第4章激光器的工作特性.ppt

a－往返指数净损耗因子 (residual loss or unavoidable loss, included imperfect alignment, dirt, dust, residual absorption…) Gas laser T1 2? ?T+a A－ 激光束有效截面积 (cross-sectional area of the mode) 若只考虑透射损耗，往返一周后的输出光强 若 R1＝1，R2＝1－T －激光的耦合输出 ( coupling output of laser) 讨论 1. 输出功率~激励功率 ( Pp?? P?) ? 固体激光器 (光泵) 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 耦合输出效率 讨论2 :最佳透过率的实验测定及计算 气体激光器 ( 存在最佳放电电流 ) He - Ne 最佳放电条件下 gm经验公式 取微分 Tm确定： ? 实验 Pp一定，改变T 测 Pout ? 计算 dP/dT=0 * ? 短脉冲激光器(t0t2 ) 未达到平衡,泵浦作用终止 非稳态, 数值解, 小信号微扰或其他近似方法 ? 长脉冲激光器(t0t2) 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) w13 0 t0 t 矩形脉冲激励 w13 A31 S31 S32 A21 S21 w21 w12 E1 E2 E3 泵浦效率 荧光效率 W13(t) w13 0 t0 t 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 可 解 得 当 时, 讨论:1.经历两种变化过程 ? 0tt0 激励过程中 n2 ? ? tt0 泵浦脉冲撤除 n2 ? 2. t=t0 时 n2 最大 n2(t0) t0 4.t0 t2 (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 t2 短脉冲泵浦,时间极短,忽略SP 光泵作用过程中, n2(t) 处于不断增长的非稳态 W13(t) w13 0 t0 t （为什么可忽略？） §4.1 激光器的振荡阈值条件(Oscillation Threshold) 一. 阈值反转粒子数密度 Dnth(阈值条件) 自激振荡条件: （1） Dn 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 (2) 速率方程:－小信号情况 时的Dn= Dnth L l h Va VR 设腔内A处处相等 修 正 = ＝ 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n=n0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n=n0时的阈值增益系数 均匀加宽 非均匀加宽 * 讨论： 不同模式(n)? s21(n,n0)不同 ? Dnt不同，即 Dnt(n) 不同纵模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 三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 （Ppt t0t2） 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） w03 A30 S32 S21 A21 W21 E3 E2 E1 E0 W12 S10 单位时间，单位体积内， E2?E1 跃迁的粒子数 或 要维持 需要 E3?E2 粒子的跃迁补充 或 同样多的粒子数 通过泵浦（吸收）E0?E3 或 －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（t0t2）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 若要使Dn=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 )