第十次课激光原理

1、 脉冲激光器工作特性脉冲激光器工作特性 激光放大器激光放大器第四章第四章 激光器工作原理激光器工作原理问题问题1 1：什么叫脉冲激光器？其内在特征是什么？：什么叫脉冲激光器？其内在特征是什么？脉冲激光器脉冲激光器(t0 2 ) 非稳定工作状态（非稳态）非稳定工作状态（非稳态）特点：特点：泵浦持续时间短，各能级粒子数及腔内光子数密度泵浦持续时间短，各能级粒子数及腔内光子数密度来不及建立稳定工作状态，其工作过程是一个瞬态过程。来不及建立稳定工作状态，其工作过程是一个瞬态过程。一、弛豫振荡一、弛豫振荡泵浦能量低于阈值泵浦能量低于阈值泵浦能量高于阈值泵浦能量高于阈值问题问题2 2：脉冲激光器的输出光强

2、有何特点？：脉冲激光器的输出光强有何特点？这是怎么形这是怎么形成的呢？成的呢？二、定性解释弛豫振荡的形成（二、定性解释弛豫振荡的形成（n & Nn & Nl l 的瞬态变化）的瞬态变化）Nl n ntt1t2t3t4t5ttt000激励激励u0 t1泵浦开始工作，反转粒子数密度泵浦开始工作，反转粒子数密度开始增加，但未到达阈值反转粒开始增加，但未到达阈值反转粒子数没有光输出，腔内光子数目子数没有光输出，腔内光子数目可以忽略。可以忽略。ut1 t2在在t1时刻，时刻， n达到阈值，产生激光，达到阈值，产生激光，光子数目急剧增大；与此同时，光子数目急剧增大；与此同时，受激辐射将使受

3、激辐射将使n减小。但在此阶减小。但在此阶段，因为泵浦激励使段，因为泵浦激励使n增加的速增加的速率仍超过受激辐射使率仍超过受激辐射使n减少的速减少的速率，所以率，所以n仍继续增加。仍继续增加。Nl n ntt1t2t3t4t5ttt000激励激励ut2 t3受激辐射使受激辐射使Nl 急剧上升急剧上升 n 223llltNdNd ndtdtnNntttttt最大最大ut3 t4受激辐射使受激辐射使 n t5 又开始第二个脉冲的发展过程，在整个脉冲泵浦过程中，又开始第二个脉冲的发展过程，在整个脉冲泵浦过程中， 这种过程反复发生，造成输出激光的一连串尖峰结构。这种过程反复发生，造成输出激光的一连串尖峰

4、结构。F激光建立的过程都存在弛豫振荡过程。脉冲激光器在泵浦时间激光建立的过程都存在弛豫振荡过程。脉冲激光器在泵浦时间内，由于内，由于STE作用，反转粒子数密度与光子数密度处于剧烈变作用，反转粒子数密度与光子数密度处于剧烈变化阶段，因此其输出表现出张弛振荡特点，形成多个尖峰脉冲化阶段，因此其输出表现出张弛振荡特点，形成多个尖峰脉冲F泵浦泵浦激励越强，激励越强，尖峰形成越快，因而尖峰的时间间隔越小。尖峰形成越快，因而尖峰的时间间隔越小。F脉冲宽度和间隔随激光腔长的增大而增大。脉冲宽度和间隔随激光腔长的增大而增大。以上是以上是单纵模激光器单纵模激光器的分析。对于的分析。对于多纵模多纵模激光器，由于各

5、个激光器，由于各个纵模的情况不尽相同，其纵模的情况不尽相同，其尖峰脉冲序列是多个纵模的尖峰脉尖峰脉冲序列是多个纵模的尖峰脉冲叠加的结果，冲叠加的结果，而不同纵模之间的关系又有一定的随机性，而不同纵模之间的关系又有一定的随机性，因而多纵模激光器往往输出一列因而多纵模激光器往往输出一列无规则的尖峰脉冲。无规则的尖峰脉冲。问题问题3：研究弛豫振荡有何实际意义（利与弊）：研究弛豫振荡有何实际意义（利与弊） 弛豫振荡反映了激光振荡过程的不稳定，具有普遍性。是激弛豫振荡反映了激光振荡过程的不稳定，具有普遍性。是激光振荡由开始时的非稳态向稳态过渡过程中产生的效应光振荡由开始时的非稳态向稳态过渡过程中产生的效

6、应 (1) 连续激光器中弛豫振荡连续激光器中弛豫振荡 引起激光输出的不稳定噪声引起激光输出的不稳定噪声 “预热预热”时间时间 激励激励突变突变，损耗，损耗突变突变会引起振荡会引起振荡不稳定不稳定（2）脉冲激光器中驰豫振荡的影响）脉冲激光器中驰豫振荡的影响 l 增大输入能量时，尖峰脉冲数目增加，不能有效地提高峰增大输入能量时，尖峰脉冲数目增加，不能有效地提高峰 值功率水平值功率水平l 激光输出的时间特性很差。为得到高峰值功率和较窄的单激光输出的时间特性很差。为得到高峰值功率和较窄的单 个脉冲，采用调个脉冲，采用调Q技术技术问题问题4 4：什么情况下要用到激光放大器？：什么情况下要用到激光放大器？

7、某些应用中（如光通信）需要：某些应用中（如光通信）需要：优质光束（单色性好、发散角小、窄脉宽）优质光束（单色性好、发散角小、窄脉宽）大功率激光大功率激光怎么解决？怎么解决？采用一级或多级激光放大器将小功率激光器输出的优质采用一级或多级激光放大器将小功率激光器输出的优质激光束放大。激光束放大。1987年年6月月，1012W的大功的大功率脉冲激光系统率脉冲激光系统神光神光装置，在装置，在中国科学院上海中国科学院上海光学精密机械研究所光学精密机械研究所研制研制成功。成功。问题问题5 5：激光放大器与激光振荡器有何异同？：激光放大器与激光振荡器有何异同？激光振荡器激光振荡器激光放大器激光放大器工作物质

8、都要有足够的反转粒子数，工作物质都要有足够的反转粒子数，都是基于受激辐射使光信号得到放大。都是基于受激辐射使光信号得到放大。为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信号相匹配的能级结构。号相匹配的能级结构。在放大种子光的同时，自发辐射也被放大在放大种子光的同时，自发辐射也被放大(噪声噪声)。相同点：相同点：不同点：不同点：激光振荡器：两端面必须有一定的反射。激光振荡器：两端面必须有一定的反射。激光放大器：两端面可以没有反射，激光放大器：两端面可以没有反射，两端面有一定反射两端面有一定反射再生放大器再生放大器工作物质两端面无反射工作物质两端面无反射行波放大器

9、行波放大器激光放大器激光放大器按工作方式按工作方式分类分类这两类放大器工作特性有何不同？这两类放大器工作特性有何不同？ 行波放大器行波放大器: 只要求入射光频率在增益介质谱线范围内 再生放大器: 入射光需在谐振腔本征频率附近,保证频率匹配G00I lI0P lPG00I0P lI lP1r2r1I2I2I1Igj T行波放大器再生放大器(F-P放大器)问题问题6 6：还有没有其他分类方式：还有没有其他分类方式? ?G按输入放大器的光信号的时间特性分：按输入放大器的光信号的时间特性分：连续激光放大器连续激光放大器脉冲激光放大器（调脉冲激光放大器（调Q Q激光，脉宽为几十激光，脉宽为几十nsns）

10、超短脉冲激光放大器（锁模激光，脉宽为超短脉冲激光放大器（锁模激光，脉宽为fsfs量级）量级）按按光激励方式分：光激励方式分：横向横向( (均匀均匀) )激励激光放大器激励激光放大器纵向激励激光放大器纵向激励激光放大器 横向(均匀)激励：泵浦光与光传输方向垂直 特点：n0，G0、Is 均为常数 (固体或半导体光放大器) I0(t)I1(t)聚光器泵浦灯激光工作物质泵浦光980nm (1480nm)信号光1550nmI0(t)I1(t)掺铒光纤 纵向激励：泵浦光与光传输同向或反向 特点：泵浦光随传输距离而减弱。因此，泵浦光随传输距离而减弱。因此，n0，G0 ，Is都将都将随传输距离而改变，不再为常数。随传输距离而改变，不再为常数。 光纤光纤放大器放大器 使远程全光通信成使远程全光通信成 为可能为可能延时电路：延时电路：当第一级输出的激光进入放大器时，放大器的激活介质应恰好当第一级输出的激光进入放大器时，放大器的激活介质应恰好被激励而处于最大粒子数反转状态，即产生共振跃迁而得到放大。被激励而处于最大粒子数反转状态，即产生共振跃迁而得到放大。级间去耦合：级间去耦合：以防