连续激光器的输出功率

4-3连续激光器的输出频率连续激光器稳定工作时，由于激光工作物质的光放大作用，腔内的损耗系数分布不均匀，各纵模的驻波效应，光场的横向高斯分布等因素，使得腔内光强分布不均匀，因而,精确计算各点的光强是个非常复杂的问题。本节从增益饱和效应出发，计算激光器的稳定工作时腔内的平均光强，并在此基础上计算激光器的输出功率。激光器工作过程：1）激光在外界激发作用很弱时，激活介质的小信号增益系数小于阈值增益系数，激光器无激光输出；1可编辑ppt2）当外界激发作用增强到小信号增益系数超过阈值时，腔内光强便会不断增大。但是腔内的光强不会无限制地增加下去，因为当光强越强，消耗的反转离子数便越多，由于激活介质的增益饱和作用而使增益系数下降。3）只要增益系数尚未降至阈值，上述过程便会继续下去，即光强继续增大，增益系数继续下降。直至增益系数下降到阈值时，增益与损耗达到平衡，光强不再增大，这时的激光器建立起了稳定的工作状态。因此，外界激发增强，激光器的输出功率就会增大。但是，不管外界的激发是强还是弱，稳态工作时激活介质的增益系数总是等于阈值增益系数如果外界的激发作用再增强，小信号增益系数又增大，腔内光强必须增加到一个更高的水平才能使增益系数下降到阈值，并重新建立起新的稳定工作状态。2可编辑ppt式中：νq—稳定振荡模式的频率；Iνq模式的稳定光强。本节分别讨论均与加宽激光器和非均匀加宽激光器在稳定工作是墙内的光强、输出功率、谐振腔输出镜的最佳透射率以及最佳输出功率等问题。3可编辑ppt一、均匀加宽激光器二、非均匀加宽激光器4可编辑ppt一、均匀加宽激光器我们主要讨论驻波型激光器，稳定工作时，腔内存在着沿腔内存在着沿腔轴线方向传播的光强I+与反方向传播的光强I-(见下图)。5可编辑ppt（一）激光器在稳定工作时腔内的平均光强1.当增益不太大时（小信号输入时），I+=I-，腔内平均光强为Iνq=I++I-，这两个光强同时参与增益饱和作用。2.大信号输入时，腔内的平均光强为：如果νq=ν0，上式便可简化为：6可编辑ppt（二）激光器在稳定工作时输出功率设激光束的有效截面积为S,两个反射镜透过率分别为0和T，则激光器输出功率为：将(4-3-3)与式（4-3-4）代入（4-3-5）式中，可分别得到振荡频率νq=ν0与νq≠ν0的输出功率为：7可编辑ppt如果用α表示除输出损耗以外的其它往返损耗率，则相应的平均单程损耗率为：α/2。再设谐振腔两面反射的透过率分别是0和T。则T<<1时输出损耗的平均损耗功率为T/2。各项损耗都考虑，总的平均单程损耗率为T/2。各项损耗都考虑，总的平均单程损耗率可以表示为：可以把均匀加宽激光器中振荡频率为的模式ν0的输出功率写成：8可编辑ppt从这个式子不难看出，提高激光器的输出功率的方法：1.加大外界的激发作用而增大小信号增益系数最大值Gm；2.减小谐振腔的损耗功率a；3.加大激光工作介质的长度l及横截面积s。9可编辑ppt（三）激光器在稳定工作时谐振腔输出的最佳透射率Tm输出反射镜的透射率T对输出功率则存在两个相反的影响。T增大，一方面提高了透射光比例而有利于提高输出功率，另一方面却又使阈值增加而导致腔内光强的下降。因此，存在一个使输出功率达到极大值的最佳透射率Tm：（四）激光器在稳定工作时谐振腔输出的最佳输出功率将（4-3-10）式代回（4-3-9）式中，可求出当输出镜具有最佳透射率时，激光器的最大输出功率为：10可编辑ppt二、非均匀加宽激光器1.我们讨论的仍是驻波型激光器，并且主要是气体激光器。与均匀加宽激光器所不同的是，当νq≠ν0时，I+与I-两束光在增益曲线上分别产生两个不同的烧孔。每个光强只对其中一个烧孔起饱和作用。因此，频率为的稳定振荡模式所具有的大信号的平均光强为：（一）激光器在稳定工作时腔内的平均光强11可编辑ppt2.当νq=ν0时，与同在增益曲线中心处产生一个烧孔，这种情况与均匀加宽激光器类似平均光强可写为：（二）激光器在稳定工作时输出功率1.当νq≠ν0时2.当νq=ν0时12可编辑ppt（4-3-17）式比（4-3-14）式多了一个因子1/2，它可以这样来理解：当振荡模式νq≠ν0时，往返传播的光在增益曲线上烧两个孔，而νq

=ν0时，往返传播的光只烧一个孔,因此，νq=ν0时的输出功率在不考虑孔面积大小的前提下自然应比νq≠ν0时小一半。但实际上不同频率处的烧孔面积并不相等，νq=ν0时虽只烧出一个孔，但此孔的面积却最大。而νq偏离ν0时可烧两孔，但孔面积随着偏离越远而越小。如果以非均匀加宽气体激光器的输出光频率作为横轴，输出光频率P作为纵轴，画出P～曲线，如图4-3-4（a）所示，在中心频率ν0处出现一极小值，我们称曲线的这一凹陷为兰姆凹陷。13可编辑ppt14可编辑ppt凹陷宽度大约与烧孔宽度相等，由烧孔宽度的计算公式（3-3-18）式可知，激活介质的谱线宽度越宽，凹陷宽度就越大，因此，加大气体激光器放电管中的气压，使碰撞线宽变大，可使兰姆凹陷变宽、变浅。当气压很高时，碰撞线宽超过了多普勒线宽，这时气体激光器变