4-2 模式競爭.ppt

1、4-2 模式競爭 起振后的激光模式能否形成一個穩(wěn)定的振蕩模式而輸出，好要考慮模式競爭的情況。 均勻加寬激光器往往由于模式間的競爭，最后只有靠近中心頻率附近的一個模式取勝而形成穩(wěn)定的振蕩，非均勻加寬激光器則因各模式間的競爭不激烈或無競爭，而使得起振的各模式同時形成穩(wěn)定振蕩而存在。對于某些實際應(yīng)用如精密計量、激光通訊等，需要單色性能極好、頻率穩(wěn)定的激光束。這時，我們希望激光器只以單縱模運轉(zhuǎn)。為達(dá)此目的，可選擇均勻加寬激光器，也可以盡量減少諧振腔的腔長，使縱模頻率間隔 加大。但是，這些方法都具有一定的局限性，例如腔長縮短，勢必會影響輸出功率。1 上節(jié)講到，可以起振的激光縱模既要滿足諧振腔幾何參數(shù)所決

2、定的駐波條件，又要滿足由激光工作物質(zhì)、諧振腔及外界激發(fā)作用等因素共同決定的振蕩條件。 但起振的縱模有的還不一定能維持下去，這是由于有模式適用的是相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，它們之間存在著所謂的模式競爭現(xiàn)象。 本節(jié)將分別討論均勻加寬、非均勻加寬介質(zhì)中模式間的競爭作用。2一、均勻加寬激光器的模式競爭 二、非均勻加寬激光器的模式競爭 3一、均勻加寬激光器的模式競爭 如果有多個模式的諧振頻率落在均勻加寬工作物質(zhì)的增益曲線振蕩線寬范圍內(nèi)，由于各模式盡管頻率不同，但使用的都是相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，因此他們之間的競爭是很激烈的。下畫出了這一過程。 4說明，均勻加寬激光器中滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中互相競爭，結(jié)果總

3、是靠近中心頻率 附近的縱模取勝，其他模式都被抑制熄滅。5 在均勻加寬激光器中，果如激發(fā)很強(qiáng)時，除了中心頻率附近的模式可形成穩(wěn)定振蕩，也有可能會出現(xiàn)其它較弱的模式，激發(fā)越強(qiáng)，出現(xiàn)的振蕩模式也就越多。 解釋：當(dāng)頻率為q的強(qiáng)激光振蕩時，它在腔內(nèi)沿軸線方向的光強(qiáng)分布并不是均勻的，而是形成了一個駐波場，波腹處光強(qiáng)最大，波節(jié)處光強(qiáng)最小。這樣，腔內(nèi)各點處的增益系數(shù)也就不同，波腹處光強(qiáng)大，用去的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)多，造成增益系數(shù)下降的也大。波節(jié)處恰好相反，增益系數(shù)下降的少。但q模式的平均增益系數(shù)在穩(wěn)定時仍等于閾值增益系數(shù)。我們稱這種發(fā)轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度或增益系數(shù)在腔內(nèi)軸線上的具有某種分布的現(xiàn)象為空間燒孔效應(yīng)。 6 由于腔軸

4、線方向的空間燒孔效應(yīng)，不同縱模使用空間不同部分的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)而同時產(chǎn)生振蕩，我們稱這一現(xiàn)象為縱模的空間競爭（單縱模輸出中要極力避免的）。實現(xiàn)單縱模輸出的方法：1）設(shè)法將縱模在腔內(nèi)形成的駐波場變?yōu)樾胁▓?，是光?qiáng)沿軸線方向均勻分布，以消除空間模競爭。例如用環(huán)形腔代替一般的諧振腔便可達(dá)到此目的；2）如果激光工作物質(zhì)中的激活粒子空間轉(zhuǎn)移的速度很快，空間燒孔便無法完成，例如氣體激光器中，發(fā)光粒子做無規(guī)則的熱運動，無法形成空間燒孔，也就不存在空間模式競爭的現(xiàn)象。7從前面的分析中可以看出：均勻加寬的高氣壓氣體激光器最容易實現(xiàn)單縱模輸出。固體激光器中的激活粒子都是被束縛在晶格上的，不能消除空間燒孔現(xiàn)象，如果不采

5、取特殊的選模措施，均勻加寬的固體激光器一般也都是多縱模振蕩。在均勻加寬激光器中，除了存在軸向的空間燒孔現(xiàn)象以外，還存在橫向的空間燒孔現(xiàn)象。這是由于不同橫模其橫向光場分布也不同，它們分別使用不同空間的激活粒子。因此，如果激活粒子的空間轉(zhuǎn)移的速度很慢，不能消除橫向燒孔效應(yīng)的話，當(dāng)激勵足夠強(qiáng)時，就可能形成多橫模振蕩。8均勻加寬激光器中模式競爭效應(yīng)引起的激光器跳?，F(xiàn)象這種現(xiàn)象特別是在內(nèi)腔式氣體激光器剛點燃時很明顯現(xiàn)象; 精細(xì)測量輸出激光的頻率，會發(fā)現(xiàn)它隨時間不斷的起伏，如果4-2-3所示。隨時間的延續(xù)，光頻率逐漸減小，到某一時刻又突然發(fā)生跳變，增大到某一數(shù)值，然后又重復(fù)上述過程。但激光頻率始終在譜線中

6、心頻率0附近變化。 9用下圖解釋跳?，F(xiàn)象： 10二、非均勻加寬激光器的模式競爭 非均勻加寬激光器中，如果有多個縱模滿足起振條件，由于某個縱模光強(qiáng)的增加，不會是整個增益曲線下降，而只是在增益曲線的相應(yīng)頻率處產(chǎn)生一個或兩個燒孔，只要起振的幾個縱模頻率間隔足夠大，個縱模形成的燒孔不重疊，那么各模式所消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)互不相關(guān)。所以，非均勻加寬激光器的各縱模之間實際上沒有模式競爭，所有小信號增益系數(shù)大于閾值增益系數(shù)能形成穩(wěn)定振蕩。因此，非均勻加寬激光器的通常都是多縱模振蕩。 圖4-2-5畫的是非均勻加寬激光器的這種多縱模振蕩的情況。 11上圖說明：當(dāng)外界的激發(fā)越強(qiáng)時，小信號增益曲線就越高，滿足振蕩條件的縱模個數(shù)也越多。12 非均勻加寬激光器中的模式競爭存在于那些頻率間隔小的縱模之間，由于相鄰縱模的燒孔部分重疊，共用相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)而產(chǎn)生競爭。但這種競爭一般不會像均勻加寬那樣能將競爭對手完全熄滅