第二部分IV激光器工作特性

激光的基本原理及特性第二部分激光器的工作特性四、激光器的基本工作特性（一）、连续激光器的稳态工作特性1、几个基本概念（1）、光谱线加宽

自发辐射光谱不是单一的，而是分布在中心频率:附近一个很小的频率范围内。（2）、均匀加宽＝0E－Eh21I(

)nn0

自然加宽

N碰撞加宽

C晶格震动加宽均匀加宽－引起加宽的物理因素对每个原子都等同,每个发光原子都按整个线型发光1激光的基本原理及特性（3）、非均匀加宽

多普勒加宽晶格缺陷加宽均匀加宽非均匀加宽谱线加宽He-NeCO21010-3–10-2

N(MHz)

C(MHz)

D

D(MHz)100-300150060P(充气压力)大

C大非均匀加宽：每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些确定的频率才有贡献。在非均匀加宽中，各种不同的粒子对g(n)中的不同频率有贡献。第二部分激光器的工作特性2激光的基本原理及特性（4）、增益系数zz+dzI(z)I(z+dz)I0zzIzz+dzII+dII=I0eGZ0光的增益系数G：光通过单位长度的激活物质后光强增加的百分数，其单位为：[厘米]－1

增益曲线g(n)－增益系数g(n,I)相对于频率的分布问题的提出：外来光不是单一频率，有一定的频率分布nn0g(n)

增益宽度Dn－最大增益的一半处所对应的频率宽度公式定义：第二部分激光器的工作特性3激光的基本原理及特性损耗系数

a－负增益系数定义公式g&a并存的介质中，光强的变化dz薄层若第二部分激光器的工作特性4激光的基本原理及特性小信号增益系数，常数，与I无关大信号增益系数，g(I)<g0增益饱和(5).增益饱和g(I)问题:何时会出现饱和？假设Dn分布均匀,g(z)g0

Is－饱和光强

增益饱和－光强增大到一定程度,g将随I

的增大而减小I(z)=Is小信号情况大信号情况第二部分激光器的工作特性5激光的基本原理及特性（6）、激光形成的阈值条件光在激活介质中传输时，一方面获得增益，使光强增大；另一方面还存在各种损耗，使光强变小。因此，要产生激光（形成激光振荡）必须使光在谐振腔内往返一周获得的增益大于或等于损耗。形成激光振荡的条件：G0（

）≥

G0（

）是介质对频率为的光的小信号增益，为损耗系数（单位长度光强的损耗率）。阈值增益系数：G0（

）＝时的增益系数，记作：Gth

形成激光振荡的条件：G0（

）≥Gth光在激光器内的损耗激光工作物质内部的损耗谐振腔的损耗衍射损耗腔镜膜层对光有散射、吸收损耗透过损耗第二部分激光器的工作特性6激光的基本原理及特性2、稳态工作的建立激光器在外界激励下，如果腔内的某一个频率为

q的模满足阈值条件，这个模能够起振。开始时，这个模的小信号增益系数大于阈值增益Gth，因而光强I

会随着在腔内传播而不断增大。由于饱和效应，增益系数随光强的增大而不断下降。但只要G（

q

）仍然大于Gth，光强增大使增益系数下降的过程将继续下去，直到

G（

q

）＝Gth时，腔内的光强不再增高而趋于稳定。因此，一旦激光器中稳定状态建立，增益系数必然等于阈值。第二部分激光器的工作特性7激光的基本原理及特性（二）、均匀加宽连续激光器的输出特性1、均匀加宽介质的单纵模振荡第二部分激光器的工作特性82.空间烧孔引起的多模振荡轴向空间烧孔效应(设横向分布均匀，仅考虑Z向分布)腔内驻波场分布增益空间分布g(z)增益的空间烧孔空间烧孔引起多模振荡的物理原因由于空间烧孔效应,不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子空间烧孔的形成条件:驻波腔烧孔间距在波长量级粒子空间转移速度较慢激光的基本原理及特性第二部分激光器的工作特性9激光的基本原理及特性（三）、非均匀加宽连续激光器的输出特性1、非均匀加宽连续激光器的多纵模振荡外激励G0满足阈值条件的纵模振荡模式数第二部分激光器的工作特性102、兰姆凹陷: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)

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,深度变浅激光的基本原理及特性第二部分激光器的工作特性11激光的基本原理及特性

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10-4S半导体:10-7S第二部分激光器的工作特性12激光的基本原理及特性

非均匀加宽激光器中模竞争的表现

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第二部分激光器的工作特性13激光的基本原理及特性第二部分激光器的输出功率五、激光器的输出功率连续激光器：泵浦功率越强，激光器输出功率越大；内部损耗越小，激光器输出功率越大；膜片透过率存在一个最佳值，更换激光器膜片时要注意考虑原来的参数；增加激光器增益介质的长度。14激光的基本原理及特性第二部分高斯光束六、高斯光束自由空间的基模高斯光束z处等相位面曲率半径z处光斑半径(2-9-1)基模高斯光束：共焦参数腰斑半径15激光的基本原理及特性一）、高斯光束的特征参数1.用w0(或f)及位置表征；已知w0

(或

f)

w(z),R(z),2.用w(z)及R(z)表征;已知w(z),R(z)

w0,z第二部分高斯光束16激光的基本原理及特性3.高斯光束的q参数1/q(z)q参数(高斯光束的复曲率半径)q参数物理意义：同时反映光斑尺寸及波面曲率半径随z的变化第二部分高斯光束17激光的基本原理及特性若已知高斯光束某一位置的q参数

w(z),R(z),

q参数表征高斯光束的优点:

将描述高斯光束的两个参数W(z)和R(z)统一在一个表达式中,便于研究高斯光束通过光学系统的传输规律高斯光束三种描述方法的比较光腰处（z＝0）＝0在空间传输后第二部分高斯光束18激光的基本原理及特性二）、高斯光束通过光学元件的变换－ABCD公式1.自由空间2.薄透镜(透镜焦距为F）球面波球面波发散(+)会聚(-)l1l2R1R2S1S2物距像距焦距近轴情况R1R2（薄透镜）高斯光束q1q2两式相减高斯光束第二部分高斯光束19激光的基本原理及特性3.光学系统－传输矩阵为的光学系统球面波高斯光束q参数通过光学系统的变换与球面波R的变换相同－ABCD公式R1R2

1

2

近轴光,q1=q2自由空间透镜球面波高斯光束第二部分高斯光束20激光的基本原理及特性三）、q参数分析高斯光束传输实例(通过透镜的变换)已知：w0,l,F求：通过透镜后，高斯光束参数wc,Rc方法:由ABCD公式

qBqAqBz=0q0=iff=w02/A处qA=q0+lB处1/qB=1/qA-1/FC处qc=qB+lc关键第二部分高斯光束21激光的基本原理及特性先求w0’

qcwcqAqB=-l’第二部分高斯光束22激光的基本原理及特性讨论:高斯光束成象与几何光学成象规律的比较1.

l>>F

即有

(l-F)2>>f2和几何光学成象规律相同腰斑放大率2.l=F时和几何光学成象规律不同几何光学:

l=Fl’=

(平行光)无实象有虚象=D第二部分高斯光束23激光的基本原理及特性四）、高斯光束的聚焦:即1.F<f

透镜焦距足够小无论

l

为何值,均可使2.若F>f

要使要求即或才能聚焦如果不能聚焦3.l<F

仍有实象,和几何光学成象规律不同几何光学:

l<F不能成实象第二部分高斯光束24激光的基本原理及特性要获得良好的聚焦效果：

使用短焦距透镜(使F<f)

光腰远离透镜；(l>>F)

双透镜聚焦F一定时,(1)(2)(3)第二部分高斯光束25激光的基本原理及特性五）、高斯光束的准直－改善方向性，压缩发散角高斯光波平面光波

单透镜准直效果高斯光束通过薄透镜当l=F时,w0’=F/w0最大

•F

,长焦距透镜利于准直•w0尽可能小

要使大发散角有限，无论l，F取何值都不可能使说明用单透镜不能实现准直第二部分高斯光束26激光的基本原理及特性准直倍率(发散角压缩比)

短焦距透镜聚焦,使w0’

，并聚在长焦距透镜焦点上长焦距透镜使F

光腰几乎?落在焦平面上,组成一倒装望远镜望远镜放大倍率M利用倒装望远镜准直DL1L2第二部分高斯光束27激光的基本原理及特性六）、高斯光束的模匹配模匹配问题的提出：使一个激光谐振腔振荡的单模高斯光束注入到另一个谐振腔内能激发