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1、激光技术基础第八讲本讲稿第一页，共三十四页第第 八八 讲讲引言：激光器分类（按泵浦方式分类）连续激光器、脉冲激光器 激光器的阈值振荡条件 阈值反转粒子数、阈值增益 阈值泵浦功率（能量）激光器的振荡模式 均匀加宽激光器的模竞争单模输出 空间烧孔引起的多模振荡 非均匀加宽激光器的多纵模振荡模式选择选横模 选纵模本讲稿第二页，共三十四页引言引言 激光器分类(工作方式按泵浦方式分类)1.连续激光器稳定工作状态(稳态)在泵浦时间内,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 2.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
2、浦持续时间t0 及激光上能 级寿命2 对脉冲激光器细分本讲稿第三页，共三十四页 短脉冲激光器(t02)泵浦作用时间较长，趋近稳态 连续激光器 可按稳态处理 理论上说,脉冲激光器和连续激光器没有严格界限三能级系统(红宝石)的泵浦激励W13(t)w130t0t矩形脉冲激励本讲稿第四页，共三十四页w13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E3泵浦效率荧光效率W13(t)w130t0t若尚未形成自激振荡或在阈值附近,可忽略受激辐射跃迁过程本讲稿第五页，共三十四页可 解 得当 时,讨论:1.经历两种变化过程 0tt0 泵浦脉冲撤除 n2 2.t=t0，(t0 2)时 n2 最大n2(t0)
3、t0本讲稿第六页，共三十四页4.t0 2 (长脉冲泵浦)激励时间足够长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 3.t0 0;（2）g a推导Dnth公式的两种方法:(1)增益(光强)变化*(2)速率方程;(1)增益(光强)变化 前提：增益介质充满腔内前提：增益介质充满腔内单程损耗其中本讲稿第八页，共三十四页(2)速率方程:小信号情况 时的Dn=DnthLlVaVR设腔内A处处相等修正=工作物质折射率本讲稿第九页，共三十四页 不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同 阈值反转粒子数密度 即=0时的反转粒子数密度 中心频率处阈值反转粒子数最低阈值增益系数唯一地由
4、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 即=0时的阈值增益系数本讲稿第十页，共三十四页均匀加宽非均匀加宽*讨论：讨论：不同模式()21(n,n0)不同 Dnt不同，即 Dnt(n)不同纵模具有相同的，因此具有相同的阈值增益gt 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，即本讲稿第十一页，共三十四页三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 （PPt t02）1.四能级系统（假定泵浦均匀）（中心频率处）当时，（作为稳态处理）w03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10单位时间，单位体积内，E2E1 跃迁的粒子数 或要维
5、持 需要 E3E2 粒子的跃迁补充或同样多的粒子数 通过泵浦（吸收）E0E3 或本讲稿第十二页，共三十四页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，不同之处激光下能级为基态设总粒子数密度为n,E2能级阈值粒子数密度为n2t四、短脉冲（t0(n2t/1)就能产生激光短脉冲激光器短脉冲激光器长脉冲或连续激光器长脉冲或连续激光器四能级三能级 当 t0 (界于长脉冲与短脉冲之间)A21&S21的影响不能忽略，无法得到 Ept 解析表达式，t0 给定，可数值求解本讲稿第十四页，共三十四页讨论:1.四能级系统激光器阈值低于三能级系统 四能级 n1 0,只需抽运Dnt 粒子就可使 Ga
6、 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.泵浦效率 的提高:EDFA 采用半导体激光器泵浦3.Ppt,Ept 与工作物质特性有关均匀加宽均匀加宽非均匀加宽非均匀加宽荧光线宽小的介质是好的激光工作物质(钕玻璃&YAG比较)本讲稿第十五页，共三十四页4.应保证腔内各光学元件质量,减小各种损耗本讲稿第十六页，共三十四页 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 光泵5.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 固体激光器为例电源电容脉冲氙灯工作物质充电放电
7、发光部分吸收+电源电源本讲稿第十七页，共三十四页5.2 5.2 激光器的振荡模式激光器的振荡模式 （即激光输出模式）（即激光输出模式）要求了解和掌握：什么是激光振荡模式？激光输出模式由哪些因素决定的？增益饱和在激光振荡中所起的作用(均匀和非均匀加宽)？什么是模竞争？空间烧孔效应的产生及对模式的影响？如何获得基(横)模TEM00振荡？如何获得单纵模（单频）振荡？从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式一、均匀加宽激光器的振荡模式 1.均匀加宽激光器增益曲线的均匀饱和及自选模自选模作用 本讲稿第十八页，共三十四页.g0()本讲稿第十九页，共三十四页稳态增益结论：一般情况下，均匀加宽稳态激光器的输出
8、模式为单纵模，该模频率总是在增益曲线中心频率附近。由于模竞争其它纵模被抑制而熄灭。横模之间同样存在模式竞争，但由于阈值增益系数不同，使得情况比较复杂。.g0()通过饱和效应，某一个模逐渐把别的模的振荡抑制下去，最后只剩下它自己的现象，称之为模竞争（mode competition）本讲稿第二十页，共三十四页2.空间烧孔效应及其引起的多模振荡 轴向空间烧孔效应 (设横向分布均匀，仅考虑Z向分布)腔内驻波场分布 增益空间分布g(z)增益的空间烧孔轴向驻波场分布导致工作物质中各点增益不同 空间烧孔引起多模振荡的物理原因 当激励作用较强时，由于空间烧孔效 应,不同纵模可以分别使用腔内不同部 位的高能级
9、粒子-纵模的空间竞争纵模的空间竞争 空间烧孔的形成条件:驻波腔 烧孔间距在波长量级 粒子空间转移速度较慢本讲稿第二十一页，共三十四页 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本讲稿第二十二页，共三十四页二、非均匀加宽激光器的振荡模式1、外激励 g0 满足阈值条件的纵模 振荡模式数本讲稿第二十三页，共三十四页
10、2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现 若纵模频率1,2 对称分布在中心频率 0 两侧，消耗相同速度 Vz的反转粒子数 相邻纵模的烧孔重叠 12Dn烧孔宽度要实现单模激光，需要进行模式选择（详见第七章）要实现单模激光，需要进行模式选择（详见第七章）本讲稿第二十四页，共三十四页 5.3 输出光功率与能量输出光功率与能量 讨论稳态情况下的平均光强，平均光强，腔内光强不均匀，只能粗略估算激光器输出功率一、连续（或长脉冲）激光器输出功率 单模激光器（设第 l 模，频率为q)T1=0T1=TI+I-饱和加深（稳态光强）不变g()gt饱和本讲稿第二十五页，共三十四页1.均匀加宽激光器(n=n0)假设同时参与饱
11、和I+I-求腔内 In T1=0T1=T时腔内的光强d dT T 是指数损耗因子是指数损耗因子 T是百分比损耗因子，是百分比损耗因子，两者不能等同。两者不能等同。在T1的情况下(如：气体激光器)，2 T+a，有：严格推导表明，在p2p1本讲稿第三十二页，共三十四页3.多模激光器 非均匀加宽:Dq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,并作简化假设(各模损耗相等,线型函数为矩形)后可得与(5-3-5)相同的表达式本讲稿第三十三页，共三十四页二、短脉冲激光器的输出能量（t0 ts)四能级系统为例思路：输出能量 受激辐射光子数 n2 吸收泵浦能量E0E3 E3E2 E2E1 E内吸收泵 激活粒子数 受激辐射粒子数 腔内激光能量浦能量 EP 输出能量(E)本讲稿第三十四页，共三十四页