第五章激光振荡特性2节-PPT课件.ppt

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1、第五章激光振荡特性讨论激光器的振荡条件、激光形成过程、模竞争效应、激光输出功率或能量、弛豫振荡效应等基本特性。基本处理方法：速率方程近似及工作物质增益饱和激光器按泵浦方式可分为连续激光器(CW—continuouswavelaser)和脉冲激光器(pulsedlaser)两大类。连续激光器：激光工作物质的激励和相应的激光输出，在一段较长的时间内以连续的方式进行脉冲激光器：激励和相应的激光输出，从时间上呈现出脉冲的过程一激光器的振荡阈值(threshold)Operationatthreshold

2、阈值反转集居数密度阈值增益系数连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率短脉冲激光器的阈值泵浦能量（一）阈值反转集居数密度(populationinversiondensityatthreshold)能否产生振荡，取决于增益与损耗的大小。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假设光束直径沿腔长均匀分布L为谐振腔光程长度不同模式具有不同的21(,0)值，频率为0的模式阈值最低，表示为阈值附近腔内光强很弱，相当于小信号情况，得出

3、自激振荡的阈值条件为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。（二）阈值增益系数激光自激振荡时，小信号增益系数满足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。增益曲线谐振腔模谱激光器起振模谱（三）连续或长脉冲（t0>>2）激光器的阈值泵浦功率(pumpthreshold)1、四能级激光器的阈值泵浦功率2、三能级激光器的阈值泵浦功率1、四能级激光器的阈值泵浦功率E3能级向E2能级无辐射跃迁的量子效率E2能级向

4、E1能级跃迁的荧光效率总量子效率激光下能级E1是激发态，其无辐射跃迁几率S10很大，因而n10，工作物质必须从光泵吸收n2t/(Fs)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V为工作物质的体积，p为泵浦光频率E2能级集居数密度的阈值为当n2稳定于n2t时，E2E1，即n2t/(2s)为保证稳定，单位时间内必须E3E2，n2t/(2s)(A21+S21)n2tE0E3，n2t/(Fs)参与激光作用的下能级是基态，有一般有须吸收的阈值泵浦功率为2、三

5、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E2能级增加一个粒子四能级系统须吸收的光泵能量的阈值为三能级系统须吸收的光泵能量的阈值为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。1/1个泵浦光子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）

6、正比于F。阈值泵浦功率Ppt阈值泵浦能量Ept一般表达式n2t四能级系统三能级系统小结：end（f1=f2）二激光器的振荡模式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（一）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g0()都大于gt，这些模式是否都能维持稳态振荡？Modecompetition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

7、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。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(spatialholeburning)。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

8、反转集居数密度的分布q'模腔内光强分布图增益的空间烧孔效应如果激活粒子的空间转移很迅速，空间烧孔便无法形成。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。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，以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振荡。以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡。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