激光器的振蕩模式.ppt

1、5.2 激光器的振蕩模式,一、均勻加寬激光器的振蕩模式,滿足閾值條件的幾個(gè)模在振蕩過(guò)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）,1. 均勻加寬激光器中的模競(jìng)爭(zhēng)及自選模作用,穩(wěn)態(tài)增益,.,.,g0(n),結(jié)論：無(wú)論起始時(shí)滿足振蕩條件有多少個(gè)縱模，理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出模式為單縱模。,時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 大信號(hào)增益閾值增益時(shí)為穩(wěn)態(tài)增益,2. 增益空間燒孔效應(yīng)及其引起的多模振蕩,燒孔效應(yīng)）光譜燒孔效應(yīng)或頻域燒孔效應(yīng),(1)軸向空間燒孔效應(yīng)的形成,q模腔內(nèi)光強(qiáng)分布,只有q模存在時(shí)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的分布,腔

2、內(nèi)駐波場(chǎng)分布 增益空間分布g(z) 增益空間燒孔,燒孔間距在波長(zhǎng)量級(jí),q模腔內(nèi)光強(qiáng)分布,只有q模存在時(shí)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的分布,q模腔內(nèi)光強(qiáng)分布,不同縱?？墒褂们粌?nèi)不同部位的高能級(jí)粒子而同時(shí)發(fā)生振蕩 縱模的空間競(jìng)爭(zhēng),空間燒孔引起的多模振蕩,q模形成微弱振蕩,3 空間燒孔的形成原因:,駐波腔,粒子空間轉(zhuǎn)移速度較慢,氣體: 無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng),空間轉(zhuǎn)移迅速,難以形成空間燒孔. 以均勻加寬為主的高氣壓激光器可獲得單縱模振 蕩。,固體: 如Cr離子束縛在晶格結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)移l/4波長(zhǎng)的距離需10-4 S;半導(dǎo)體: 10-7 S.遠(yuǎn)大于激光形成時(shí)間,空間燒孔不能消除. 以均勻加寬為主的固體激光器一般為多縱模振蕩.,抑

3、制空間燒孔效應(yīng),行波環(huán)形腔,當(dāng)激勵(lì)作用足夠強(qiáng)時(shí), 不同橫?？梢苑謩e使用不同空間的激活粒子而形成多橫模振蕩,4 橫向空間燒孔的形成原因,橫截面上光場(chǎng)分布的不均勻,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的橫向空間分布不均勻, 橫向燒孔,二、非均勻加寬激光器的振蕩模式,1、外激勵(lì) g0滿足閾值條件縱模振蕩模式數(shù) 只要模間隔足夠大，各個(gè)縱模互不相關(guān),2、非均勻加寬激光器中模競(jìng)爭(zhēng)的表現(xiàn),(1)若縱模頻率q-1及q+1稱分布在中心頻率 0 兩側(cè),n1,n2,Dn,消耗相同速度 vz的反轉(zhuǎn)粒子數(shù),Dn,q-1及q+1共用同一種表觀中心頻率的激活粒子，存在模競(jìng)爭(zhēng)，輸出功率有無(wú)規(guī)起伏。,(2)相鄰縱模的燒孔重疊,燒孔寬度:,縱模間隔:

4、,相鄰縱模因共用一部分激活粒子而相互競(jìng)爭(zhēng)。,均勻加寬激光器,1、增益曲線均勻飽和引起模式競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致 理想情況下，輸出應(yīng)是單縱模的 2、增益的空間燒孔引起縱模的空間競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致多模振蕩（固體）,小結(jié)：,一般多縱模振蕩， 也存在模式競(jìng)爭(zhēng) （燒孔重疊 或模的頻率關(guān)于 對(duì)稱 ）,非均勻加寬激光器,輸出功率和透光率關(guān)系,透光率和2gml之間關(guān)系,0,G,Gt,4,P4P3,3,2,1,P1=0,P2P1,P3P2,P0P4,蘭姆凹陷非均勻加寬單模輸出功率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)),0,G,Gt,0,G,Gt,6,P6Po,0,G,Gt,5,P5 P6,4,P4P5,3

5、,P3P4,1,2,P2P3,0,Gt,1,P1=0,1,2,3,0,3,2,g,gT,(a),單模輸出功率P與頻率的關(guān)系-蘭姆凹陷,1,在單模輸出功率P和單模頻率的關(guān)系曲線中，在=0處，曲線有一凹陷，稱作蘭姆凹陷。,P 燒孔面積 ( 表征對(duì)激光有貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)),蘭姆凹陷寬度, 燒孔寬度:,氣壓 碰撞加寬DnL 燒孔寬度dn , 深度變淺,蘭姆凹陷寬度 燒孔寬度:,3、多模激光器的輸出功率,非均勻加寬: 足夠大, 不發(fā)生燒孔相連時(shí),各個(gè)模式相互獨(dú)立，分別計(jì)算每個(gè)縱模的輸出功率，總的輸出功率是各模輸出功率之和。,計(jì)算公式:,均勻加寬: (固態(tài)激光器）必須由多模速率方程(課本P147)求Pou

6、t ,并作簡(jiǎn)化假設(shè)(各模損耗相等, 線型函數(shù)為矩形),得出其輸出功率,二、短脈沖激光器的輸出能量 (t0 ts) 四能級(jí)系統(tǒng)為例,思路：輸出能量 受激輻射光子數(shù) n2 吸收泵浦能量,E0E3 E3E2 E2E1 E內(nèi) (Ei) 吸收泵 激活粒子數(shù) 受激輻射粒子數(shù) 腔內(nèi)激光能量 浦能量,EP, 輸出能量 ( E ),小結(jié)：,均勻加寬單模激光器輸出功率：,T1,輸出最佳透過(guò)率,光泵情況：,非均勻加寬單模激光器輸出功率：蘭姆凹陷,短脈沖激光器的輸出能量：,5.4 (脈沖)激光器中的弛豫振蕩,熒光波形,激光波形,激光輸出不是一個(gè)平滑的光脈沖，而是寬度只有微秒數(shù)量級(jí)的短脈沖序列，即所謂的“尖峰”序列,弛豫振蕩的形成定性解釋,腔內(nèi)光子數(shù)密度及反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度隨時(shí)間的變化,泵浦激勵(lì)使Dn增加,受激輻射尚未建立,N幾乎不變,泵浦激勵(lì)使Dn增加的速率 受激輻射使Dn減小的速率,t1- t2,0- t1,t= t2時(shí),同時(shí),Dn增加的速率 = Dn減小的速率,t2- t3,受激輻射使Nl 急劇上升, Dn,達(dá)最大,t3- t4 受激輻射使 Dn Dnt , Nl急劇下降,Dn ,泵浦激勵(lì)使Dn增加的速率 受激輻射使Dn減小的速率,t4- t5,，受激輻射減弱,tt5 重復(fù)上述脈沖的發(fā)展