2-5激光器的工作原理-阈值条件

上一页回首页下一页回末页回目录第二章连续激光器的原理§2.5阈值条件一、损耗（一）增益介质内部损耗1.当光穿过增益介质获得增益的同时，会因为内部损耗(由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷而使光产生折射、散射等)的存在以相对速率a内(称为内损耗系数)而减小，则此时光在增益介质中的变化规律为：zaGII)exp(0内（二）镜面损耗1.当强度为I的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，用a1I(或a2I)表示2.又经过增益介质进行放大，再传到M1时，LaGIrLaGII2)exp()exp('012011内内'1I二、激光器内形成稳定光强的过程1.由于自发辐射，在z=0处有一束强度为I1的入射光沿腔轴传播，此时由于腔内光强很弱，则有：（一）腔内光强的放大过程LaGIrIzaGII)exp(')exp(012101内内zL1I1I2I1I2ImI2ImIAI(L)I(2L)M1M2图（2.7.1）谐振腔中光强增长上一页回首页下一页回末页回目录第二章连续激光器的原理§2.5阈值条件3.光强在M1上一部分反射回腔内继续放大，这部分为：LaGIrrI2)exp(01212内光强在M1上一部分作为激光器的输出透射出去，这部分为：LaGIrtIout2)exp(0121内其余部分作为镜面损耗而损失了，这部分为：LaGIraIaIh2)exp(012111内总的镜面损耗为：LaGIrtaIIhout2)exp()(01211内此时腔内光的放大倍数为：12)exp(02112LaGrrIIK内1.随着光强的增大，增益系数进一步减小，由增益的而增加的光能量仅能补偿损耗而无剩余，输出光强也不再改变，此时：（二）腔内稳定出光过程12)exp(21LaGrrK内zL1I1I2I1I2ImI2ImIAI(L)I(2L)M1M2图（2.7.1）谐振腔中光强增长上一页回首页下一页回末页回目录第二章连续激光器的原理§2.5阈值条件三、阈值条件1.可以获得激光所要求的双程放大倍数为：12)exp(21LaGrrK内将上式改写为：21ln21rrLaG－内令：总内－arrLa21ln21则形成激光所要求的增益系数的条件为：总aG2.随着光强的增大，增益系数不断下降，当它下降到下限值时光强也到达最大值IM，增益系数的下限值为增益系数的阈值，即为：总总；对非均匀介质有aIIGGaIIGGSMDMSMM2100)1(:13.粒子数密度反转分布值的阈值为：阈n)()(2121fhBcanafhcBnG总阈总阈阈＝＝＝33333212188)(hchcAB)(8222fcan总阈＝上一页回首页下一页回末页回目录第二章连续激光器的原理§2.5阈值条件四、对介质能级选取的讨论1.如果激光下能级E1是基态或很接近基态的能级，则根据波尔兹曼分布可知E1能级上粒子数密度很大，这样完全要靠激励能源将下能级中一半以上的粒子不停地抽运到高能级E2上，且要满足：2.如果下能级不是基态，并在常温下它就是一个空态，此时激励能源只要抽运的粒子到高能级E2上即可，这对激励能源的功率要求较低。这就是常说的三能级系统和四能级系统。阈nnn123.三能级和四能级系统的能级模型分别如图（2.7.2）和（2.7.3）所示。阈nn2E2E1E3图（2.7.2）三能级系统能级图E4E3E2E1图（2.7.2）四能级系统能级图4.以三种固体激光器为例，分别算出、以及，并进行比较。阈n阈2n阈nn2