《激光器的振荡模式》PPT课件.ppt

5.2 激光器的振荡模式,一、均匀加宽激光器的振荡模式,满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（mode competition）,1. 均匀加宽激光器中的模竞争及自选模作用,稳态增益,.,.,g0(n),结论：无论起始时满足振荡条件有多少个纵模，理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模。,时，达到稳态值 大信号增益阈值增益时为稳态增益,2. 增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡,烧孔效应）光谱烧孔效应或频域烧孔效应,(1)轴向空间烧孔效应的形成,q模腔内光强分布,只有q模存在时的反转集居数密度的分布,腔内驻波场分布 增益空间分布g(z) 增益空间烧孔,烧孔间距在波长量级,q模腔内光强分布,只有q模存在时的反转集居数密度的分布,q模腔内光强分布,不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子而同时发生振荡 纵模的空间竞争,空间烧孔引起的多模振荡,q模形成微弱振荡,3 空间烧孔的形成原因:,驻波腔,粒子空间转移速度较慢,气体: 无规热运动,空间转移迅速,难以形成空间烧孔. 以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振 荡。,固体: 如Cr离子束缚在晶格结构上，转移l/4波长的距离需10-4 S;半导体: 10-7 S.远大于激光形成时间,空间烧孔不能消除. 以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡.,抑制空间烧孔效应,行波环形腔,当激励作用足够强时, 不同横模可以分别使用不同空间的激活粒子而形成多横模振荡,4 横向空间烧孔的形成原因,横截面上光场分布的不均匀,反转粒子数密度的横向空间分布不均匀, 横向烧孔,二、非均匀加宽激光器的振荡模式,1、外激励 g0满足阈值条件纵模振荡模式数 只要模间隔足够大，各个纵模互不相关,2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现,(1)若纵模频率q-1及q+1称分布在中心频率 0 两侧,n1,n2,Dn,消耗相同速度 vz的反转粒子数,Dn,q-1及q+1共用同一种表观中心频率的激活粒子，存在模竞争，输出功率有无规起伏。,(2)相邻纵模的烧孔重叠,烧孔宽度:,纵模间隔:,相邻纵模因共用一部分激活粒子而相互竞争。,均匀加宽激光器,1、增益曲线均匀饱和引起模式竞争，导致 理想情况下，输出应是单纵模的 2、增益的空间烧孔引起纵模的空间竞争导致多模振荡（固体）,小结：,一般多纵模振荡， 也存在模式竞争 （烧孔重叠 或模的频率关于 对称 ）,非均匀加宽激光器,输出功率和透光率关系,透光率和2gml之间关系,0,G,Gt,4,P4P3,3,2,1,P1=0,P2P1,P3P2,P0P4,兰姆凹陷非均匀加宽单模输出功率P与频率的关系:,P 烧孔面积 ( 表征对激光有贡献的反转粒子数),0,G,Gt,0,G,Gt,6,P6Po,0,G,Gt,5,P5 P6,4,P4P5,3,P3P4,1,2,P2P3,0,Gt,1,P1=0,1,2,3,0,3,2,g,gT,(a),单模输出功率P与频率的关系-兰姆凹陷,1,在单模输出功率P和单模频率的关系曲线中，在=0处，曲线有一凹陷，称作兰姆凹陷。,P 烧孔面积 ( 表征对激光有贡献的反转粒子数),兰姆凹陷宽度, 烧孔宽度:,气压 碰撞加宽DnL 烧孔宽度dn , 深度变浅,兰姆凹陷宽度 烧孔宽度:,3、多模激光器的输出功率,非均匀加宽: 足够大, 不发生烧孔相连时,各个模式相互独立，分别计算每个纵模的输出功率，总的输出功率是各模输出功率之和。,计算公式:,均匀加宽: (固态激光器）必须由多模速率方程(课本P147)求Pout ,并作简化假设(各模损耗相等, 线型函数为矩形),得出其输出功率,二、短脉冲激光器的输出能量 (t0 ts) 四能级系统为例,思路：输出能量 受激辐射光子数 n2 吸收泵浦能量,E0E3 E3E2 E2E1 E内 (Ei) 吸收泵 激活粒子数 受激辐射粒子数 腔内激光能量 浦能量,EP, 输出能量 ( E ),小结：,均匀加宽单模激光器输出功率：,T1,输出最佳透过率,光泵情况：,非均匀加宽单模激光器输出功率：兰姆凹陷,短脉冲激光器的输出能量：,5.4 (脉冲)激光器中的弛豫振荡,荧光波形,激光波形,激光输出不是一个平滑的光脉冲，而是宽度只有微秒数量级的短脉冲序列，即所谓的“尖峰”序列,弛豫振荡的形成定性解释,腔内光子数密度及反转集居数密度随时间的变化,泵浦激励使Dn增加,受激辐射尚未建立,N几乎不变,泵浦激励使Dn增加的速率 受激辐射使Dn减小的速率,t1- t2,0- t1,t= t2时,同时,Dn增加的速率 = Dn减小的速率,t2- t3,受激辐射使Nl 急剧上升, Dn,达最大,t3- t4 受激辐射使 Dn Dnt , Nl急剧下降,Dn ,泵浦激励使Dn增加的速率 受激辐射使Dn减小的速率,t4- t5,，受激辐射减弱,tt5 重复上述脉冲的发展