上述现象称作弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。思考：尖峰结构的形成过程？37５.４驰豫振荡其中阻尼振荡的衰减常数及振荡频率分别为：尖峰序列是向稳态振荡过渡的弛豫过程的产物，如果脉冲激励持续时间较短，输出具有尖峰序列，而在连续工作器件中，则可得到稳定输出。一般情况下1/τR>>W03及稳态时A21Δnt≈(W03)tn，可得激励越强(W03越大)，则阻尼振荡频率越高(尖峰时间间隔越小)，衰减越迅速。一般多模激光器的输出往往是无规尖峰序列。38５.5单模激光器的线宽极限基本概念：无源谐振腔：激光器腔内工作物质增益为零。有源谐振腔：激光器腔内工作物质增益恒大于零，实际光腔大多为有源腔。无源谐振腔内的光强为：光场复振幅为：光场可表示为：上述光场具有有限的谱线宽度：可见：腔的损耗越低，则光场的衰减时间越长，模式线宽也越窄。５.5单模激光器的线宽极限39有源谐振腔的单程净损耗为：由于激光器稳态工作时有５.5单模激光器的线宽极限有源谐振腔内的线宽为：这种理想情况的物理模型为:腔内的受激辐射能量补充了损耗的能量,且由于受激辐射产生的光波与原来的光波具有相同的相位,二者相干叠加使腔内光波的振幅始终保持恒定,因而输出激光在理想情况下为一无限长的波