激光振蕩特性節(jié)學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1激光振蕩激光振蕩(zhndng)特性節(jié)特性節(jié)第一頁，共75頁。第1頁/共75頁第二頁，共75頁。cLNLlcNnffndtdNlll),()(02111222212101()()( ,)lRlRlaRld NVNVfnnNVdtf 假設(shè)光束(gungsh)直徑沿腔長均勻分布L為諧振腔光程長度第2頁/共75頁第三頁，共75頁。lnnt),(0210021()tnl0dtdNl 不同(b tn)模式具有不同(b tn)的21(,0)值，頻率為0的模式閾值最低，表示為閾值附近腔內(nèi)光強很弱，相當(dāng)于小信號情況(qngkung)，得出自激振蕩的閾值條件為腔內(nèi)輻射場可由微弱的自發(fā)輻射(z f f s

2、h)場增長為足夠強的受激輻射場。第3頁/共75頁第四頁，共75頁。激光自激振蕩時，小信號增益系數(shù)(xsh)滿足lggt)(0 不同縱模具有(jyu)相同的，因而具有(jyu)相同的閾 值gt。 不同的橫模具有(jyu)不同的衍射損耗，因而有不同的閾值，高次橫模的閾值比基模大。第4頁/共75頁第五頁，共75頁。增益(zngy)曲線諧振腔模譜激光器起振模譜第5頁/共75頁第六頁，共75頁。1、四能級(nngj)激光器的閾值泵浦功率2、三能級激光器的閾值(y zh)泵浦功率第6頁/共75頁第七頁，共75頁。3230321SAS2121212SAA21F E3能級向E2能級無輻射躍遷的量子(lingz

3、)效率E2能級(nngj)向E1能級(nngj)躍遷的熒光效率總量子效率光子數(shù)工作物質(zhì)從光泵吸收的發(fā)射熒光的光子數(shù)F第7頁/共75頁第八頁，共75頁。激光下能級E1是激發(fā)態(tài)，其無輻射躍遷幾率(j l)S10很大，因而n10，2210( ,)ttnnl 工作物質(zhì)必須從光泵吸收n2t/(Fs) 光子數(shù)，為此須吸收的泵浦功率稱作(chn zu)激光器的閾值泵浦功率，以 Ppt表示2210( ,)ptpptFsFshn VhVPl V為工作物質(zhì)(wzh)的體積，p為泵浦光頻率21122)(nnffnnE2能級集居數(shù)密度的閾值為當(dāng)n2穩(wěn)定于n2t時，E2 E1 ，即n2t/(2s)為保證穩(wěn)定，單位時間內(nèi)

4、必須 E3E2， n2t/(2s)(A21+S21)n2t E0E3， n2t/(Fs)第8頁/共75頁第九頁，共75頁。參與激光作用的下能級(nngj)是基態(tài)，有nnnnnffnt121122121221ffnnffntt一般(ybn)有 nnt121221ffnffnt須吸收(xshu)的閾值泵浦功率為sFpptnVhffffP121212、三能級激光器的閾值泵浦功率采用與四能級系統(tǒng)類似的方法分析第9頁/共75頁第十頁，共75頁。E2能級增加一個(y )粒子四能級系統(tǒng)須吸收的光泵能量(nngling)的閾值為三能級系統(tǒng)須吸收的光泵能量的閾值為211210( ,)ptppthn VhVEl

5、）（）（121211ffffnVhEppt當(dāng)單位體積中吸收的泵浦光子數(shù)大于n2t /1 時，就能產(chǎn)生激光。1/1個泵浦光子第10頁/共75頁第十一頁，共75頁。三能級系統(tǒng)激光器中光腔損耗的大小對光(du gung)泵閾值能量（功率）的影響不大。四能級系統(tǒng)的閾值能量（功率）反比于發(fā)射截面21，而21又反比于熒光譜線寬度F，故閾值能量（功率）正比于F 。第11頁/共75頁第十二頁，共75頁。閾值泵浦功率Ppt閾值泵浦能量Ept一般表達式n2t四能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng) 2210( ,)ttnnl 210( ,)pptFshVPl 2pptFshnVP 22nnt21ptpthn VE1210( ,)pp

6、thVEl 2ptptFshn VP 12ppthnVE小結(jié)(xioji)：end）（）（121221ffffnnt（f1=f2）第12頁/共75頁第十三頁，共75頁。第13頁/共75頁第十四頁，共75頁。第14頁/共75頁第十五頁，共75頁。均勻加寬激光器中建立穩(wěn)態(tài)振蕩過程(guchng)中的模競爭第15頁/共75頁第十六頁，共75頁。第16頁/共75頁第十七頁，共75頁。burning)。2 空間燒孔引起(ynq)多模振蕩第17頁/共75頁第十八頁，共75頁。q模腔內(nèi)光強分布(fnb)只有q模存在(cnzi)時的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的分布q模腔內(nèi)光強分布圖增益的空間(kngjin)燒孔效應(yīng)第18

7、頁/共75頁第十九頁，共75頁。由于軸向空間燒孔效應(yīng)，不同縱模可以使用不同空間的激活粒子而同時產(chǎn)生振蕩(zhndng)，這一現(xiàn)象稱為縱模的空間競爭。第19頁/共75頁第二十頁，共75頁。氣體工作物質(zhì)中，粒子(lz)作無規(guī)則熱運動，迅速的熱運動消除了空間燒孔，以均勻加寬為主的高氣壓激光器可獲得單縱模振蕩。以均勻加寬為主的固體(gt)激光器一般為多縱模振蕩。由于橫截面上光場分布的不均勻性，存在橫向的空間燒孔。不同(b tn)橫模的光場分布不同(b tn)，它們分別使用不同(b tn)空間的激活粒子，當(dāng)光強足夠強時，可形成多橫模振蕩。第20頁/共75頁第二十一頁，共75頁。第21頁/共75頁第二十二

8、頁，共75頁。第22頁/共75頁第二十三頁，共75頁。HsII112qcLqq=?，=?非均勻(jnyn)加寬激光器中存在模競爭現(xiàn)象。?什么(shn me)情況下燒孔重疊？第23頁/共75頁第二十四頁，共75頁。均勻(jnyn)加寬激光器2、增益(zngy)的空間燒孔引起縱模的空間競爭導(dǎo)致多模振蕩（氣體、固體？）小結(jié)(xioji)：非均勻加寬激光器一般多縱模振蕩，也存在模式競爭（燒孔重疊 ）endq1、增益曲線均勻飽和引起模式競爭，導(dǎo)致 理想情況下，輸出應(yīng)是單縱模的第24頁/共75頁第二十五頁，共75頁。第25頁/共75頁第二十六頁，共75頁。如果腔內(nèi)某一振蕩模式(msh)的頻率為q，開始時，

9、tqgIgq),(當(dāng)g0()gt時，dNl/dt0，腔內(nèi)光強Iq不斷增加(zngji)。 無限增加(zngji)?Iq逐漸增加，第26頁/共75頁第二十七頁，共75頁。直到(zhdo) lgIgtqq),(增益和損耗達到平衡(pnghng)， Iq不再增加。這時，激光器建立了穩(wěn)定工作(gngzu)狀態(tài)。由于飽和效應(yīng)，g(q,Iq) 將隨Iq的增加而減少tqgIgq),(Iq 繼續(xù)增加， g(q,Iq) 不斷減小第27頁/共75頁第二十八頁，共75頁。第28頁/共75頁第二十九頁，共75頁。0()1()qHqsqgIlI求得腔內(nèi)平均(pngjn)光強為0()()1qHqsqglII(,)qHqt

10、gIg?輸出功率第29頁/共75頁第三十頁，共75頁。0()1()12HqsqglPATIATI1）在T1時， ，a為往返(wngfn)指數(shù)凈損耗因子，通常a1。上式改寫為aT202()1()12HqsqglPATIaT第30頁/共75頁第三十一頁，共75頁。2）光泵激光器 0()HqptptgPgP01(1)2PptpptAPTPPSP()(1)pspptsptptPPPPPPs稱為斜率(xil)效率結(jié)論：一旦(ydn)激光器確定了，斜率效率就確定了；輸出功率隨泵浦功率線性增加。耦合系數(shù)(xsh)：0=T0/202()1()12HqsqglPATIaTPp及Ppt分別為工作物質(zhì)吸收的泵浦功率

11、及閾值吸收泵浦功率，S為工作物質(zhì)橫截面面積第31頁/共75頁第三十二頁，共75頁。在透射率T1時，令dP/dT=0，求出最佳(zu ji)透過率Tm02()mHqTglaa最佳(zu ji)輸出功率021()( 2()2msqHqPAIgla第32頁/共75頁第三十三頁，共75頁。2、非均勻(jnyn)加寬單模激光器的輸出功率)(2ln4(exp1),(20DqsmqiIIgIgq激光器穩(wěn)態(tài)工作(gngzu)時lIgqqi),(202exp (4ln2)() 1qmsDg lII202exp (4ln2)() 1qmsDg lPAI TAI T00()migg第33頁/共75頁第三十四頁，共7

12、5頁。IIII20穩(wěn)定工作時振蕩(zhndng)模的增益系數(shù)為000(,)1misggIlII求得腔內(nèi)平均(pngjn)光強為021msg lII輸出功率2112msg lPATIATI第34頁/共75頁第三十五頁，共75頁。蘭姆凹陷：在單模輸出功率P和單模頻率q的關(guān)系曲線(qxin)中，在q=0處，曲線(qxin)有一凹陷，稱作蘭姆凹陷。第35頁/共75頁第三十六頁，共75頁。sHqIIq120sHIIq1蘭姆凹陷形成的機制：當(dāng)q=0時，兩個燒孔完全重合，此時只有z=0附近的原子對激光有貢獻。雖然它對應(yīng)著最大的小信號增益，但由于對激光作貢獻的反轉(zhuǎn)集居數(shù)減少了，即燒孔面積減少了，所以輸出功率下

13、降到某一極小值，Pq關(guān)系曲線(qxin)在0處出現(xiàn)蘭姆凹陷第36頁/共75頁第三十七頁，共75頁。激光管的氣壓增高(znggo)時，碰撞線寬增加，蘭姆凹陷變寬、變淺。當(dāng)氣壓高到一定程度，譜線加寬以均勻加寬為主時，蘭姆凹陷消失第37頁/共75頁第三十八頁，共75頁。)(ptpsPPP在非均勻加寬激光器中，每個模式各自消耗表觀中心頻率與其頻率相應(yīng)的激活粒子。如果模間隔(jin g)足夠大，各個模式相互獨立，分別計算每個縱模的輸出功率，總的輸出功率是各模輸出功率之和。第38頁/共75頁第三十九頁，共75頁。10021()()ptpptppEAAEhn VEEShS內(nèi))(ptpsEEEEp及Ept分別

14、為工作物質(zhì)吸收的泵浦能量及閾值(y zh)泵浦能量，s稱為斜率效率12VnhEtPPt設(shè)諧振腔由一面(y min)全反射鏡和一面(y min)透射率為T的輸出反射鏡組成，則輸出能量為01(1)2pptpptEATEESE第39頁/共75頁第四十頁，共75頁。小結(jié)(xioji)：均勻(jnyn)加寬單模激光器輸出功率：02()1()12HqsqglPATIaT)(ptpsEEET2) 速率方程，00dtdndtdNi， 短脈沖激光器(t02) 數(shù)值解、小信號微擾或其他近似解 小結(jié)(xioji)：第66頁/共75頁第六十七頁，共75頁。n頻率牽引頻率牽引小結(jié)(xioji)：第67頁/共75頁第六十

15、八頁，共75頁。n2t閾值泵浦功率Ppt閾值泵浦能量Ept一般表達式四能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)2210( ,)ttnnl 210( ,)pptFshVPl 2pptFshnVP 22nnt21ptpthn VE1210( ,)ppthVEl 2ptptFshn VP 12ppthnVE激光器振蕩(zhndng)閾值條件第68頁/共75頁第六十九頁，共75頁。均勻(jnyn)加寬激光器1、增益曲線均勻飽和引起模式競爭，導(dǎo)致 理想情況下，輸出(shch)應(yīng)是單縱模的2、增益的空間燒孔引起縱模的空間競爭導(dǎo)致多模振蕩（氣體、固體？）非均勻加寬激光器一般(ybn)多縱模振蕩，也存在模式競爭（燒孔重疊 ）q激光

16、器的振蕩模式第69頁/共75頁第七十頁，共75頁。均勻(jnyn)加寬單模激光器輸出功率：02()1()12HqsqglPATIaT)(ptpsEEET1輸出最佳(zu ji)透過率光泵情況(qngkung)：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：()(1)pspptsptptPPPPPP激光器輸出功率與能量第70頁/共75頁第七十一頁，共75頁。第71頁/共75頁第七十二頁，共75頁。線寬極限(jxin)由于自發(fā)輻射的存在(cnzi)而產(chǎn)生的線寬，因而是無法排除的，所以稱為線寬極限。第72頁/共75頁第七十三頁，共75頁。頻率牽引激光工作(gngzu)物質(zhì)在增益（或吸收）曲線中心頻率0附近呈現(xiàn)強烈的色散，即折射率