《激光振荡特性》PPT课件.ppt

第四章第四章 激光振荡特性激光振荡特性4.3 输出功率与能量连续或长脉冲激光器的输出功率连续或长脉冲激光器的输出功率小信号增益系数小信号增益系数阈值增益系数阈值增益系数腔内光强增大：腔内光强增大：增益系数增益系数 下降（下降（增益饱和作用增益饱和作用）稳定工作状态稳定工作状态激光束有效横截面积激光束有效横截面积 正方向传播的光束光强正方向传播的光束光强 部分反射镜的透过率部分反射镜的透过率 近似计算：近似计算：图图且增益系数不太大时：且增益系数不太大时：腔内平均光强：腔内平均光强：1.均匀加宽单模激光器激光器的输出功率：激光器的输出功率：为往返损耗率为往返损耗率提高输出功率的方法：提高输出功率的方法：（1 1）加大外界泵浦激励作用，从而增大加大外界泵浦激励作用，从而增大 ；（2 2）减小谐振腔的往返损耗率减小谐振腔的往返损耗率a ；（3 3）加大激光工作物质的长度加大激光工作物质的长度 l 及横截面积及横截面积A。输出镜的最佳透射率：此时的输出功率：2.非均匀加宽单模激光器当振荡频率 时，在增益曲线上分别烧两个孔，对每一个孔起饱和作用的分别是 ，而不再是两者之和。稳定工作时：当当时，输出功率为：时，输出功率为：当当时，时，输出功率为：输出功率为：兰姆凹陷形成的原因：当当时，时，输出功率，输出功率 P=0=0；当当时，在增益曲线的时，在增益曲线的 处烧两孔，处烧两孔，输出功率输出功率 P2=两个凹陷面积之和；两个凹陷面积之和；当当时，烧孔面积增大，输出功率时，烧孔面积增大，输出功率增大，增大，P3P2；当当时，烧孔完全重叠，输出功率出现凹陷，时，烧孔完全重叠，输出功率出现凹陷，P0；兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔宽度：气体激光器中气压增加，碰撞线宽增加，可使兰姆凹陷变宽，变浅！当气压高到一定程度时，碰撞线宽超过多普勒线宽，气体激光器变成以均匀加宽为主，兰姆凹陷消失。3.3.多纵模激光器多纵模激光器（1 1）非均匀加宽激光器：）非均匀加宽激光器：总输出功率各纵模输出功率之和总输出功率各纵模输出功率之和（2 2）均匀加宽激光器：）均匀加宽激光器：多模速率方程多模速率方程简化假设简化假设输出功率与单模输输出功率与单模输出功率表达式相同出功率表达式相同短脉冲激光器的输出能量短脉冲激光器的输出能量输出能量随泵浦能量线性增加；是由超过阈值那部分能量输出能量随泵浦能量线性增加；是由超过阈值那部分能量转换而来。转换而来。激光器的效率激光器的效率总效率总效率斜效率斜效率弛豫振荡现象：弛豫振荡现象：固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平滑的连续波，而是一个衰减尖峰序列。激一个平滑的连续波，而是一个衰减尖峰序列。激励越强，短脉冲之间的时间间隔越小。励越强，短脉冲之间的时间间隔越小。4.4 弛豫振荡弛豫振荡单模激光器输出单模激光器输出光泵激励：光泵激励：反转粒子数密度反转粒子数密度 增加增加受激辐射：受激辐射：反转粒子数密度反转粒子数密度 减少减少定性说明弛豫振荡的形成过程定性说明弛豫振荡的形成过程激光器正常工作时，有源谐振腔净损耗：激光器正常工作时，有源谐振腔净损耗：故谐振腔内的单模激光带宽：故谐振腔内的单模激光带宽：当激光器稳定工作时，当激光器稳定工作时，4.54.5 单模激光器的线宽极限单模激光器的线宽极限考虑自发辐射时，以四能级系统为例，某模式的考虑自发辐射时，以四能级系统为例，某模式的光子数密度速率方程为光子数密度速率方程为 ：受激辐射的贡献谐振腔损耗的影响单位时间内自发辐射耦合到该模式的光子数目 稳定工作状态下有：稳定工作状态下有：自发辐射所决定的单模激光线宽：自发辐射所决定的单模激光线宽：输出功率越大，意味着腔内相干光子数增加，输出功率越大，意味着腔内相干光子数增加，受激辐射比自发辐射占更大优势，因而线宽越受激辐射比自发辐射占更大优势，因而线宽越窄。减小损耗和增加腔长可使线宽变窄。窄。减小损耗和增加腔长可使线宽变窄。频率牵引效应频率牵引效应 有源谐振腔中，由于增益有源谐振腔中，由于增益 物质的色散，使得纵模频物质的色散，使得纵模频 率比无源腔纵模频率更加率比无源腔纵模频率更加 靠近中心频率，称为频率靠近中心频率，称为频率 牵引效应。牵引效应。增益曲线、色散曲线及谐增益曲线、色散曲线及谐振腔模谱振腔模谱4.64.6 激光器的频率牵引现象激光器的频率牵引现象无源谐振腔中，纵模频率为：无源谐振腔中，纵模频率为：有源谐振腔中，由于色散的存在，纵模频率为：有源谐振腔中，由于色散的存在，纵模频率为：纵模频率，偏离量纵模频率，偏离量(无源腔纵模频率牵引量无源腔纵模频率牵引量)为：为：频率牵引效应的特点：频率牵引效应的特点：1.振荡频率越远离中心频率，频率牵引量越大。振荡频率越远离中心频率，频率牵引量越大。2.激光器纵模的频率总是较无源谐振腔相应纵模激光器纵模的频率总是较无源谐振腔相应纵模的频率更靠近中心频率。的频率更靠近中心频率。3.在介质中心频率附近存在一个线性色散区。在介质中心频率附近存在一个线性色散区。