激光的基本原理和應(yīng)用模式

1、激光的基本原理和應(yīng)用模式主要內(nèi)容 1、激光器的振蕩閾值 a、激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式（短脈沖、長脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)） b、閾值增益系數(shù) （重點(diǎn)） c、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度 （重點(diǎn)） d、閾值泵浦功率和閾值泵浦能量 2、激光器的振蕩模式 a、增益曲線均勻飽和引起的自選模作用（重點(diǎn)） b、空間燒孔引起多模振蕩 c、非均勻加寬激光器的多縱模振蕩第五章 激光振蕩特性5.1 激光器的振蕩閾值激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式按激光器泵浦方式 連續(xù)激光器 脈沖激光器 連續(xù)激光器 長脈沖激光器 t0：激勵持續(xù)時間 ：激光上能級壽命Pulsed laser:PLContinuous Wave Laser:CWL Quasi-continuo

2、us-wave Laser :QCWL 連續(xù)激光器以連續(xù)光源激勵的固體激光器和以連續(xù)電激勵方式工作的氣體激光器及半導(dǎo)體激光器，均屬此類。 輸出功率一般都比較低，適合于要求激光連續(xù)工作（激光通信、激光手術(shù)等）的場合長脈沖激光器:泵浦功率有很短時間間隔的關(guān)斷以減小熱影響。 短脈沖激光器具有較大輸出功率，適合于激光打標(biāo)、切割、測距等 常見脈沖激光器：釔鋁石榴石（YAG） 激光器、紅寶石激光器、 釹玻璃激光器、 氮分子激光器、準(zhǔn)分子激光器等激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式粒子數(shù)密度為 的紅寶石（三能級）被矩形脈沖激勵光照射，其激勵幾率：圖5.0.1(a）激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式一、短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) 1. 激光上能級粒子數(shù)密度按上式

3、規(guī)律隨t增長 基態(tài)（激光上能級:n2）（激光下能級:n1）E1E2亞穩(wěn)態(tài)E3（抽運(yùn)高能級:n3）W21W13A31S31S32A21S21W12激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式一、短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) 2. 激光上能級粒子數(shù)密度達(dá)最大值 激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式一、短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) 激光上能級粒子數(shù)密度隨時間t按上式規(guī)律指數(shù)下降 3. 激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式一、短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) 4. 若泵浦脈沖以周期T重復(fù)施于激光器 各能級粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)處于劇烈變化中，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定態(tài)激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式二、長脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 按上式規(guī)律隨t增長 。 1. 激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式二、長脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 完成增長過程而達(dá)到穩(wěn)定值，保持為常數(shù)。 2. 激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式二、長

4、脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 3. 隨時間t按上式規(guī)律指數(shù)下降 思考： 為什么激光器會有脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)之分?與泵浦有什么關(guān)聯(lián)？激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式二、長脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 3. 連續(xù)激光器 結(jié)論：在泵浦時間內(nèi)，各能級粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)可以達(dá)到并處于穩(wěn)定狀態(tài)。 思考：激光器設(shè)計(jì)中，“閾值條件”的意義是什么 ？激光器的振蕩閾值振蕩閾值： 能夠使激光器產(chǎn)生并維持激光振蕩的最低條件。閾值增益系數(shù) gain threshold 閾值條件閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度 Population inversion threshold 閾值泵浦功率（閾值上能級粒子數(shù)密度）Pump power threshold 閾值增益系數(shù)光在無源腔內(nèi)往返一周

5、后的光強(qiáng)：光在有源腔內(nèi)往返一周后的光強(qiáng)（不考慮損耗）：光在諧振腔內(nèi)往返一周后的光強(qiáng)（考慮損耗與增益）： 單程損耗因子（Loss factor ） 小信號增益系數(shù)（Gain coefficient ）閾值增益系數(shù)閾值增益系數(shù)：起振條件： 討論：影響閾值增益系數(shù)的因素有哪些 ？激光器起振模譜（圖5.1.1)不同縱模的 相同，故具有相同的 ；不同橫模的 不同，故 不同（橫模 較大， 也較大） 討論：激光器穩(wěn)定振蕩時的特點(diǎn) ？閾值增益系數(shù) 討論：激光器穩(wěn)定振蕩時的特點(diǎn) ？圖閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度增益系數(shù)和反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度間的關(guān)系： 討論：此時的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度閾值適合作為考量一臺激光器的指標(biāo)

6、嗎？閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度特例：頻率為 的模式激光器的閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度：不同模式（頻率）具有不同的閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度。中心頻率處閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)最低。 討論：影響閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的 因素有哪些 ？閾值泵浦功率1.四能級系統(tǒng)E2 能級閾值粒子數(shù)密度：（一）連續(xù)或長脈沖 激光器的閾值泵浦功率：較大基態(tài)E2（激光上能級）E0W03A30S30S32A21S21W21W12E3（抽運(yùn)高能級）S10E1（激光下能級）頻率為 的模式：閾值泵浦功率1.四能級系統(tǒng)閾值泵浦功率：（一）連續(xù)或長脈沖 激光器的閾值泵浦功率：基態(tài)E2E0W03A30S30S32A21S21W21W12E3（抽運(yùn)高能級）S10E1穩(wěn)定于

7、 時：個粒子個粒子個粒子閾值泵浦功率2.三能級系統(tǒng)上能級粒子數(shù)密度：閾值上能級粒子數(shù)密度：（一）連續(xù)或長脈沖 激光器的閾值泵浦功率：基態(tài)（激光下能級）E1W13A31S31S32A21S21W21W12E3（抽運(yùn)高能級）（激光上能級）E2亞穩(wěn)態(tài)閾值泵浦功率2.三能級系統(tǒng)閾值泵浦功率：（一）連續(xù)或長脈沖 激光器的閾值泵浦功率：閾值泵浦功率（二）短脈沖（ ）激光器的閾值泵浦能量：激勵持續(xù)期間，E2 能級的自發(fā)輻射和無輻射躍遷的影響可忽略四能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)閾值泵浦功率（三）短脈沖（ ）激光器的閾值泵浦能量：無法得到EPt簡單解析式；若t0 給定，則可數(shù)值求解。閾值泵浦功率關(guān)于激光器閾值泵浦功率的三

8、點(diǎn)結(jié)論：（1）三能級系統(tǒng)所需的閾值能量比四能級大得多；（2）三能級系統(tǒng)激光器中 對閾值功率（能量）影響不大， 四能級系統(tǒng)中，閾值功率（能量）正比于 ；（3）四能級系統(tǒng)的閾值功率（能量）正比于 。思考：三能級系統(tǒng)所需的閾值能量比四能級大還是??？ 為什么？ （從激光上能級閾值粒子數(shù)密度來考慮） 第五章 激光振蕩特性5.2 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?；驒M模)之間的競爭！起振模式數(shù)：振蕩帶寬：激光器小信號增益系數(shù)中大于閾值增益系數(shù)的那部分曲線所對應(yīng)的頻率范圍激發(fā)參數(shù)： 反映了激光器外界激發(fā)作用的大小與諧振腔損耗大小的比值。問題思考: 試說明某個頻率的光要成為激光的縱模并起振，

9、它必須突破幾個關(guān)口？參考： 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 T 內(nèi),即對應(yīng)小信號增益系數(shù)大于閾值增益系數(shù)。均勻加寬激光器中的模競爭1.增益曲線均勻飽和引起的自選模作用起始：增益曲線下降到曲線1：增益曲線下降到曲線2：增益曲線下降到曲線3：123圖均勻加寬激光器中的模競爭1.增益曲線均勻飽和引起的自選模作用競爭結(jié)果：最靠近中心頻率的一個縱模取勝，形成穩(wěn)定振蕩，其他縱模都被抑制而熄滅。小結(jié)：理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出模式是單縱模，單縱模頻率總是位于譜線中心頻率附近，且模增益系數(shù)就等于閾值增益系數(shù) 。均勻加寬激光器中的模競爭競爭結(jié)果：a、閾值增益系數(shù)

10、較小的橫模最靠近中心頻率的一個縱模取勝，形成穩(wěn)定振蕩。b、該橫模的其它縱模都被抑制而熄滅。c、閾值較大的橫模的各縱模都被抑制而熄滅。 思考：均勻加寬激光器橫模之間如何競爭 ？均勻加寬激光器中的模競爭a.橫模間也有競爭；b.橫模競爭情況較復(fù)雜；c.可通過選模措施獲得單橫模輸出。小結(jié)（橫模競爭情況）：均勻加寬激光器中的模競爭2.空間燒孔引起多模振蕩若 的波腹與 的波節(jié)重合，則 模式可能得到較高的增益系數(shù)而形成振蕩。增益的空間燒孔效應(yīng)：波腹處光強(qiáng)大，用去的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)多，增益系數(shù)下降的也大；波節(jié)處光強(qiáng)小，用去的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)少，增益系數(shù)下降的也少縱模的空間競爭：由于軸線方向的空間燒孔效應(yīng)，不同縱模使用空間

11、不同部分的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)而同時產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象均勻加寬激光器中的模競爭2.空間燒孔引起多模振蕩縱?？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，使空間燒孔無法形成，故可獲得單縱模振蕩。均勻加寬激光器中的模競爭2.空間燒孔引起多模振蕩縱模空間燒孔的消除：例如：在固體工作物質(zhì)中，激活粒子被束縛在晶格上，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)移半個波長所需的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光形成所需的時間，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

12、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。均勻加寬激光器中的模競爭2.空間燒孔引起多模振蕩橫模也能形成燒孔效應(yīng)橫向 燒孔尺度較大(mm量級) ，粒子的遷 移不能消除這種不均勻性。所以， 當(dāng)激勵作用足夠強(qiáng)時, 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。均勻加寬激光器中的模競爭小結(jié)： 當(dāng)激發(fā)較弱時，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，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。非均勻加寬激光器多縱模振蕩

13、Threshold 思考：非均勻加寬激光器中存在模競爭嗎？ 模競爭現(xiàn)象如何 ？非均勻加寬激光器多縱模振蕩Threshold1.當(dāng)縱模間隔足夠大時，非均勻加寬激光器的各縱模之間沒有模式競爭，所有小信號增益系數(shù)大于閾值增益系數(shù)的縱模都能形成穩(wěn)定振蕩。非均勻加寬激光器多縱模振蕩Threshold2.非均勻加寬激光器通常都是多縱模振蕩。非均勻加寬激光器多縱模振蕩3.外界的激發(fā)越強(qiáng)，小信號增益曲線就越高，滿足振蕩條件的縱模個數(shù)也越多。激發(fā)增強(qiáng)非均勻加寬激光器多縱模振蕩4.在非均勻加寬激光器中也存在模競爭現(xiàn)象。（作為了解內(nèi)容）Threshold（1）燒孔重合，縱模存在競爭 總 結(jié)：1、激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式 脈沖激光器Pulsed laser:PL連續(xù)激光器 Continuous Wave Laser:CWL思考：激光上能級粒子數(shù) 隨時間如何變化 ？各能級粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)處于劇烈變化中，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定態(tài)各能級粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài) 總 結(jié)：2、激光器的振蕩閾值 思考：激光器設(shè)計(jì)中，“閾值條件”的意義是什么 ？閾值增益系數(shù)：討論：影響閾值增益系數(shù)的因素有哪些 ？討論：增益曲線如何變化 ？ 討論：激光器穩(wěn)定振蕩時的特點(diǎn) ？增益與損耗達(dá)到動態(tài)平衡，光強(qiáng)飽和，維持穩(wěn)定振