清华大学激光原理复习-振荡特性.pptVIP

* §5.1 激光器的振荡阈值 (Oscillation Threshold) 阈值反转粒子数密度Dnt 阈值增益系数gt 阈值泵浦功率或能量Ppt Ept 振荡阈值(条件) － 产生激光振荡的最低限制条件 速率方程 I0，I1 r1 r2 L l h Va VR l 为增益介质长度 不同模式(频率)具有不同的发射截面, 值也不同 阈值反转粒子数密度 n=n0时的阈值反转粒子数密度 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 起振条件： 起振条件： l 为增益介质长度 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） 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 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－三能级系统中，激光下能级为基态（E1） 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 ) 就能产生激光 四能级 三能级 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 讨论: 1. 四能级系统激光器阈值低于三能级系统 2. 三能级系统激光器损耗对光泵阈值影响不大，而四能级系统阈值能量正比于光腔损耗 思考：四能级/三能级系统，哪些参数如何变化 §5.2 激光器的振荡模式 ( Oscillation mode ) 振荡模式－满足自激振荡条件，在激光器中能形成稳定振荡输出的模式 第二章 从谐振腔(类型、结构）出发讨论腔内可能存在的各种场分布及谐振频率 模式 本节以激光工作物质的增益特性为基础，从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式 理想情况下，满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（mode competition） g0(n) ... ... 满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（mode competition） 稳态增益 ... ... g0(n) 结论：无论起始时满足振荡条件有多少个纵模， 理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模。 时， 达到稳态值 大信号增益＝阈值增益 时为稳态增益 2. 增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡 解释在泵浦激励较强情况下，均匀加宽激光器(尤其固 体激光器)产生多模振荡的原因 纵向空间烧孔形成条件: ?驻波腔(环形腔不存在纵向空间烧孔) ?粒子空间转移速度较慢 （波长量级转移时间） －纵模的空间竞争 q 可形成较弱的振荡 横向空间烧孔 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 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 二、非均匀加宽激光器的振荡模式 1、外激励?? g0??满足阈值条件纵模??振荡模式数? 只要模间隔足够大，各个纵模互不相关 均匀加宽 非均匀加宽 2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现 ? 若纵模频率n1,, n2 对称分布在中心频率 n0 两侧，消耗相同速度 vz的反转粒子数(驻波腔) ? 相邻纵模的烧孔重叠 烧孔宽度 振荡线宽－小信号增益等于阈值增益时所对应的宽度 非均匀展宽工作物质，振荡线宽内的纵模均可能起振 n2 g Dn(vz) § 5.3 输出光功率与能量 讨论稳态情况下的平均光强估算激光器输出功率 一、连续或长脉冲激光器的输出功率 ? 单模激光器（考虑第 l 模， 频率为nq ) 饱和加深 g(n)gt 饱和 T1=0 T2=T I+ I- 稳态光强 不变 1. 均匀加宽单模激光器 时 (5.3.3) 讨论 1.输出功率~激励功率 ( Pp?? P?) 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 气体激