縱向空間燒孔效應(yīng)ppt課件

1、第五章 激光振蕩特性,一、激光振蕩特性,振蕩條件、激光形成、模競(jìng)爭(zhēng)、輸出功率或能量、弛豫振蕩、激光線寬、頻率牽引等,討論方法：速率方程和工作物質(zhì)增益飽和,二、激光器的分類,1、分類標(biāo)準(zhǔn)：工作方式按泵浦方式分類,2、分類,1) 連續(xù)或長脈沖激光器 ( t02 )穩(wěn)定工作狀態(tài)(穩(wěn)態(tài),在泵浦時(shí)間內(nèi),各能級(jí)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),有,速率方程 代數(shù)方程,2) 脈沖激光器 ( t0 2 )非穩(wěn)定工作狀態(tài)(非穩(wěn)態(tài),泵浦持續(xù)時(shí)間短, 各能級(jí)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度處于劇烈的變化之中。未達(dá)到平衡,泵浦作用終止,屬于非穩(wěn)態(tài); 需要數(shù)值求解或用小信號(hào)微擾或其他近似方法處理速率方程,分類根據(jù)事例：上一

2、章第8題的分析討論,第一節(jié) 激光器的振蕩閾值,一、閾值種類,閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度,閾值增益系數(shù),連續(xù)或長脈沖激光器的閾值泵浦功率,短脈沖激光器的閾值泵浦能量,二、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度,從速率方程出發(fā)，自激振蕩條件,1、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度,l ：工作物質(zhì)的長度,2、振蕩條件,特例,不同模式(頻率)具有不同的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度,中心頻率處閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)最低,4、討論,損耗越大，發(fā)射截面越小，腔長越短，閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度越大,三、閾值增益系數(shù),1、閾值增益系數(shù),2、推證,3、討論,的不同縱模具有相同的損耗 ，因而具有相同的 。不向的橫模具有不同的損耗 ，因而有不同的 ，高次橫模的 比基模的大,四、連續(xù)或

3、長脈沖激光器的閾值泵浦功率,1、四能級(jí)系統(tǒng),1) 特點(diǎn)：S10大，則,的情況,2) 閾值泵浦功率,3) 推證(自己理解,泵浦光子能量,V工作物質(zhì)總體積,2、三能級(jí)系統(tǒng),1)特點(diǎn),忽略能級(jí)簡(jiǎn)并(如紅寶石,2) 閾值泵浦功率,3) 推證(自己理解,五、短脈沖激光器( t0 2 )的閾值泵浦能量,1、特點(diǎn)：泵浦時(shí)間短，在t0時(shí)間內(nèi)，可以忽略自發(fā)輻射(A21)及無輻射躍遷(S21)，只考慮泵浦激勵(lì)作用。要使E2上增加一個(gè)粒子，只須吸收1/1個(gè)泵浦光子,單位體積中吸收的光子數(shù)大于n2t /1個(gè)泵浦光子就可發(fā)光,2、四能級(jí)系統(tǒng),1) 特點(diǎn),2) 閾值泵浦能量,3、三能級(jí)系統(tǒng),1) 特點(diǎn),2) 閾值泵浦能量

4、,六、 t0 與2可比擬時(shí)的脈沖激光器的閾值泵浦能量,A21 & S21的影響不能忽略，無法得到 Ept 的簡(jiǎn)單解析表達(dá)式，t0 給定，可數(shù)值求解,七、閾值特點(diǎn)小結(jié),1、三能級(jí)系統(tǒng)所需的閾值能量比四能級(jí)大得多,理由：三能級(jí)系統(tǒng)的激光下能級(jí)是基態(tài)，至少要將一半粒子n/2激勵(lì)到E2。四能級(jí)系統(tǒng)的激光下能級(jí)幾乎為空，只需將nt個(gè)粒子激發(fā)到E2。而n/2 nt,2、光腔損耗對(duì)三能級(jí)系統(tǒng)的影響較對(duì)四能級(jí)的小,從兩個(gè)系統(tǒng)的閾值公式可看出,理由：對(duì)三能級(jí)系統(tǒng)，要將(n+ nt )/2粒子激勵(lì)到E2 ，而n/2 nt ，可忽略nt 。而對(duì)四能級(jí)系統(tǒng)，只需將nt個(gè)粒子激發(fā)到E2，而nt 。但當(dāng)很大，使得nt也很

5、大，達(dá)到可以與n/2相比擬時(shí)，才要考慮損耗對(duì)三能級(jí)系統(tǒng)閾值的影響,3、 Ppt, Ept 與工作物質(zhì)特性有關(guān),均勻加寬,非均勻加寬,較大的工作物質(zhì)一般只能脈沖式工作,第二節(jié) 激光器的振蕩模式,核心問題:與飽和效應(yīng)相關(guān)的模式(縱模或橫模)之間的競(jìng)爭(zhēng),問題思考: 試說明某個(gè)頻率的光最終要成為激光的縱模輸出，它必須突破幾個(gè)關(guān)口,參考答案： 滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一,頻率落入工作物質(zhì)的譜線線型范圍 F 內(nèi),小信號(hào)增益系數(shù)大于閾值增益系數(shù),一、均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng),1、增益曲線均勻飽和引起的縱模自選模作用,1) 參與競(jìng)爭(zhēng)的模： ，都落入 內(nèi)各自都有,2) 競(jìng)爭(zhēng)或自選模過程,g 0 (,如圖

6、，開始時(shí),由于飽和效應(yīng)，增益曲線下降,當(dāng)降到曲線1時(shí),1,Iq+1停止上升，而Iq-1和Iq繼續(xù)上升，增益曲線繼續(xù)下降，使 Iq+1迅速減小并熄滅,當(dāng)降到曲線2時(shí),2,Iq-1停止上升，而Iq繼,續(xù)上升，增益曲線繼續(xù)下降，使,Iq-1 熄滅,3,當(dāng)降到曲線3時(shí),Iq停止上升,由于沒有其他的縱模使增益曲線下降,則激光器就穩(wěn)定在 Iq 上, 從而輸出單縱模激光,結(jié)論：理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應(yīng)是單縱模，其頻率在增益曲線中心頻率附近，其它縱模被抑制而熄滅。在模的競(jìng)爭(zhēng)過程中，頻率越遠(yuǎn)離中心頻率的光越先熄滅,說明：不同橫模間也會(huì)發(fā)生類似競(jìng)爭(zhēng)過程，但由于不同橫模具有不同的gt 值，競(jìng)爭(zhēng)的情況較

7、復(fù)雜,2、空間燒孔引起的多縱模振蕩,1) 激光強(qiáng)時(shí)，均勻加寬激光器為多縱模振蕩，激發(fā)越強(qiáng)，達(dá)到閾值從而參與競(jìng)爭(zhēng)而振蕩的縱模數(shù)越多,理由：腔內(nèi)駐波場(chǎng)分布要引起增益空間燒孔效應(yīng),2)增益的軸向(或縱向)空間燒孔效應(yīng),a,b,c,L,由于腔內(nèi)的駐波場(chǎng)分布，波腹處光強(qiáng)大，波節(jié)處光強(qiáng)小，由于飽和效應(yīng)，則反轉(zhuǎn)集居數(shù)從而增益系數(shù)在波腹處最小，在波節(jié)處最大，形成增益系數(shù)的軸向空間分布,增益的軸向(或縱向)空間燒孔效應(yīng),a,b,c,L,3)縱模的空間競(jìng)爭(zhēng),若一縱模的波腹與另一個(gè)縱模的波節(jié)重合較好，則兩模可分用縱向不同空間的反轉(zhuǎn)粒子而同時(shí)振蕩,軸向空間燒孔的形成條件是,駐波腔燒孔間距在波長量級(jí),粒子空間轉(zhuǎn)移速度較

8、慢,4)縱?？臻g燒孔的消除,使激活粒子在空間迅速轉(zhuǎn)移，抹平燒孔,例如：以均勻加寬為主的高氣壓氣體激光器中，由于氣體分子熱運(yùn)動(dòng)，使空間燒孔無法形成，故可獲得單縱模振蕩,例如：在固體工作物質(zhì)中，激活粒于被束縛在晶格上，借助粒子和晶格的能量變換形成激發(fā)態(tài)粒子的空間轉(zhuǎn)移，激發(fā)態(tài)粒子在空間轉(zhuǎn)移半個(gè)波長所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光形成所需的時(shí)間，所以軸向空間燒孔不能消除。如不采取特殊措施，以均勻加寬為主的固體激光器一般為多縱模振蕩。在含光隔離器的環(huán)形行波腔內(nèi)，光強(qiáng)沿軸向均勻分布，不存在軸向空間燒孔效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)單縱模輸出,加上光隔離器形成環(huán)形行波腔，無軸向空間燒孔,5)橫向空間燒孔,橫模在橫截面內(nèi)的光強(qiáng)分布不均勻

9、導(dǎo)致橫向的增益分布不均勻而形成,6)橫模的空間競(jìng)爭(zhēng),x,x,I00,I10,TEM00,TEM10,橫向 燒孔尺度較大(mm量級(jí)) ，粒子的遷 移不能消除這種不均勻性。所以， 當(dāng)激勵(lì)作用足夠強(qiáng)時(shí), 不同橫?？梢?分別使用不同橫向空間的激活粒子而形成 多橫模振蕩,小結(jié)：當(dāng)激發(fā)較弱時(shí)，均勻加寬激光器可實(shí)現(xiàn)單縱模、單橫模振蕩輸出。當(dāng)激發(fā)較強(qiáng)時(shí)，由于增益空間燒孔的形成，不同模式的光可分用不同空間的反轉(zhuǎn)粒子而實(shí)現(xiàn)多模振蕩。軸向(縱向)空間燒孔導(dǎo)致多縱模振蕩，橫向空間燒孔導(dǎo)致多橫模振蕩,二、非均勻加寬激光器的多縱模振蕩,一般情況下，外激勵(lì) g0 滿足閾值條件的縱模 振蕩模式數(shù),1、多縱模振蕩,若多個(gè)縱模均

10、滿足振蕩條件，且形成的燒孔位置不重合，則它們分用不同的粒子群，均能振蕩，若激勵(lì)越強(qiáng)，g 0 越大，滿足振蕩的縱模數(shù)越多,2、縱模競(jìng)爭(zhēng),若兩縱模的燒孔部分或全部重合，則因?yàn)樗鼈児灿没虿糠止灿靡蝗杭せ盍Ｗ佣a(chǎn)生相互競(jìng)爭(zhēng)，造成輸出功率的起伏,激發(fā)增強(qiáng),小結(jié)：由于譜線加寬機(jī)制不同，激光模式的競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)也不同,第三節(jié) 輸出功率與能量,連續(xù)或長脈沖激光器,找輸出功率,短脈沖激光器,找輸出能量,一) 連續(xù)或長脈沖激光器,一、腔內(nèi)光強(qiáng)分布的特點(diǎn)及理由,特點(diǎn)：腔內(nèi)光強(qiáng)分布是不均勻的,理由：激活介質(zhì)的光放大作用、腔內(nèi)損耗系數(shù)的不均勻分布、駐波效應(yīng)、光場(chǎng)的橫向高斯分布等,處理方法：通過討論穩(wěn)態(tài)情況下的平均光強(qiáng) 來

11、估算激光器輸出功率,二、腔內(nèi)光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程,當(dāng) 時(shí)，穩(wěn)態(tài)建立,恒定,輸出功率恒定,當(dāng)激發(fā)增強(qiáng)時(shí)，W03，則g 0 () ，則I必須增加到更大的值才能使 g () 下降到g () =g t ，故輸出功率會(huì)增加,三、均勻加寬單模激光器的輸出功率,1、腔鏡透過率：如圖，一個(gè)為全反，一個(gè)為輸出鏡,I,I,L,T1=0,T2=T,2、輸出功率推導(dǎo),單模激光器（設(shè)第 l 個(gè)模， 頻率為q,假設(shè) ，損耗小，由 得,則穩(wěn)態(tài)時(shí)g ()也小，近似有,均勻加寬時(shí)， 和 均參與飽和作用,設(shè)激光束的有效截面面積為A，則輸出功率為,形式一,往返指數(shù)凈損耗因子,對(duì)于光泵,形式二,形式三(自己證明,3、輸出功率討論,1,即增加泵浦功率(即提高小信號(hào)增益系數(shù))及工作物質(zhì)長度或降低損耗都可