第6章陈鹤鸣激光原理

6.1连续与脉冲工作方式脉冲激光器连续激光器Pulsedlaser:PL连续激光器准连续激光器ContinuousWaveLaser:CWL脉冲激光器：长脉冲、短脉冲、超短脉冲。长脉冲可视为准连续第六章：激光器的工作特性1.脉冲激光器具有较大输出峰值功率，适合于激光打标、切割、测距等.常见脉冲激光器：钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、氮分子激光器、准分子激光器等。2.连续激光器3.准连续激光器(Quasi-continuous-wave:QCW)以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术等）的场合泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。13()Wt13W00tt激光上能级粒子数随时间如何变化？2n1313()0WWt00tt0tt粒子数密度为的红宝石被矩形脉冲激励光照射，n其激励几率：例：330,0dnndt31133323131()dnnWnSASdt123nnnn3321213()nSnnW313132321SASS211222122121332()dnnWnWnASnSdt3321213()nSnnW221211AS能级寿命2E——12113()11321213()[1]WtWnnteW00:tt0:tt013W02()220()()ttntnte2()nt20()nt00tt忽略受激过程1312131122)(nWnWdtdn6.1.1.脉冲激光器02t整个抽运期间，激光上能级粒子数随时间增长，抽运结束瞬间达到最大值。各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，系统处于非稳定态结论：12()Wt12Wt00tT0Tt2()Nt20()Ntt00tT0Tt0dNdt0idndt，6.1.2.连续激光器与长脉冲激光器02t当时间增大到20tt完成增长过程而达到稳定值，保持为常数。2()nt时，各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态结论：12()Wt12Wt00t0t2()Nt20()Ntt020tt2阈值增益系数gainthreshold阈值条件阈值反转粒子数Populationinversionthreshold阈值泵浦功率Pumppowerthreshold6.2激光器的振荡阈值6.2.1阈值增益系数光在谐振腔内往返一周后的光强（考虑损耗与增益）：02()10GlIIe起振条件：10II02()0Gl0Gl阈值增益系数：tGl001q00q001q002q011q01q011q01tg0()g00tg不同纵模的相同，故具有相同的；tG不同横模的不同，故不同（高阶横模较大，也较大）tGtG激光器稳定振荡时的特点？tgg增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡zg0g0z()Iz0ImI021nnn6.2.2阈值反转粒子数密度?tnE2E12n1n增益系数和反转粒子数间的关系：210()(,)gn210210210()(,)()(,,)ttlggnn中心频率频率处：02100(,)21tnl激光器的阈值反转粒子数密度：激光1.连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率：02()t12120nnnnn，能级阈值粒子数密度：2E221ttnnl6.2.3阈值泵浦功率和能量1323230()SSA2212121()ASA12F22tsn2tFsn22tnnE3E0E1E2nn3n1n0阈值泵浦功率：21PtPPtFsFshnVhVPl2222tttnnnnnnnn能级阈值粒子数密度2E22tnn(2)三能级系统nLaserRadiationFasttransitionAbsorptionEnergy1E1E2E3nLaserRadiationFasttransitionAbsorptionEnergyn3n2n1阈值泵浦功率：2PPtFshnVP2.短脉冲激光器的阈值泵浦功率：02()t激励持续期间，2E能级的自发辐射和无辐射跃迁的影响可忽略四能级系统阈值泵浦能量：1121PtPPthnVhVEl三能级系统阈值泵浦能量：12PPthnVE21tn22tnn0E1E2En3E11关于激光器阈值泵浦功率（能量）的结论：（1）三能级系统所需的阈值功率（能量）比四能级大得多；（2）三能级系统激光器中损耗对阈值功率（能量）影响不大；四能级系统中，阈值功率（能量）正比于损耗；（3）四能级激光器的阈值能量（功率）211ptFEP144，表6-1列出三种典型激光器振荡条件的计算值。激光器工作物质长度10cm，输出反射镜透过率50%，内部损耗为0；红宝石中铬粒子密度3190109.1cmn三种典型激光器振荡条件的计算值0()gqTtgT——振荡带宽：激光器小信号增益系数中大于阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围。起振模式数：1Tqq6.3.1起振纵模数思考：激光器中能够起振的模式数有多少？6.3激光器的振荡模式例6-1：红宝石激光器腔长L=11.25cm，棒长，折射率n=1.75，均匀加宽线宽，激发参数，求（1）满足阈值条件的振荡带宽；（2）起振纵模数。zHMHv5102tHGvG/)(00cml106.3.2均匀加宽激光器的输出模式0tg0()gg1qq1q起始：11()()()qtqtqtgggggg增益曲线下降到曲线1：11()()()qtqqtggggg、0tg1qq1q0()g1g增益曲线下降到曲线2：1()()qtqtgggg0tg1qq0()g12g增益曲线下降到曲线3：()qtgg0tgq0()g12g31.模式竞争1.横模间也有竞争；2.横模竞争情况较复杂；3.可通过选模措施获得单横模输出。g00tg01qq1q0()g01tg02tg均匀加宽激光器横模之间如何竞争？模式竞争：通过增益饱和效应，某一模式逐渐把其它模式振荡抑制下去，最后只剩下一个纵模。竞争结果是最靠近谱线中心频率的纵模取胜。理想情况下，均匀加宽稳态激光器输出模式是单纵模，位于谱线中心频率附件。若的波腹与的波节重合，则模式可能得到较高的增益系数而形成振荡。qqq空间烧孔效应：波腹处光强大，用去的反转粒子数多，增益系数下降的也大；波节处光强小，用去的反转粒子数少，增益系数下降的也少。空间烧孔引起多模振荡LzqIznzqI2.空间烧孔纵模的空间竞争：由于轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡的现象。气体激光器由于粒子数的空间转移，没有该现象。固体激光器存在。解决办法：行波腔（1）没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈值增益系数的纵模都能形成稳定振荡，所以非均匀加宽激光器通常都是多纵模振荡。（2）外界的激发越强，小信号增益曲线就越高，满足振荡条件的纵模个数也越多。6.3.3非均匀加宽激光器的输出模式1.非均匀加宽激光器的多纵模振荡激发增强tg(,)igII激发增强tg(,)igII腔长较小，各纵模之间间隔较大时2.纵模在烧孔内的竞争腔长较大时，纵模频率间隔足够小，烧孔重叠，两个纵模共用同一部分反转粒子数，所以存在模竞争。1.激光器的运转方式脉冲激光器连续激光器各能级粒子数及腔内光子数处于变化中，系统处于非稳定态各能级粒子数及腔内光子数处于稳定状态0dNdt0idndt，2.激光器的振荡阈值阈值增益系数：tgl增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持稳定振荡tgg总结：21tnl激光器的阈值反转粒子数密度：阈值泵浦功率和能量：3.激光器的振荡模式思考：激光器中能够起振的模式数有多少？（1）均匀加宽激光器的纵模竞争空间烧孔引起多模振荡（2）非均匀加宽激光器中的多纵模振荡腔内光强增大：增益系数下降（增益饱和作用）(,)qqgI稳定工作状态(,)qqtgIgl小信号增益系数阈值增益系数tg)(0g10T2TTII6.4连续激光器的输出功率且增益系数不太大时：1TII腔内平均光强：2qIIII6.4.1均匀加宽单模激光器0()(,)1()qqHqHqsqggIIlI0()()1qHqsqglIIzIIIIL0为介质长度；为单程损耗；激光器单纵模振荡。l0()11()122HqqsqglPATIATIATIA——激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀）则总平均单程损耗：2T输出功率可写为：02()1()12HqsqglPATIT提高激光器的输出功率的方法：若除输出损耗以外的其它往返损耗率为，1.加大外界泵浦激励作用，从而增大；0()HG2.减小谐振腔的往返净损耗；3.加大激光工作物质的长度和面积A。l最大输出功率：201()2()2msqHqPAIgl输出镜的最佳透射率：02()mHqTgl0dPdT202()4ln2(,)1(,)qDqqmiqsiqggIeIIgIl2022()4ln21qDmsglIIe6.4.2非均匀加宽激光器0q时，输出功率为：（1）只有一个方向的光使之饱和1.各个模式的功率（模式间隔大，相互不影响）（2）0q时：02IIII0(,)1qmiqsggIII02[()1]msglII21[()1]2msglPATIATI两个方向的光使之饱和2022()4ln21qDmsglPATIATIe频率偏离中心频率越多的纵模输出功率越小。P3P0P2P00321兰姆凹陷形成的原因:1()g1g00322301()g1兰姆凹陷（a）频率不是中心频率时（如），激光振荡在处烧两个孔，输出功率P2正比于两个孔面积之和。（b）频率为中心频率时，只有一个烧孔。虽然它对应着最大的小信号增益，但对激光有贡献的反转粒子数减少，因此烧孔面积减少，输出功率下降。2v22vv，一个孔的面积小于两个孔的面积之和。两个烧孔在时开始重叠。0(/2)1/HsII兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔的宽度：1HsII不同气压下输出功率和频率的关系加大气体激光器放电管中的气压，使碰撞线宽增大，可使兰姆凹陷变宽、变浅。2.总功率在非均匀激光器中，如果模间隔较大，各个模式相互独立，互不影响，可分别求出每个纵模的输出功率，总功率为各个模式功率之和；如果模间隔小，各个模式相互影响，则总功率正比于总的烧孔面积（重叠部分不能重复计算）。6.5.1短脉冲激光器的输出能量设谐振腔由一面全反射镜和一面透射率为T的输出反射镜组成，则输出能量为：211()outpptpTTEEEEaTaTin输出能量E随Ep线性增加，输出能量是由超过阈值的那部分能量转换而来。输出能量和光泵输入电能的关系6.5脉冲激光器的工作特性对腔内激光能量有贡献的上能级粒子数为:)()(202ptPpEEhvVnn腔内激光能量为：)(21ptppinEEvvE弛豫振荡现象：固体（或半导体）激光器发出的一