激光原理第九講課件

第9講激光器的振蕩模式

均勻加寬激光器的模競爭及自選模作用

空間燒孔引起的多模振蕩

非均勻加寬激光器的多縱模振蕩選模技術(shù)

選橫模選縱模作業(yè):5-2,4，7；7-2連續(xù)或長脈沖激光器輸出光功率與能量

均勻加寬單模激光器

非均勻加寬單模激光器

蘭姆凹陷

多模激光器第9講激光器的振蕩模式作業(yè):5-2,4，7；7-21§5.2激光器的振蕩模式(Oscillationmode)

振蕩模式－滿足自激振蕩條件，在激光器中能形成穩(wěn)定振蕩輸出的模式

第二章從諧振腔(類型、結(jié)構(gòu)）出發(fā)討論腔內(nèi)可能存在的各種場分布及諧振頻率模式本節(jié)以激光工作物質(zhì)的增益特性為基礎(chǔ)，從增益飽和機(jī)制出發(fā)，討論激光器的輸出模式一、均勻加寬激光器的振蕩模式1.均勻加寬激光器中的模競爭及自選模作用§5.2激光器的振蕩模式(Oscillationmo2g0(n)......

滿足閾值條件的幾個(gè)模在振蕩過程中，由于增益飽和效應(yīng)，別的模被抑制下去，唯獨(dú)剩下最靠近中心頻率的那個(gè)模，這種現(xiàn)象稱之為模競爭（modecompetition）g0(n)......滿足閾值條件的幾個(gè)模在振蕩過程3穩(wěn)態(tài)增益......g0(n)結(jié)論：無論起始時(shí)滿足振蕩條件有多少個(gè)縱模，理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出模式為單縱模。時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值大信號增益＝閾值增益時(shí)為穩(wěn)態(tài)增益穩(wěn)態(tài)增益......g0(n)結(jié)論：無論起始時(shí)滿足振蕩條件有42.增益空間燒孔效應(yīng)及其引起的多模振蕩解釋在泵浦激勵(lì)較強(qiáng)情況下，均勻加寬激光器(尤其固體激光器)產(chǎn)生多模振蕩的原因燒孔效應(yīng)（第四章）－光譜燒孔效應(yīng)或頻域燒孔效應(yīng)

軸向空間燒孔效應(yīng)的形成(設(shè)橫向分布均勻)腔內(nèi)駐波場分布增益空間分布g(z)增益空間燒孔波腹－光強(qiáng)大；波節(jié)－光強(qiáng)小軸向駐波場分布導(dǎo)致工作物質(zhì)中各點(diǎn)增益不同－增益空間燒孔波腹－g?。徊ü?jié)－g大燒孔間距在波長量級2.增益空間燒孔效應(yīng)及其引起的多模振蕩軸向空間燒孔效應(yīng)5

空間燒孔的形成條件:

駐波腔

粒子空間轉(zhuǎn)移速度較慢氣體:無規(guī)熱運(yùn)動,空間轉(zhuǎn)移迅速,難以形成空間燒孔固體:如Cr離子束縛在晶格結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)移l/4需10-4

S半導(dǎo)體:10-7

S

空間燒孔引起的多模振蕩當(dāng)激勵(lì)作用較強(qiáng)時(shí),不同縱模可使用腔內(nèi)不同部位的高能級粒子而同時(shí)發(fā)生振蕩－縱模的空間競爭q可形成較弱的振蕩空間燒孔的形成條件:空間燒孔引起的多模振蕩q可6

橫向空間燒孔的形成原因

橫模粒子數(shù)的空間分布不均勻,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當(dāng)激勵(lì)作用足夠強(qiáng)時(shí),不同橫?？梢苑謩e使用不同空間的激活粒子而形成多橫模振蕩要點(diǎn)：什么是激光振蕩模式？激光輸出模式由那些因數(shù)決定？增益飽和在激光振蕩中所起的作用？（均勻和非均勻加寬）模競爭在均勻加寬和非均勻加寬介質(zhì)中的表現(xiàn)？空間燒孔的產(chǎn)生及其對振蕩模式的影響？橫向空間燒孔的形成原因要點(diǎn)：什么是激光振蕩模式？激光輸出7二、非均勻加寬激光器的振蕩模式1、外激勵(lì)g0

滿足閾值條件縱模振蕩模式數(shù)

只要模間隔足夠大，各個(gè)縱?；ゲ幌嚓P(guān)二、非均勻加寬激光器的振蕩模式1、外激勵(lì)g0滿足閾82、非均勻加寬激光器中模競爭的表現(xiàn)

若縱模頻率n1,,n2對稱分布在中心頻率n0兩側(cè)，消耗相同速度vz的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

相鄰縱模的燒孔重疊

n1n2Dn燒孔寬度

振蕩線寬－小信號增益等于閾值增益時(shí)所對應(yīng)的寬度2、非均勻加寬激光器中模競爭的表現(xiàn)n1n2Dn燒孔寬度振蕩9三、選模

(P.211)

選模意義：

基橫模（TEM00）～發(fā)散角小～空間相干性

單縱?！珕紊院谩珪r(shí)間相干性1.橫模選擇

橫模選擇的物理基礎(chǔ)：不同橫模有不同的衍射損耗

橫模選擇原則

盡量加大高階模和基模之間的衍射損耗差

盡可能減少除衍射損耗外的其它損耗，加大衍射損耗在總損耗中的比例三、選模(P.211)選模意義：10

橫模選擇方法

諧振腔設(shè)計(jì)

小孔光闌

非穩(wěn)腔

微調(diào)諧振腔合理選擇腔型及腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，使TEM00和TEM10模之間有足夠的差異圓形平面鏡腔圓形鏡共焦腔橫模選擇方法合理選擇腔型及腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，使TEM00和11

小孔光闌選橫模小孔小孔基本思路：減小諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗TEM00模和其它高階模有不同的光斑尺寸特點(diǎn)：方法簡單不易獲得大功率輸出小孔光闌選模聚焦光闌選模小孔光闌選橫模小孔小孔基本思路：小孔光闌選模聚焦光闌選12非穩(wěn)腔選橫模適用于高增益激光器選橫模非穩(wěn)腔的輸出光束為球面波或平面波

微調(diào)諧振腔高損耗腔，相鄰橫模間衍射損耗差異大，模體積大雙凸平凹平凸單程放大率往返一周放大率雙凸腔本征函數(shù)本征值非穩(wěn)腔選橫模適用于高增益激光器選橫模微調(diào)諧132.縱模選擇－提高時(shí)間相干性

－在特定躍遷譜線范圍內(nèi)獲得單縱模的方法

縱模選擇原則

擴(kuò)大相鄰縱模的增益差或人為引入損耗差

選縱模方法

短腔法－縮短腔長，增大縱模間隔適用于熒光線寬窄的激光器

單模YAG：例：He-Ne2.縱模選擇－提高時(shí)間相干性適用于熒光線寬窄的激光器14

腔內(nèi)插入

F-P標(biāo)準(zhǔn)具F-P標(biāo)準(zhǔn)具的設(shè)計(jì)考慮L激光工作物質(zhì)插入FP后自由光譜區(qū)透射寬度腔內(nèi)插入F-P標(biāo)準(zhǔn)具F-P標(biāo)準(zhǔn)具的設(shè)計(jì)考慮L激光工15

組合腔LD

分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器（DistributedFeedback）p-TYPEn-TYPEGRATINGP-TYPEn-TYPEDBRDBR

分布布喇格反射(DBR)

外腔半導(dǎo)體激光器隔離器激光工作物質(zhì)抑制空間燒孔效應(yīng)

行波環(huán)形腔組合腔LD分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器p-TYPE16§5.3輸出光功率與能量

討論穩(wěn)態(tài)情況下的平均光強(qiáng)估算激光器輸出功率一、連續(xù)(長脈沖)激光器輸出功率

單模激光器（設(shè)第l模，頻率為nq)T1=0T1=TI+I-飽和加深g(n)>gt飽和（穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)）不變§5.3輸出光功率與能量T1=0T1=TI+I-飽171.

均勻加寬激光器(n=n0

)假設(shè)

如何求腔內(nèi)

In－同時(shí)參與飽和I+I-T1=0T1=T時(shí)腔內(nèi)的光強(qiáng)氣體激光器T<<12T+a(5.3.3)a－往返指數(shù)凈損耗因子A－光束有效截面積－激光耦合輸出(5.3.4)1.均勻加寬激光器(n=n0)假設(shè)如何求腔內(nèi)In18討論1.

輸出功率~激勵(lì)功率

(Pp

P)

固體激光器(光泵)當(dāng),P隨Pp線性增加,光泵浦激光器輸出功率由超出Ppt的泵浦功率轉(zhuǎn)換得到(5.3.5)其中討論1.輸出功率~激勵(lì)功率(PpP)19氣體激光器(放電激勵(lì)，最佳放電電流)

He-Ne最佳放電條件下gm經(jīng)驗(yàn)公式

半導(dǎo)體激光器(Semiconductorlaserorlaserdiode)hi

--載流子復(fù)合輻射幾率；hD--LD效率(10-5-10)(10-5-12)PIIthP.320氣體激光器(放電激勵(lì)，最佳放電電流)He-N20Fig.5.3.3Fig.5.3.2討論2

最佳透過率的實(shí)驗(yàn)測定及計(jì)算取微分Tm確定:

實(shí)驗(yàn)

Pp一定,改變T測Pout

計(jì)算Fig.5.3.3Fig.5.3.2討論2最佳透過率21三能級才能使(W03

,

n

,l

,

21

,

2)

P

四能級三能級系統(tǒng)對W13有要求結(jié)論：激光輸出功率與工作物質(zhì)性質(zhì)和長度有關(guān)三能級才能使(W03,n,l,21,222.非均勻加寬單模激光器nq

n0時(shí),和分別在增益曲線燒孔,不是共同作用nq=n0其中2.非均勻加寬單模激光器nqn0時(shí),和分別在23

蘭姆凹陷

(LambDip)－單模輸出功率P與頻率n的關(guān)系P燒孔面積(表征對激光有貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù))

燒孔重疊條件

蘭姆凹陷寬度(dn)燒孔寬度

蘭姆凹陷寬度(dn)~DnL氣壓

碰撞加寬DnL

燒孔寬度dn,深度變淺蘭姆凹陷(LambDip)－單模輸出功率P與頻率n的243.多模激光器

非均勻加寬:

Dnq足夠大,不發(fā)生燒孔相連時(shí),用(5-3-10)及(5-3-12)計(jì)算每個(gè)縱模的輸出功率,總功率即為各模輸出之和

均勻加寬:(固態(tài)激光器）必須由多模速率方程求Pout,并作簡化假設(shè)(各模損耗相等,線型函數(shù)為矩形)后可得與(5-3-5)相同的表達(dá)式說明:上述物理模型的適用范圍：高Q、低損耗激光器

3.多模激光器均勻加寬:(固態(tài)激光器）必須由多模速率25補(bǔ)充題：今有頻率光強(qiáng)的光及頻率為的弱光在均勻加寬及非均勻加寬工作物質(zhì)中傳播，請作下列三種情況下曲線示意圖并標(biāo)出其寬度。(1)(2)(3)行波腔駐波腔補(bǔ)充題：曲線示意圖并標(biāo)出其寬度。(1)(2)(3)行波腔駐波26兩種加寬機(jī)制介質(zhì)：均勻加寬&非均勻加寬兩束光：強(qiáng)光

n1,In1

(In1為穩(wěn)定光強(qiáng));弱光

n三種情況：小信號(藍(lán))大信號,行波腔(紅)大信號,駐波腔(棕）均勻加寬DnH2

DnHg0(n1)強(qiáng)光增益曲線變化弱光增益曲線變化弱光增益系數(shù)均按同一比例下降，線寬保持不變g0(n)g(n,In1)g(n,In1

)駐波腔中正、反方向傳輸光造成的飽和效應(yīng)迭加，飽和加深強(qiáng)光增益曲線下降線寬加寬兩種加寬機(jī)制介質(zhì)：均勻加寬&非均勻加寬均勻加寬DnH27非均勻加寬介質(zhì)強(qiáng)光增益曲線弱光增益曲線小信號(藍(lán))大信號,行波腔(紅)大信號,駐波腔(棕）×nn1××非均勻加寬介質(zhì)強(qiáng)光增益曲線弱光增益曲線小信號(藍(lán))×n284-22

設(shè)有兩束頻率分別為光強(qiáng)為I1及I2的強(qiáng)光沿相同方向或不同方向通過中心頻率為n0的非均勻加寬增益介質(zhì)，I1>I2。試分別畫出兩種情況下反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度分布曲線，并標(biāo)出燒孔位置。課堂練習(xí)（4/21第9講）4-22設(shè)有兩束頻率分別為光強(qiáng)29專題學(xué)習(xí)研究報(bào)告學(xué)習(xí)小組人員組成