激光物理3.5激光器的工作特性.ppt

1、3.5激光器的工作特性、功率、模式竞争、频率牵引和线宽极限、3.5.1激光器的工作特性、光在腔内往复1周得到的增益或=各种损耗的总和，激光可以发生，否则不发生激光。 此外，阈值增益系数相当于阈值附近空洞内的光强度还弱、小的信号的情况。 增益和损耗存在于云同步时的1周时间往返光强： l激光器工作物质的长度、平均单程功率损耗率、必需、阈值增益系数、(3.5.1)、阈值反转粒子数密度、(3.5.1)、阈值反转粒子数密度、振荡的激光模式正好在时均匀地扩展、不均匀地扩展(3) 1 .连续工作激光的阈值泵功率三能级系统，四能级系统，因此对泵功率的要求是(3.5.4)，所以对泵功率的要求是(3.5.3)，2

2、 .在脉冲激光的阈值泵能量下，泵的脉冲时间是滞后的四能级，对泵能量密度的要求，三能级，对泵能量密度的要求，作为(3.5.5)，(3.5.6)的3.5.2激光器的振荡模式，定义了振荡残奥定仪，GGt频率范围是振荡带宽，(1)，(2)，均匀只有(3)、不均匀地扩展、振荡带宽、(4)、(5)、振荡带宽、(6)、(7)、它们的频率在增益曲线的振荡线宽范围内的固有纵模式满足振荡条件。 起振纵系数的计算公式是，(8)，1，将连续激光器的模式竞争均匀展开，由于一些模式使用相同的反转粒子数，因此它们之间存在所谓的模式竞争现象。 由于能够起振的各模式尽管频率不同，但使用相同的反转粒子数密度，因此它们之间的竞争激

3、烈。 结果总是接近于中心频率附近的纵向模式，抑制了其他模式的熄灭。 对于空间烧孔效应、均匀扩散的激光，不仅中心频率附近的模式，还可以形成稳定的振动，可能出现其他弱模式，激发越强，出现的振动模式也越多。 这种现象称为纵向空间竞争。 3-14、单纵型：将纵型在腔内形成的驻波场改为前进波场，使光强沿轴向力均匀分布，消除空间型竞争。 激光工作物质中活性粒子的空间转变速度快，就不会形成空间烧孔。 例如，在气体激光器，发光粒子具有不规则的热运动，不能形成空间上的气孔。 不存在空间模型的竞争。 均匀扩展的高气压瓦斯气体激光器容易实现单纵横的输出。 所有固体激光器中的活性粒子都受晶格束缚，不能消除空间空隙现象

4、。 如果不采取特殊的选择措施，均匀扩展的固体激光器一般也是多纵模振荡。 横向空间烧孔现象因横向模式不同，横向光场分布也不同，分别使用不同空间的活性粒子。 因此，如果活性粒子的空间转移的速度慢，不能消除横烧孔效应，则被一盏茶强烈激励时，有可能发生多横模振荡。 对跳跃现象、输出激光的频率进行了细致的测量，发现了随着时间的推移而起伏，跳跃现象的图解、振荡、T L。 当进一步接近时，模具将取代模具，并且输出光的频率突然增加，从而可能发生跳跃。 每当腔长延长半波长，就会发生脱模，激光频率在范围内变化。2、不均匀地扩大激光器的多模振荡，振荡的几个纵模频率间隔在一盏茶上大，只要各纵模形成的烧孔不重叠，各模消

5、耗的反转粒子数相互无关。 因此，在不均匀地扩散激光的纵模之间，实际上没有模式竞争。 通常是多纵向模式振动。 在模式竞争中，在它们的频率间隔小的纵型之间，相邻的纵型的烧孔部分重叠，由于共享相同的反转粒子数而产生竞争。 不能完全消失。 在不均匀展宽的气体激光器中，如果两个频率正好相对于中心频率对称的纵模在云同步上满足振荡条件，则两个模式的烧孔完全重叠，它们的竞争激烈，结果它们的发射功率波动不规则。3-15、3.5.3激光的输出功率和输出能量，稳定工作时，(a )、1连续工作均匀扩展了单人模式激光的输出功率，可求出I-、I、腔内的平均光强。 如果在腔内只有一个纵向模式稳定地振荡，则从(3.4.11

6、)式可知，激光介质相对于该模式的较大的信号增益系数如果设(3.4.11 )、激光束的有效截面积为Seff、两个反射镜的透射率分别为0，则(3.5.10 )、最佳透射率、总平均单程损失率除a输出损失之外，包括往返损失率、输出单程损失率、(.5.12 )、(.5.13 )、激光器的最高输出功率定为：(3.5.14 )、3-17、3-16，2当连续操作多普勒使激光器的输出扩大时，I和i-2光因此，在频率稳定振荡模式中的较大信号增益系数为、(.5.15 )的情况下，此模式的输出功率在I和I-相同的增益曲线的中心处产生烧孔，且稳定振荡模式的光强度具有较大信号增益系数、(3.5.18 )、(3.5.16

7、)，拉姆的凹陷相反，冲压的凹陷变浅。 活化介质的光谱宽度越宽，凹陷宽度越大，因此可以增大气体激光器放电管的气压，增大冲击线宽度，扩大冲压凹陷，使其变浅。 气压高的话，撞击线宽度超过多普勒线宽度的话，主要是气体激光器均匀地扩展，冲压的凹陷也消失了。 孔的宽度是在不同气压下输出功率随频率变化的曲线，压力p3p 1，3 .脉冲激光的输出能量、激光的能级原子密度仅在超过阈值的部分产生腔内光子。 腔内光子密度为(3.5.19 )，输出到腔外的比例为0=T/(a T )，因此输出激光能量密度为(3.5.20 )，如果用示波器观察记录3.5.4缓和振动的普通脉冲激光输出的脉冲，则其波形平滑多振幅脉冲宽度间隔

8、由随机变化的间谍脉冲构成，激光脉冲中的各间谍时钟的宽度约为0.11s，间隔为数微秒，脉冲序列的长度与闪光灯泵的持续时间大致相等。 这种现象称为激光弛豫振荡。 由于各峰值脉冲发生在阈值附近，因此脉冲的峰值功率电平低。 在云同步中，即使增大泵的能量，也不会有助于峰值功率的提高，只增加小峰值的数量。 研究了图3-19腔内光子数和反转粒子数的时间变化、3.5.5单人模式激光的线宽极限、激光的发射谱线宽度极限的大小。 考虑到无源腔固有模式的频带宽度、有源腔、谐振腔的损耗和有源介质的增益作用，有源腔的单程净损耗率为：有源腔固有模式的频带宽度：稳态的理想激光发射的物理图像是腔内的激发辐射能补偿损耗的能量并且

9、由激发辐射产生的因而，输出激光理想上是无限长的波列，其线宽等于零。 在实践中，自然段可能不存在绝对单色光，并且单纵模激光器输出的激光线宽不等于零。 原因：忽视了自发放射性射线的存在。 根据四能级系统的速度方程，腔内频率相等的第l激光模式的光子数密度Nl的时间变化率为： (3.3.16 )，考虑到自发辐射，(3.5.21 )，0=，(3.5.23 )、小，激光器稳定地振荡时，第l激光模式忽略激光线宽极限、输出损失以外的损失，即=T/2，均匀扩展激光频率的单人模式输出有：(3.5.27 )，(3.3.11和3.3.14 )，分配给0，第l模式的自发辐射跃迁几率有： (3.5.27 )，例如，在L3

10、0cm、T0.02、P1mW的氦原子霓虹灯中，可以由(4-4-1)式计算c1.6106Hz，由上式计算s610-3Hz。 (设为nn3)。 s比c小得多。 激光器的线宽极限是由自发发射的存在而形成的，所以无法排除。 电磁场与物质相互作用的古典理论，用古典电动力学的麦克斯韦方程组来描述电磁场，把原子中的运动电子看作遵循古典力学的振子。 它说明了物质对光的吸收和分散现象，定性地说明了原子的自发辐射和光谱宽度等，半古典理论，古典麦克斯韦方程组记述了光频率电磁场，物质原子用量子力学记述。 半经典理论可以很好地揭示激光的大部分物理现象，包括强度特性(反转粒子数烧孔效应和振动强度的兰姆坑)、增益饱和效应、

11、多模耦合和竞争效应、模的相位摇滾乐效应、激光振动的频率引入和频率排斥效应。 不能弄清自发放射的发生和由此引起的激光振荡的线宽界限、振荡过程的量子波动效应(噪声和相干性)等。 半经典理论的另一个缺点是数学处理复杂，量子理论是对光的电磁场和物质原子进行量子化处理，并将两者描述为统一的物理系统。 在需要严格决定激光相干性、噪声、线宽极限等特性的情况下是必要的。 速度方程理论，它是量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性，该理论具有非常简单的形式。 这仅仅显示了激光的强度特性，不能显示出优异的分散(频率牵引)效果。 对于侥孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等，只给出初步的近似描述。 古典理论，

12、经典力学描述原子内部电子的运动，是以简单的共振运动和阻尼大头针振动规律运动的电偶极子，称为简单的共振子。 假定其他力没有作用于电子，则电运动方程式一旦在原子自发辐射古典模型理论中，运动电子具有加速度时，发射电磁波的能量可以认为是对电子的反作用力(或辐射电阻)单位时间作用的负功，(a )通过上式简单谐振的电子和带正电构成简单谐振的电偶极子，其偶极矩上述简并性偶极产生的电磁辐射可视为(b )、(c )、二、频率牵引现象、被动腔内激光器工作物质的折光率可视为常数，而在实际工作的主动腔中，激光器工作物质的折光率可随频率而变化，而非随常数在色散的作用下，激光出现被称为频率牵引的现象。 本节采用经典理论分

13、析，给出了激光器工作物质的折光率随频率变化的色散关系公式，探讨了激光器的频率牵引现象。 3、光场的电偶极子、激发吸收和色散现象是物质中原子和电磁场相互作用的结果。 物质原子在电磁场的作用下产生感应极化强度P(z，t )，感应极化强度改变物质，因此电磁波传播常数也改变，导致物质吸收和分散电磁波。 在物质中沿z方向传播的单色平面波，其x方向的电场强度由(d )、r物质的相对电容率由物质的电场强度E(z，t )的极化过程求出。 物质由单原子构成，作用于电子的电场力为：通过该电场力，电子的运动方程式可写成(e )，外部电磁场不作用时，电子以自由振荡，即恢复力和衰减作用进行振幅衰减的衰减共振。 其固有圆

14、频率为0，阻尼系数为。方程的特解是，(f )、(g )、(3)我们只对共振相互作用，即0时感兴趣，在此情况下：1原子的感应力矩是：气压不太高的瓦斯气体工作物质，原子间相互作用可以忽略，因此感应极化强度可以通过将单位体积中的原子力矩相加而得到：工作物质的、物质的相对电容率r和电极化系数x的关系为：一般，因此，根据(h )、(I )、(j )、(k )、增益系数的定义，(m )、(d )、折光率被认为是、(n )，其中条件适用，物质的吸收谱是洛伦兹线上的线宽。 另外，如果能够将上述2式改写为下式，上式表示物质在0附近显示强分散现象。 (o )、(p )、激光工作物质的色散关系式由(p )式得到的物质的折光率与吸声系数的关系，即折光率随频率变化的部分，(3.5.10 )、(1)将工作物质的色散关系式均匀扩展，其中均匀扩展的信号增益系数由(3.4.11 )可知(3.5.31 )、(2)不均匀扩散的工作物质的色散关系式、不均匀扩散的介质中，粒子必须根据表现中心频率进行分类。 设表现中心频率范围内的反转粒子数密度为。 该部分反转粒子对折光率变化量n的贡献是所有反转粒子对折光率变化量的贡献是所有不同