激光器工作特性.ppt

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1、第四章连续激光器的稳态工作特性§1激光形成的阈值条件如果谐振腔内工作物质的某对能级处于集居数反转状态,则频率处在它的谱线宽度内的微弱光信号会因增益而不断增强。另一方面,谐振腔中存在的各种损耗,又使光信号不断衰减。能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。下面推导激光器自激振荡的阈值条件。本章在速率方程及据此导出的激光工作物质增益饱和的基础上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等基本特性，还将讨论激光线宽及频率牵引等重要特性。一、阈值条件1、阈值增益系数证为使,必须有2、阈值反转粒子数证激光模式起振的阈值

2、条件主要有三种：阈值增益系数，阈值反转粒子数密度，阈值上能级粒子数密度。(1)三能级n1+n2=nn2-n1=n(2)四能级n3=nn3t=nt二、起振模式数1、激发参量2、振荡线宽(1)定义小信号增益曲线中大于Gt部分的线宽3、阈值上能级粒子数0GmG0()TGt证②非均匀加宽证(2)大小①均匀加宽3、起振模式数[x]:取整函数:本征纵模频率间隔0GmG0()TGt三能级激光介质总粒子数密度为n=51013m-3,发射截面为S=2.510－14m2，介质长l＝20cm,单程损耗率δ=0.01．求阈

3、值增益系数、阈值反转粒子数密度和阈值上能级粒子数密度例1解激光器腔内总损耗系数等于激活介质的峰值增益系数的1/4，分别按均匀加宽和非均匀加宽计算振荡线宽(荧光线宽F=150MHz)例2解均匀加宽：非均匀加宽：He-Ne激光器放电管及腔长都为L=1.6m,直径为d=2mm,两反射镜透射率分别为0和T=0.02,其它损耗的单程损耗率为δ=0.5%,萤光线宽ΔF=1500MHz,其峰值小信号增益系数Gm=3×10-4/d1/mm。求①激发参量②可起振的纵模个数Δq例3解δ=0.01+0.005=0.015§2模式竞争一、基本概

4、念满足振荡条件的激光纵模起振后能否维持稳定的振荡？由于这些模式使用相同反转粒子数，它们之间存在竞争。二、均匀加宽激光器的模式竞争1.增益曲线均匀饱和引起的自选模作用假设有多个模式的谐振频率落在均匀加宽增益曲线振荡线宽范围内，那么,这些模式是否都能维持稳态振荡呢?为了讨论方便,假设有频率为νq-1、νq和νq+1的三个模式满足上述要求(如图所示)。（1）开始时,对这三个模式来说,小信号增益系数都大于，因而光强Iνq-1、Iνq、Iνq+1都逐渐上升。由于饱和效应，增益曲线将随光强的上升而不断下降。当增益曲线下降到曲线1时，因而不再

5、增大。但的增益系数仍大于阈值，仍将继续增加,增益曲线继续下降,这将使故该模式的光强很快减弱，直至熄灭。（2）同理，当曲线下降到2时，导致很快熄灭。（3）当曲线下降到3时，，光强达到稳定值，不再增大。整个增益曲线也不再下降。（4）以上讨论说明,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中互相竞争,结果总是靠近中心频率v0的一个纵模得胜,形成稳定振荡,其他纵模都被抑制熄灭。因此,理想情况下,均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模的,单纵模的频率总是谱线中心频率附近。同样,不同横模间也会发生上述竞争过程,由于不同横模具有不同的值

6、,竞争的情况比较复杂。2.空间烧孔引起多模振荡由以上分析可知,均匀加宽稳态激光器应为单纵模输出。但实际上,当激发较强时，往往出现多纵模振荡。激发越强,振荡模式越多。下面分析产生这一现象的原因。如图所示,当频率为νq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。均匀加宽激光器空间烧孔效应因此虽然νq模在腔内的平均增益系数等于,但实际上轴向各点的反转集居数密度和增益系数是不相同的,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。这一现象称作增益的空间烧孔效应。我们再来看频

7、率为νq'的另一纵模,其腔内光强分布示于图(c)。由图可见,q'模式的波腹有可能与q模的波节重合而获得较高的增益,从而形成较弱的振荡。以上讨论表明,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,这一现象叫做纵模的空间竞争。如果激活粒子的空间转移很迅速,空间烧孔便无法形成。在气体工作物质中,粒子作无规热运动,迅速的热运动消除了空间烧孔,所以以均匀加宽为主的高气压气体激光器可获得单纵模振荡。在固体工作物质中,激活粒子被束缚在晶格上,借助粒子和晶格的能量交换形成激发态粒子的空间转移,激发态粒子在空间转移半个波

8、长所需的时间远远大于激光形成所需的时间,所以空间烧孔不能消除。如不采取特殊措施,以均匀加宽为主的固体光器一般为多纵模振荡。在含光隔离器的环形行波腔内,光强沿辅向均匀分布,不存在空间烧孔,因而可以得到单纵模振荡。激光器中,除了存在轴向空间烧孔外,由于横截面上光场分