激光原理第九讲课件

第9讲激光器的振荡模式

均匀加宽激光器的模竞争及自选模作用

空间烧孔引起的多模振荡

非均匀加宽激光器的多纵模振荡选模技术

选横模选纵模作业:5-2,4，7；7-2连续或长脉冲激光器输出光功率与能量

均匀加宽单模激光器

非均匀加宽单模激光器

兰姆凹陷

多模激光器第9讲激光器的振荡模式作业:5-2,4，7；7-21§5.2激光器的振荡模式(Oscillationmode)

振荡模式－满足自激振荡条件，在激光器中能形成稳定振荡输出的模式

第二章从谐振腔(类型、结构）出发讨论腔内可能存在的各种场分布及谐振频率模式本节以激光工作物质的增益特性为基础，从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式一、均匀加宽激光器的振荡模式1.均匀加宽激光器中的模竞争及自选模作用§5.2激光器的振荡模式(Oscillationmo2g0(n)......

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（modecompetition）g0(n)......满足阈值条件的几个模在振荡过程3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稳态增益......g0(n)结论：无论起始时满足振荡条件有42.增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡解释在泵浦激励较强情况下，均匀加宽激光器(尤其固体激光器)产生多模振荡的原因烧孔效应（第四章）－光谱烧孔效应或频域烧孔效应

轴向空间烧孔效应的形成(设横向分布均匀)腔内驻波场分布增益空间分布g(z)增益空间烧孔波腹－光强大；波节－光强小轴向驻波场分布导致工作物质中各点增益不同－增益空间烧孔波腹－g小；波节－g大烧孔间距在波长量级2.增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡轴向空间烧孔效应5

空间烧孔的形成条件:

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,难以形成空间烧孔固体:如Cr离子束缚在晶格结构上，转移l/4需10-4

S半导体:10-7

S

空间烧孔引起的多模振荡当激励作用较强时,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q可形成较弱的振荡空间烧孔的形成条件:空间烧孔引起的多模振荡q可6

横向空间烧孔的形成原因

横模粒子数的空间分布不均匀,横向烧孔尺度较大(mm量级),粒子的迁移不能消除这种不均匀性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要点：什么是激光振荡模式？激光输出模式由那些因数决定？增益饱和在激光振荡中所起的作用？（均匀和非均匀加宽）模竞争在均匀加宽和非均匀加宽介质中的表现？空间烧孔的产生及其对振荡模式的影响？横向空间烧孔的形成原因要点：什么是激光振荡模式？激光输出7二、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，各个纵模互不相关二、非均匀加宽激光器的振荡模式1、外激励g0满足阈82、非均匀加宽激光器中模竞争的表现

若纵模频率n1,,n2对称分布在中心频率n0两侧，消耗相同速度vz的反转粒子数

相邻纵模的烧孔重叠

n1n2Dn烧孔宽度

振荡线宽－小信号增益等于阈值增益时所对应的宽度2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现n1n2Dn烧孔宽度振荡9三、选模

(P.211)

选模意义：

基横模（TEM00）～发散角小～空间相干性

单纵模～单色性好～时间相干性1.横模选择

横模选择的物理基础：不同横模有不同的衍射损耗

横模选择原则

尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗差

尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总损耗中的比例三、选模(P.211)选模意义：10

横模选择方法

谐振腔设计

小孔光阑

非稳腔

微调谐振腔合理选择腔型及腔结构参数，使TEM00和TEM10模之间有足够的差异圆形平面镜腔圆形镜共焦腔横模选择方法合理选择腔型及腔结构参数，使TEM00和11

小孔光阑选横模小孔小孔基本思路：减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸特点：方法简单不易获得大功率输出小孔光阑选模聚焦光阑选模小孔光阑选横模小孔小孔基本思路：小孔光阑选模聚焦光阑选12非稳腔选横模适用于高增益激光器选横模非稳腔的输出光束为球面波或平面波

微调谐振腔高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，模体积大双凸平凹平凸单程放大率往返一周放大率双凸腔本征函数本征值非稳腔选横模适用于高增益激光器选横模微调谐132.纵模选择－提高时间相干性

－在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法

纵模选择原则

扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差

选纵模方法

短腔法－缩短腔长，增大纵模间隔适用于荧光线宽窄的激光器

单模YAG：例：He-Ne2.纵模选择－提高时间相干性适用于荧光线宽窄的激光器14

腔内插入

F-P标准具F-P标准具的设计考虑L激光工作物质插入FP后自由光谱区透射宽度腔内插入F-P标准具F-P标准具的设计考虑L激光工15

组合腔LD

分布反馈(DFB)半导体激光器（DistributedFeedback）p-TYPEn-TYPEGRATINGP-TYPEn-TYPEDBRDBR

分布布喇格反射(DBR)

外腔半导体激光器隔离器激光工作物质抑制空间烧孔效应

行波环形腔组合腔LD分布反馈(DFB)半导体激光器p-TYPE16§5.3输出光功率与能量

讨论稳态情况下的平均光强估算激光器输出功率一、连续(长脉冲)激光器输出功率

单模激光器（设第l模，频率为nq)T1=0T1=TI+I-饱和加深g(n)>gt饱和（稳态光强）不变§5.3输出光功率与能量T1=0T1=TI+I-饱171.

均匀加宽激光器(n=n0

)假设

如何求腔内

In－同时参与饱和I+I-T1=0T1=T时腔内的光强气体激光器T<<12T+a(5.3.3)a－往返指数净损耗因子A－光束有效截面积－激光耦合输出(5.3.4)1.均匀加宽激光器(n=n0)假设如何求腔内In18讨论1.

输出功率~激励功率

(Pp

P)

固体激光器(光泵)当,P随Pp线性增加,光泵浦激光器输出功率由超出Ppt的泵浦功率转换得到(5.3.5)其中讨论1.输出功率~激励功率(PpP)19气体激光器(放电激励，最佳放电电流)

He-Ne最佳放电条件下gm经验公式

半导体激光器(Semiconductorlaserorlaserdiode)hi

--载流子复合辐射几率；hD--LD效率(10-5-10)(10-5-12)PIIthP.320气体激光器(放电激励，最佳放电电流)He-N20Fig.5.3.3Fig.5.3.2讨论2

最佳透过率的实验测定及计算取微分Tm确定:

实验

Pp一定,改变T测Pout

计算Fig.5.3.3Fig.5.3.2讨论2最佳透过率21三能级才能使(W03

,

n

,l

,

21

,

2)

P

四能级三能级系统对W13有要求结论：激光输出功率与工作物质性质和长度有关三能级才能使(W03,n,l,21,222.非均匀加宽单模激光器nq

n0时,和分别在增益曲线烧孔,不是共同作用nq=n0其中2.非均匀加宽单模激光器nqn0时,和分别在23

兰姆凹陷

(LambDip)－单模输出功率P与频率n的关系P烧孔面积(表征对激光有贡献的反转粒子数)

烧孔重叠条件

兰姆凹陷宽度(dn)烧孔宽度

兰姆凹陷宽度(dn)~DnL气压

碰撞加宽DnL

烧孔宽度dn,深度变浅兰姆凹陷(LambDip)－单模输出功率P与频率n的243.多模激光器

非均匀加宽:

Dnq足够大,不发生烧孔相连时,用(5-3-10)及(5-3-12)计算每个纵模的输出功率,总功率即为各模输出之和

均匀加宽:(固态激光器）必须由多模速率方程求Pout,并作简化假设(各模损耗相等,线型函数为矩形)后可得与(5-3-5)相同的表达式说明:上述物理模型的适用范围：高Q、低损耗激光器

3.多模激光器均匀加宽:(固态激光器）必须由多模速率25补充题：今有频率光强的光及频率为的弱光在均匀加宽及非均匀加宽工作物质中传播，请作下列三种情况下曲线示意图并标出其宽度。(1)(2)(3)行波腔驻波腔补充题：曲线示意图并标出其宽度。(1)(2)(3)行波腔驻波26两种加宽机制介质：均匀加宽&非均匀加宽两束光：强光

n1,In1

(In1为稳定光强);弱光

n三种情况：小信号(蓝)大信号,行波腔(红)大信号,驻波腔(棕）均匀加宽DnH2

DnHg0(n1)强光增益曲线变化弱光增益曲线变化弱光增益系数均按同一比例下降，线宽保持不变g0(n)g(n,In1)g(n,In1

)驻波腔中正、反方向传输光造成的饱和效应迭加，饱和加深强光增益曲线下降线宽加宽两种加宽机制介质：均匀加宽&非均匀加宽均匀加宽DnH27非均匀加宽介质强光增益曲线弱光增益曲线小信号(蓝)大信号,行波腔(红)大信号,驻波腔(棕）×nn1××非均匀加宽介质强光增益曲线弱光增益曲线小信号(蓝)×n284-22

设有两束频率分别为光强为I1及I2的强光沿相同方向或不同方向通过中心频率为n0的非均匀加宽增益介质，I1>I2。试分别画出两种情况下反转粒子数按速度分布曲线，并标出烧孔位置。课堂练习（4/21第9讲）4-22设有两束频率分别为光强29专题学习研究报告学习小组人员组成