第5章激光原理復(fù)習(xí)總結(jié)

1、第一節(jié),激光器的振蕩閾值,一、閾值種類,閾值增益系數(shù),閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度,連續(xù)或長脈沖激光器的閾值泵浦功率,短脈沖激光器的閾值泵浦能量,二、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度,1,、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度,l,：,工作物質(zhì)的長度,?,2,、振蕩條件：,?,n,?,?,n,th,?,?,21,?,?,?,0,?,l,0,?,?,n,th,?,?,21,?,?,?,0,?,l,1/18,三、閾值增益系數(shù),1,、閾值增益系數(shù)：,?,g,t,?,?,n,t,?,21,?,?,?,0,?,?,l,?,?,n,th,?,?,21,?,?,?,0,?,l,2,、振蕩條件：,g,?,?,?,?,g,t,?,0,?,l,g,t,。

2、,不同縱模具有相同的損耗,?,，因而具有相同,不向的橫模具有不同的損耗,g,t,，,?,，因而有不同,高次橫模的,g,t,比基模的大。,2/18,第二節(jié),激光器的振蕩模式,試說明某個頻率的光最終要成為激光的縱模輸出，,它必須突破幾個關(guān)口。,參考答案：,滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一。,頻率落入工作物質(zhì)的譜線線型范圍,F,內(nèi)。,小信號增益系數(shù)大于閾值增益系數(shù)。,一、均勻加寬激光器的模競爭,1,、增益曲線均勻飽和引起的,縱模,自選模作用,?,?,F,內(nèi),?,q,?,1,、,?,q,、,?,q,?,1,，都落入,(1),參與競爭的模：,各自都有：,g,0,?,?,?,?,g,t,3/18,(2

3、),競爭或自選模過程,0,如圖，開始時：,g,?,?,?,?,g,t,I,q,?,I,q,?,1,?,I,q,?,1,?,由于飽和效應(yīng)，增,g,th,益曲線下降。,3,當(dāng)降到曲線,1,時：,g,?,?,q,?,1,?,?,g,t,I,q+1,停止上升，而,I,q-1,和,I,q,繼續(xù)上升，增益曲線,?,q,?,1,?,0,?,q,?,q,?,1,繼續(xù)下降，使,g,?,?,q,?,1,?,?,g,t,I,q+1,迅速減小并熄滅。,當(dāng)降到曲線,2,時：,g,?,?,q,?,1,?,?,g,t,I,q-1,停止上升，而,I,q,繼,續(xù)上升，增益曲線繼續(xù)下降，使,g,?,?,q,?,1,?,?,g,t

4、,，,I,q-1,熄滅。,4/18,g,0,?,1,2,當(dāng)降到曲線,3,時：,g,?,?,q,?,?,g,t,I,q,停止上升，,由于沒有其他的縱模使增益曲線下降,則激光器,就穩(wěn)定在,I,q,上,從而輸出單縱模激光。,結(jié)論：,理想情況下,，,均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器,的輸出,應(yīng)是單縱模，其頻率在增益曲線中心頻率附近，,其它縱模被抑制而熄滅。在模的競爭過程中，頻,率越遠(yuǎn)離中心頻率的光越先熄滅。,2,、空間燒孔引起的多縱模振蕩,(1),激光強(qiáng)時，均勻加寬激光器為多縱模振蕩，激發(fā)越,強(qiáng)，達(dá)到閾值從而參與競爭而振蕩的縱模數(shù)越多。,5/18,理由：腔內(nèi)駐波場分布要引起增益空間燒孔效應(yīng)。,(2),增益的軸向,(

5、,或縱向,),空間燒孔效應(yīng),由于腔內(nèi)的駐波場分,布，波腹處光強(qiáng)大，,L,I,?,q,波節(jié)處光強(qiáng)小，由于,飽和效應(yīng)，則反轉(zhuǎn)集,0,居數(shù)從而增益系數(shù)在,?,n,?,n,波腹處最小，在波節(jié),處最大，形成增益系,數(shù)的軸向空間分布。,(a),(b),增益的軸向,(,或縱向,),空間燒孔效應(yīng),6/18,(3),縱模的空間競爭,若一縱模的波腹與,另一個縱模的波節(jié),?,n,重合較好，則兩模,可分用縱向不同空,I,?,q,間的反轉(zhuǎn)粒子而同,時振蕩。,軸向空間燒孔的,形成條件是：,I,?,q,L,(a),?,n,0,(b),(c),駐波腔,(,燒孔間距在波長量級,),粒子空間,轉(zhuǎn)移速度較慢,(4),縱?？臻g燒孔的

6、消除,使激活粒子在空間迅速轉(zhuǎn)移，抹平燒孔。,加上光隔離器形成環(huán)形行波腔，無軸向空間燒孔。,7/18,(5),橫向空間燒孔,橫模在橫截面內(nèi)的光強(qiáng)分布不均勻?qū)е聶M向的增益,分布不均勻而形成。,0,I,00,?,n,(6),橫模的空間競爭,橫向,燒孔尺度較大,(mm,量級,),，粒子的遷,移不能消除這種不均勻,性。所以，,當(dāng)激勵作,用足夠強(qiáng)時,不同橫模,可以,分別使用不同橫,向空間的激活粒子而形,成,多橫模振蕩。,?,n,?,n,I,10,TEM,00,x,TEM,10,x,8/18,第三節(jié),輸出功率與能量,9/18,第四節(jié)弛豫振蕩,產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因,：,當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上,能級的粒

7、子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光,子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光,。隨著激光的發(fā)射，上能級粒子數(shù)大,量被消耗，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當(dāng)?shù)陀陂y值時，激光振蕩就停,止。這時，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，,當(dāng)超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直,到泵浦停止才結(jié)束。每個,尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生,的，因此,脈沖的峰值功率水平較低。,增大泵浦能量也無助于峰值功率的提,高，而只會使小尖峰的個數(shù)增加,。,問題核心：,1.,n,的變化：,泵浦,使,n,，受激輻射即,光子的產(chǎn)生,使,n,。,n,的,or,由,n,和,n,速率決定。,2.,光子數(shù)密度,N,的變化。,n

8、,在閾值,之前沒有光子產(chǎn)生，,在閾值之上有光子產(chǎn)生,(,N,),否則光子被吸收,(N,),。,10/18,弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程,，可以用圖,5.1-2,來描述。它示出了在弛,豫振蕩過程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù),n,和腔內(nèi)光子數(shù),N,的變化，每個尖峰可,以分為四個階段,(,在,t,1,時刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù),n,增長，但尚未到達(dá)閾值,n,th,因而不能形成激光振蕩。,),N,圖,5.1-2,腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變化,11/18,第一階段,(,t,1,一,t,2,),：激光振蕩剛開始時，,n,n,th,，,N,0,；由于,光泵作用，,n,繼續(xù)增加，與此同時，腔內(nèi)光子數(shù)密度,N,也開始增

9、,加，由于,N,的增長而使,n,的速率,泵浦使,n,的速率,，因此,n,一,直增加。,第二階段,(,t,2,一,t,3,),：,由于,N,的,不斷,使,n,的速率不斷增加,到,=,泵浦使,n,的速率時,達(dá)最,大值，此后，,N,仍然增加，,n,的速率進(jìn)一步增加，光,子產(chǎn)生使,n,的速率,泵浦使,n,的速率,n,總效,開始下,降,，但仍然大于,n,th,，,N,繼,續(xù)增長，而且增長非常迅速，,n,快速,到,n,=,n,th,時,N,達(dá),腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變化,到最大值。,12/18,N,第三階段,(,t,3,一,t,4,),：,N,達(dá)到最大后，,此時,N,比,較大，它使,n,的速率,泵

10、浦使,n,的速率,結(jié)果,使,n,n,th,，增益小于,損耗，光子數(shù)密度,N,并急,劇下降。,N,第四階段,(,t,4,一,t,5,),：,光子數(shù)減少到一定程度，,N,使,n,的速率,泵浦使,n,的速率,泵浦,又起主要作用，于是,n,又開始回升，到,t,5,時刻,n,又達(dá)到閾值,n,th,，,于是又開始產(chǎn)生第二個尖峰脈沖。因?yàn)楸闷值某檫\(yùn)過程的持續(xù)時間,要比每個尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復(fù)始，產(chǎn)生一系,列尖峰脈沖。泵浦功率越大,尖峰脈沖形成越快,因而尖峰的時間間,隔越小,.,13/18,第五節(jié),單模激光器的線寬極限,理想情況：,穩(wěn)定工作時，增益正好等于總損,耗，即腔內(nèi)受激輻射能量剛好補(bǔ),

11、充損耗的能量，而且受激輻射產(chǎn),生的光波與原光波相同的位相，,二者相干疊加使得腔內(nèi)振幅始終,保持不變，因此輸出激光在理想,情況下為一無限長的波列，其線,寬等于零。,實(shí)際情況：,自然界不可能存在絕對單,色光，實(shí)際單縱模激光器,的線寬也不會為零,。,矛盾的原因？,忽略了自發(fā)輻射的存在,線寬極限：,不計(jì)其它因素，僅考慮自發(fā)輻射存在的線寬,14/18,1.,無源腔本征縱模線寬,c,?,?,?,c,?,2,?,L,c,?,s,?,?,s,?,2,?,L,?,L,單程光程,2.,有源腔縱模線寬極限,?,s,?,?,?,gl,3.,線寬極限的產(chǎn)生機(jī)理,有源腔單程凈損耗,輸出激光中有自發(fā)輻射的貢獻(xiàn),15/18,線,寬,小,結(jié),