激光器工作原理（課堂PPT）

1、第四章 激光器工作原理第四章 激光器工作原理引 言 激光器分類(工作方式按泵浦方式分類) 連續(xù)激光器 脈沖激光器 短脈沖激光器 長(zhǎng)脈沖激光器三能級(jí)系統(tǒng)(紅寶石)的泵浦激勵(lì)W13(t)w130t0t矩形脈沖激勵(lì) 0130131300tttWttWtWw13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E332313231SASS2121AS,1332WS332113332311n SnWnSA03n3232121202111222313231313,SnASnNnffndtdnASnWndtdnlv123nnnn3132321ASS泵浦效率熒光效率2121212SAAW13(t)w130t0

2、t從泵浦閾值附近(尚未形成自激振蕩),可忽略受激輻射躍遷過程可 解 得當(dāng) 時(shí), 00tt tWAeWAnWtn13122111312211312討論: 1.n2 經(jīng)歷的兩種變化過程 0tt0 泵浦脈沖撤除 n2 2121222122130SAnAndtdnW22121132221211312AnWnnAnWndtdnn2(t0)t0tn2W13(t)w13t0t4.t0 t2 (長(zhǎng)脈沖泵浦) 激勵(lì)時(shí)間足夠長(zhǎng) 1312211312WAnWtn 1321212121WAnAtnntn3. t0 t2 短脈沖泵浦,時(shí)間極短,忽略SP21321dnWnndt tWntn1312exp1光泵作用過程中,

3、 n2(t) 處于不斷增長(zhǎng)的非穩(wěn)態(tài)(為什么？)2. t=t0 時(shí) n2 最大 11320211132W nntAW 連續(xù)激光器穩(wěn)定工作狀態(tài)(穩(wěn)態(tài)) 各能級(jí)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 速率方程 代數(shù)方程 脈沖激光器非穩(wěn)定工作狀態(tài)(非穩(wěn)態(tài)) 泵浦持續(xù)時(shí)間短, 各能級(jí)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度處于劇烈的變化之中。根據(jù)泵浦持續(xù)時(shí)間t0 及激光上能級(jí)壽命t2 對(duì)脈沖激光器細(xì)分0; 0dtdNdtdnln2 完成增長(zhǎng)過程達(dá)到穩(wěn)定值,可按穩(wěn)態(tài)處理;n1也達(dá)到穩(wěn)定值 W13(t)w130t0ttn27 短脈沖激光器(t0t2) 泵浦作用時(shí)間較長(zhǎng)，趨近穩(wěn)態(tài) 連續(xù)激光器 可按穩(wěn)態(tài)處理 理論上說,脈沖激光器和

4、連續(xù)激光器沒有嚴(yán)格界限8閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 閾值增益系數(shù)閾值泵浦功率（閾值泵浦能量）4.1 激光產(chǎn)生的閾值條件一. 閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 Dnth 自激振蕩條件: （1） Dn 0; （2） G a9一. 閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 Dnth 自激振蕩條件: （1） Dn 0; （2） g a推導(dǎo)Dnth的兩種方法: (1) 光強(qiáng)變化 * (2)速率方程;(1) 往返一周的光強(qiáng)變化 0)(20211)(2)(01000IeIrrrereIIlglglgaaa21ln21rrlgtha021,ththgnDissdTaaaaaa21a10221lgerrala0)(2010IeIIlgthgl增益介質(zhì)充滿

5、腔內(nèi)增益介質(zhì)充滿腔內(nèi)I0，I1r1r2thgalnth021,D4.1 激光產(chǎn)生的閾值條件n激光產(chǎn)生的閾值條件：增益系數(shù)大于閾值增益n根據(jù)速率方程推導(dǎo)閾值增益系數(shù)221112llRldNNnWnWdttNlNlLlRlllllllLANAlNAlNcnggndtlLANAlNdt)(),()(0211122光子壽命：cLclLlRlt)(單程總損耗C 光速界面處流入和流出的光子數(shù)相等cANcANllllNN ),(0211122LcLNlNcnggnLdtdNlllRlllllllLANAlNAlNcnggndtlLANAlNdt)(),()(0211122),(0211122LcNLlcNn

6、ggndtdNlll光子數(shù)密度速率方程閾值時(shí) 0dtdNllnt),(021D閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度12 不同模式(頻率)具有不同的受激輻射截面,Dnt值也不同020221021,8,gvA021,ngDlnggttD210 激光器閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 0時(shí)的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度lnt2100D 中心頻率處閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)最低閾值增益系數(shù)閾值增益系數(shù)唯一地由單程損耗決定，當(dāng)腔內(nèi)損耗一定時(shí)，閾值增益系數(shù)為一常數(shù)lnnt021000,DDlnntt210DD二、閾值增益系數(shù)二、閾值增益系數(shù) gt 即0時(shí)的閾值增益系數(shù)13210ttnlggDHtAvlnDD202212214DtAvlnDD202321221

7、42ln均勻加寬非均勻加寬* * 討論討論 不同模式() 21(,0)不同 Dnt不同，即 Dnt() 不同縱模具有相同的閾值增益gt 不同橫模的衍射損耗不同,gt 不同高階橫模的閾值增益大于基模，即0001ttgg14三、連續(xù)激光器或長(zhǎng)脈沖激光器的閾值泵浦功率三、連續(xù)激光器或長(zhǎng)脈沖激光器的閾值泵浦功率 （Ppt ， t0t2）1. 四能級(jí)系統(tǒng) （假定泵浦均勻）211000nnnSDlnntt212Dw03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10 單位時(shí)間單位體積內(nèi)， E2E1 躍遷的粒子數(shù) 或22ttn22tstn要維持tnn22 需要 E3E2 粒子的躍遷補(bǔ)充22tsn同

8、樣多的粒子數(shù) 通過泵浦（吸收）E0E3 122ttn212tstn或22121212sAAStt3132321ASS1521221ptptpPtsFsFshn VhnVhVPl t t tDph泵浦光子能量21F總量子效率2. 三能級(jí)系統(tǒng)分析方法與四能級(jí)系統(tǒng)類似，不同之處三能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能級(jí)為基態(tài)（E1）22ttnnnDnntD22nntsFpptnVhPt22112nnnnnn D16 若要使 Dn=1 需吸收（泵浦）光子數(shù) (1/1) 要使 n2=n2t 需吸收（泵浦）光子數(shù) (n2t / 1 )當(dāng)單位體積吸收的泵浦光子數(shù) ( n2t / 1 ) 就能產(chǎn)生激光12VnhEtppt12n

9、VhEppt短脈沖激光器短脈沖激光器長(zhǎng)脈沖或連續(xù)激光器長(zhǎng)脈沖或連續(xù)激光器stpptVnhPt21DspptnVhPt212四能級(jí)三能級(jí)四、短脈沖（t0a 形成振蕩 三能級(jí) n1為基態(tài), 至少要抽運(yùn) n/2 粒子, 且 n/2 Dnt 2. 泵浦效率 的提高13. Ppt, Ept 與工作物質(zhì)特性有關(guān)FsFtD,21ptptsFEP ,21tHAvD202212214DAvD20232122142ln均勻加寬均勻加寬非均勻加寬非均勻加寬DptptFEP ,21184. Dtn應(yīng)保證腔內(nèi)各光學(xué)元件質(zhì)量, 減小各種損耗ptptEP ,激激光光器器種種類類紅紅寶寶石石釹釹玻玻璃璃N Nd d: :Y

10、YA AG GH He e- -N Ne eD D F (Hz)3.31011710121.9510111.5109t ts (S)310371042.31047109D Dnt (cm-3)8.710171.410181.81016109n2t(cm-3)9.510181.410181.81016 F0.70.41Ept/ V (J/cm3)50.954.9103Ppt/ V (W/cm3)1600140021優(yōu)良激光工作物質(zhì)熒光線寬較小 (釹玻璃&YAG比較)19作業(yè)：P100 T1,2,3中心頻率處的閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)稱為激光器的閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器的閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)lnt21D均勻加

11、寬：HAD2022124非均勻加寬：DAD202/321242ln增益系數(shù)),(021nGD閾值增益系數(shù)lGt激光閾值條件NoImage泵浦功率的閾值1、四能級(jí)系統(tǒng)lnntt212D單位時(shí)間內(nèi)躍遷的粒子數(shù)密度Stnt22光泵浦中的泵浦光光子數(shù)密度：Stnt212泵浦光功率：lVhvVnhvPSFpStpOP2121ttD2、三能級(jí)系統(tǒng)22nnt泵浦功率SFpptnVhvPt23、脈沖激光器（泵浦脈沖遠(yuǎn)小于能級(jí)壽命）達(dá)到Dnt的所需的泵浦光子數(shù)1tnD泵浦光的脈沖能量為lVhvVnhvEptppt2111D三能級(jí)：12nVhvEppt三能級(jí)泵浦閾值功率較大，而四能級(jí)系統(tǒng)的閾值泵浦功率較小泵浦閾值

12、功率和受激輻射截面呈反比，和光譜線寬成正比，因此DF越小，泵浦閾值功率越小一般固體激光器的閾值指的是實(shí)現(xiàn)閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的泵浦能量幾點(diǎn)結(jié)論：24激光器的振蕩模式 均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)及自選模作用 空間燒孔引起的多模振蕩 非均勻加寬激光器的多縱模振蕩 連續(xù)或長(zhǎng)脈沖激光器輸出光功率與能量 均勻加寬單模激光器 非均勻加寬單模激光器 蘭姆凹陷 多模激光器4.2 連續(xù)激光器的工作特性25 振蕩模式振蕩模式滿足自激振蕩條件，在激光器中能形成穩(wěn)定振蕩輸出的模式 第二章 從諧振腔(類型、結(jié)構(gòu)）出發(fā)討論腔內(nèi)可能存在的各種場(chǎng)分布及諧振頻率 模式 本節(jié) 以激光工作物質(zhì)的增益特性為基礎(chǔ)，從增益增益飽和飽和機(jī)制出發(fā)

13、，討論激光器的輸出模式一、均勻加寬激光器的振蕩模式 1. 均勻加寬激光器中的模競(jìng)爭(zhēng)及自選模自選模作用 123,.2cqL 21ln21rrlgtha0thgg26thgg0123.2 滿足閾值條件的幾個(gè)模在振蕩過程中，由于增益飽和效應(yīng)，別的模被抑制下去，唯獨(dú)剩下最靠近中心頻率的那個(gè)模，這種現(xiàn)象稱之為模競(jìng)爭(zhēng)（mode competition）27穩(wěn)態(tài)增益.g0thg123增益曲線增益曲線 1 2 3 g( ) g(1) I1 g(2) I2 g(3) I3 紅紅 gth gth gth 藍(lán)藍(lán) gth gth = gth 綠綠 = gth gth gth 0 棕棕 gth 0 = gth gt飽和

14、（穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)）不變4.3 連續(xù)激光器的輸出功率和最佳透過率36121lgTAIPms1. 均勻加寬激光器( =0 )IIIIIIT2, 1假設(shè)tsmHglIIgIg21,121lgIIms 如何求腔內(nèi) I II ,同時(shí)參與飽和I+I-T1=0T1=T12lPI TAN h vAT Hthgga時(shí)腔內(nèi)的光強(qiáng)1221TalgTAIPms 氣體激光器1aT1 2 T+a(4.14)a往返指數(shù)凈損耗指數(shù)凈損耗因子A光束有效截面積TTa激光耦合輸出(4.15)37討論 1. 輸出功率激勵(lì)功率 ( Pp P) 固體激光器 (光泵)lgPPggmPtPtmsFtpptttsFppmVnhPngVnhPngtt

15、DDDD210210lShPVhPnpptppttt112D當(dāng) ,P隨Pp線性增加,光泵浦激光器輸出功率由超出Ppt的泵浦功率轉(zhuǎn)換得到PtpPPppptPPstt2221F1100ptpptpPPPSAD12112120ptptmsPPTAlnhlgTAIPt212210ttsnl,hID(4.17)其中38 氣體激光器 ( 放電激勵(lì)，最佳放電電流 ) 上能級(jí)下能級(jí)jnjmPjHe - Ne 最佳放電條件下gm經(jīng)驗(yàn)公式dlgm2104.1 半導(dǎo)體激光器 (Semiconductor laser or laser diode)i -載流子復(fù)合輻射幾率； D- LD效率rLreVJJJPPPrLr

16、PeJJPithinoutDoutith1ln1ln1ln1lnaa(10-5-10)(10-5-12)JVPinPIIthP.32039Fig. 4.8Fig. 4.7討論2 最佳透過率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及計(jì)算IgPTtoutmT1221TalgTAIPmssmsAITaalgAIdTdP212取微分0dTdPlagTam22alagTmm22221algAIPmsmTm確定: 實(shí)驗(yàn) Pp一定, 改變T 測(cè) Pout 計(jì)算0dPdT40Fig. 5.3.3Fig. 5.3.2討論2 最佳透過率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及計(jì)算IgPTtoutmT1221TalgTAIPmssmsAITaalgAIdTdP212取微分

17、0dTdPlagTam22alagTmm22221algAIPmsmTm確定: 實(shí)驗(yàn) Pp一定, 改變T 測(cè) Pout 計(jì)算0dPdT41IhWstt02121321212132131/ 1ttWWngm三能級(jí)三能級(jí)Dnn WW013213211ttt221211AS221221130112141ttlnnlWAThP2131tw00Dn才能使2210thIs21203tnWgm221030121tlnWTAhP(W03 , n , l ,21 , t2) P四能級(jí)四能級(jí)121lgTAIPms三能級(jí)系統(tǒng)對(duì)三能級(jí)系統(tǒng)對(duì)W13有要求有要求結(jié)論：結(jié)論：激光輸出功率與工作物質(zhì)性質(zhì)和長(zhǎng)度有關(guān)422. 非

18、均勻加寬單模激光器 q q 0 0 時(shí), 和 分別在增益曲線燒孔,不是共同作用II 1200lgTAITAIPqisq q q= = 0 00002IIII121200lgTAITAIPmsq lIIgIgsqiqiq1,0 120lgIIqisIIczv10czv102202ln40DqeggmqiD12120lgIIms其中43 蘭姆凹陷蘭姆凹陷 (Lamb Dip) 單模輸出功率P與頻率的關(guān)系 P 燒孔面積 ( 表征對(duì)激光有貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)) 燒孔重疊條件 蘭姆凹陷寬度( 燒孔寬度 蘭姆凹陷寬度( DL sqIIqD12-0sHIIqD1氣壓 碰撞加寬DL 燒孔寬度 , 深度變淺443.

19、 多模激光器 非均勻加寬非均勻加寬: Dq足夠大, 不發(fā)生燒孔相連時(shí), 用(4-21)及(4-23)計(jì)算每個(gè)縱模的輸出功率, 總功率即為各模輸出之和 均勻加寬均勻加寬: (固態(tài)激光器）必須由多模速率方程求Pout ,并作簡(jiǎn)化假設(shè)(各模損耗相等, 線型函數(shù)為矩形) 后可得與(4-17)相同的表達(dá)式1100ptpptpPPPSAP說明:上述物理模型的適用范圍：高Q、低損耗激光器 1TII45補(bǔ)充題補(bǔ)充題：今有頻率 光強(qiáng) 的光及頻率為 的弱光在均勻加寬及非均勻加寬工作物質(zhì)中傳播，請(qǐng)作下列三種情況下 ,1100ggnD11IsII 1sII 1sII 1曲線示意圖并標(biāo)出其寬度。(1)(2)(3)11I

20、11I行波腔駐波腔46gH()gH(1)1兩種加寬機(jī)制介質(zhì)： 均勻加寬 & 非均勻加寬兩束光：強(qiáng)光 1, I1 (I1為穩(wěn)定光強(qiáng) ; 弱光 三種情況：小信號(hào)(藍(lán)) 大信號(hào),行波腔(紅) 大信號(hào),駐波腔(棕）均勻加寬均勻加寬DH2 DHg0(1)強(qiáng)光增益曲線變化強(qiáng)光增益曲線變化弱光增益曲線變化弱光增益曲線變化弱光增益系數(shù)均按同一比例下降，線寬保持不變 DDsHHHHIIgIg11122,220122010g0()g(,I1)g(,I1)HD2駐波腔中正、反方向傳輸光造 成的飽和效應(yīng)迭加，飽和加深強(qiáng)光增益曲線下降線寬加寬47非均勻加寬介質(zhì)強(qiáng)光增益曲線強(qiáng)光增益曲線弱光增益曲線弱光增益曲線 s

21、iiIIgIg111,101001 czv001czv 小信號(hào)小信號(hào)( (藍(lán)藍(lán)) ) 大信號(hào)大信號(hào), ,行波腔行波腔( (紅紅) ) 大信號(hào)大信號(hào), ,駐波腔駐波腔( (棕棕）2111HsIID 1ig 10g1,1Igi1 ig148二、短脈沖激光器的輸出能量二、短脈沖激光器的輸出能量 (t0 受激輻射使Dn減小的速率121,tttnNttnnnltDDDD(ms)51 t2- t3 受激輻射使Nl 急劇上升 Dn322ttnNttnNttdtnddtdNtlllDDD最大 t3- t4 受激輻射使 Dn 0 Nl急劇下降,Dn t4- t5 受激輻射使Dn減小的速率 = 泵浦使Dn增加的速

22、率tlnnnNDDD泵浦作用尚未停止，受激輻射減弱導(dǎo)致 tt5 重復(fù)上述脈沖的發(fā)展過程，在整個(gè)脈沖泵浦過程中，造成輸出激光的一連串尖峰結(jié)構(gòu)。52二、尖峰振蕩過程的理論處理求解瞬態(tài)速率方程 （1）精確解：數(shù)值解法 （2）近似解：穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上的一級(jí)微擾 脈沖激光器在泵浦時(shí)間內(nèi)，Dn與Nl處于劇烈變化階段，因此其輸出表現(xiàn)張弛振蕩特點(diǎn)，形成多個(gè)尖峰脈沖 泵浦激勵(lì)越強(qiáng)，阻尼振蕩頻率越高，衰減越快。 在定性解釋方面可以相符； 定量比較與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不甚相符, 原因是Dn和N并非只是在平衡值附近作微小起伏, 而可能是呈現(xiàn)十分大的起伏或間歇振蕩53例: 四能級(jí)激光器瞬態(tài)速率方程, 單模 =0, lLF121 032

23、12121WtnnAtntNtndttndtNtNtndttdNRDDDDDvvt 0000ntntnntnNtNtNNtNDDDDD一級(jí)微擾近似中假設(shè)瞬態(tài)光子數(shù)和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分別圍繞相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值附近微小起伏變化 N0, (Dn)0 為穩(wěn)態(tài)解均為小量 tntND,nnD2設(shè)3032321ASS2121212SAA54 03212121WtnnAtntNtndttndtNtNtndttdNRDDDDDt tRnltnDD21211ttnnDD0ttRtttnAnnwnAnnwnNDDDDD21032103210v1t nNtNNtNtnNtntNnNntNNtNNvtnndtNdRRttRtDDD

24、DDDD021000210021vvttt(1) 求穩(wěn)態(tài)值 N0,Dn0NnWAvNdtndRDDt10321021=g=a=b(2) 求含一級(jí)微擾的方程近似解（5.4.8）(5.4.7)55002222DDDNdtNddtNdndtnddtndbgabga DD2sin0sin0teNtNtentntt(5.4.7),(5.4.8)再次求導(dǎo)后代入(5.4.7),(5.4.8) t0 Dn(t), DN(t) 均呈現(xiàn)均呈現(xiàn)阻尼振蕩阻尼振蕩衰減系數(shù)衰減系數(shù)阻尼振蕩阻尼振蕩頻頻 率率220212103421212bgabgavNAW1210303210321tRRWWAnWvtt(5.4.6) 代

25、入031,WnnRttDnWnAtt0321Dt=0 Dn=Dnt 的時(shí)刻 W03 , 多模: 各模式振幅, , 均不同, 無規(guī)疊加, 強(qiáng)度無規(guī)起伏(連續(xù)連續(xù))（穩(wěn)態(tài)）（穩(wěn)態(tài)）56實(shí)際固體激光器振蕩過程并非象微擾理論所作的假設(shè)三、研究弛豫振蕩的實(shí)際意義三、研究弛豫振蕩的實(shí)際意義 弛豫振蕩反映激光振蕩過程的不穩(wěn)定性，具有普遍性任何任何激光建立的過程都存在弛豫振蕩，激光建立的過程都存在弛豫振蕩，它是由開始時(shí)的非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡過程中產(chǎn)生的效應(yīng)。(1) (1) 連續(xù)激光器中弛豫振蕩連續(xù)激光器中弛豫振蕩 噪聲噪聲 “預(yù)熱預(yù)熱”時(shí)間 激勵(lì)突變，損耗突變會(huì)引起振蕩不穩(wěn)定 tnntnNtNtNtntDDDD0

26、0,0,1時(shí)穩(wěn)態(tài)值 DD2sin0sin0teNtNtentntt 57注入調(diào)制電流tijeJJ0titiNeNNseSSD00有源層載流子密度有源層光子數(shù)密度RmtrtrNNSSAdtdNNSSASeVJdtdSttRmtrtrSSANSSASeVJtt10000穩(wěn)態(tài)(2) (2) 半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制（小信號(hào)調(diào)制）半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制（小信號(hào)調(diào)制） (P.321)(10.5.15)(10.5.16)PJ 光通信系統(tǒng)中采用LD直接調(diào)制 調(diào)制帶寬受限于LD的弛豫振蕩 頻率58sANNiNAsNseVjsimRm00DDttD0020ANiANFeVFANjNRmtt忽略2的高頻項(xiàng)，可解得其

27、中(10.5.21)(10.5.22)jND反映LD的調(diào)制特性 在低頻端響應(yīng)平坦; =R處有最大值 R為弛豫振蕩頻率21200121ANANRRttRRANt0相差三個(gè)量級(jí)ttR 提高調(diào)制帶寬的途徑提高調(diào)制帶寬的途徑(思考思考?)59(3) 增益開關(guān)增益開關(guān)DFB激光器激光器 (Gain Switched-DFB) 增益開關(guān)用高速大信號(hào)調(diào)制時(shí)，使LD獲得的增益大大超出閾值增益。利用LD的弛豫振蕩特性獲得超短脈沖 工作原理工作原理 W03 , 在DFB激光器上施加調(diào)制信號(hào)，在大功率信號(hào)調(diào)制作用下產(chǎn)生弛豫振蕩，在弛豫振蕩的第一個(gè)脈沖產(chǎn)生后, 撤除調(diào)制信號(hào)后會(huì)產(chǎn)生幾十皮秒 (ps) 的超短光脈沖60

28、tcLtcLDD212主門電路計(jì) 數(shù) 器距離顯示晶 體振蕩器脈沖信號(hào)輸 入30MHz5m75MHz2m150MHz1m（6.67ns)(4) 弛豫振蕩使激光能量分散在多個(gè)尖峰脈沖上，峰值功率低時(shí)間特性差，為獲得單個(gè)巨脈沖，必須抑制弛豫振蕩。 脈沖峰值功率較低幾十kw量級(jí), 影響測(cè)距距離 時(shí)間特性差：多脈沖輸出 影響測(cè)距精度 獲得巨脈沖方法： 調(diào)Q 、鎖模激光測(cè)距儀激光雷達(dá)61 單模激光器的線寬由那些因素決定 無源腔線寬 有源腔線寬 單模激光器的線寬極限 自發(fā)輻射對(duì)單模輸出線寬的影響 單模激光器輸出線寬極限的估算穩(wěn)頻激光器 蘭姆凹陷 飽和吸收 習(xí)題作業(yè)：4,5腔內(nèi)總光強(qiáng)為二個(gè)方向相反的傳播場(chǎng)的疊

29、加，只有向輸出鏡傳播的可以出激光器，因此為總場(chǎng)的1/212120lGATIIATPmSvout期中單程總損耗aTTa)1ln(2a 往返一次的內(nèi)部損耗1221TalGATIPmSout代入Is和Gm221030121tlnWAThvPout1、受激輻射截面大、上能級(jí)壽命長(zhǎng)，輸出功率越大2、抽運(yùn)幾率越大，輸出功率越大3、增加工作物質(zhì)長(zhǎng)度、減小損耗有利于提高激光輸出光泵浦激光器lGGGnnPPmtmtPtPDD01121100ptpptpptPSoutPPPSAvvPPATIP20TptpPP激發(fā)參數(shù)最佳透射率1221TalGATIPmSout對(duì)一個(gè)給定的內(nèi)部損耗a，都有一個(gè)最佳的透過率，使輸出功

30、率最大令0dTdPoutalaGTmm22)2(21alaGAIPmSmGm越大，工作物質(zhì)越長(zhǎng)，a越小，最佳透過率越大二、非均勻加寬單模激光器腔內(nèi)光強(qiáng) IIqv增益系數(shù)220)(2ln41),(DqqqvvvsvmvqieIIGIvGD穩(wěn)定工作時(shí)D12)(2ln4220DqqvvvmSvelGII輸出功率D12)(2ln4220DqvvvmSoutelGTAIATIP如果 0vvq則 IIv20120lGIImSv1212lGTAIATIPmSout中心頻率輸出功率比非中心頻率小，蘭姆凹陷蘭姆凹陷寬度和燒孔寬度相當(dāng)SvHIIvvqD1氣體激光器氣壓增大，蘭姆凹陷變寬、變淺三、多模激光器1、均勻

31、加寬 輸出功率1121100ptpptpptPSoutPPPSAvvPPATIP2、非均勻加寬輸出功率為各模式輸出功率之和4.4 脈沖激光器的工作特性一、弛豫振蕩腔內(nèi)光子數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)數(shù)相互作用的結(jié)果數(shù)學(xué)分析：設(shè)單模激光，v0，l=L，效率=1RtNtNtndttdNt)()()()(21D四能級(jí)系統(tǒng)032121)()()()()(WtnnAtntNtndttndDDDD穩(wěn)態(tài)工作時(shí)N、Dn的變化為0ttRtnAnnWNnnDDDD210300)()(t把振蕩看成是穩(wěn)態(tài)附近的擾動(dòng))( )()()( )(00tnntntNNtNDDD00)()( )( ntnNtNDD其中)(0210321021

32、nNdtdNNnWANdtndRDDDt忽略2階小量002222DDDDNdtnddtNdndtnddtndbgabga02103210211NWANRgtba其中方程的解為)2sin()0( )( sin)0( )( DDteNtNtentntt220212103421)(212bgabgaNAW其中當(dāng)1t時(shí)，)( ),( tNtnD趨向于0，表明由振蕩趨于穩(wěn)定代入N0，nWR032121t1)(030321tRWWAtnWnAWnnttRt)(,1,032103DD穩(wěn)態(tài)時(shí)t外界激發(fā)越強(qiáng)，衰減越迅速，振蕩頻率越高4.5 激光放大器光通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生光信號(hào)的放大激光放大器激光放大器的

33、分類：1、連續(xù)激光放大器 輸入信號(hào)是連續(xù)波或脈沖寬度大于能級(jí)壽命，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)2、脈沖激光放大器 脈沖小于能級(jí)壽命，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài) 3、超短脈沖放大器 當(dāng)輸入信號(hào)為飛秒時(shí)按工作方式分：1、行波放大器 無反射鏡2、再生放大器 有反射鏡，構(gòu)成F-P標(biāo)準(zhǔn)具再生放大器的增益為)(2sin4)1 ()1 (222CSsSvvlrGrGGrGGs單程光強(qiáng)增益，r反射鏡反射率，vc放大器本征頻率當(dāng)信號(hào)頻率和本征頻率相同時(shí)，增益最大。當(dāng)r增大時(shí)，頻率范圍變小。當(dāng)r=0時(shí)，G=Gs 為行波放大器，輸入信號(hào)在熒光譜線范圍內(nèi)均可放大一、橫向均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器激光放大器的主要參數(shù)：增益、輸出功率、增益譜寬增益：輸出端光強(qiáng)和輸入信號(hào)之比0)(IlIG asmIzIGdzzIzdI)(1)()(均勻展寬：a為平均損耗系數(shù)對(duì)于小信號(hào)放大，I(z)1時(shí)，I(z)隨z增加。PthSPpPIhzIt)()(132、IP(z)隨z減?。?）小信號(hào)增益I(z)1由輸運(yùn)方程求解得到pthPPPPPPthPIIGlGlII0000lnln2121ln2121lnbbbbbb測(cè)量10G時(shí)的Ip0，求出Ipth4.15當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，參雜光纖長(zhǎng)度有一最佳值三、脈沖激光放大器反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和光子數(shù)密度是位置和時(shí)間的函數(shù)1、在脈沖作用時(shí)間內(nèi)，忽略泵浦光對(duì)自發(fā)輻射和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的影響（