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）、連續(xù)激光器的穩(wěn)態(tài)工作特性1、幾個基本概念（1）、光譜線加寬

自發(fā)輻射光譜不是單一的，而是分布在中心頻率:附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。（2）、均勻加寬＝0E－Eh21I(

)nn0

自然加寬

N碰撞加寬

C晶格震動加寬均勻加寬－引起加寬的物理因素對每個原子都等同,每個發(fā)光原子都按整個線型發(fā)光1激光的基本原理及特性（3）、非均勻加寬

多普勒加寬晶格缺陷加寬均勻加寬非均勻加寬譜線加寬He-NeCO21010-3–10-2

N(MHz)

C(MHz)

D

D(MHz)100-300150060P(充氣壓力)大

C大非均勻加寬：每一個發(fā)光粒子所發(fā)的光只對譜線內(nèi)的某些確定的頻率才有貢獻。在非均勻加寬中，各種不同的粒子對g(n)中的不同頻率有貢獻。第二部分激光器的工作特性2激光的基本原理及特性（4）、增益系數(shù)zz+dzI(z)I(z+dz)I0zzIzz+dzII+dII=I0eGZ0光的增益系數(shù)G：光通過單位長度的激活物質(zhì)后光強增加的百分數(shù)，其單位為：[厘米]－1

增益曲線g(n)－增益系數(shù)g(n,I)相對于頻率的分布問題的提出：外來光不是單一頻率，有一定的頻率分布nn0g(n)

增益寬度Dn－最大增益的一半處所對應的頻率寬度公式定義：第二部分激光器的工作特性3激光的基本原理及特性損耗系數(shù)

a－負增益系數(shù)定義公式g&a并存的介質(zhì)中，光強的變化dz薄層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號增益系數(shù)，常數(shù)，與I無關(guān)大信號增益系數(shù)，g(I)<g0增益飽和(5).增益飽和g(I)問題:何時會出現(xiàn)飽和？假設Dn分布均勻,g(z)g0

Is－飽和光強

增益飽和－光強增大到一定程度,g將隨I

的增大而減小I(z)=Is小信號情況大信號情況第二部分激光器的工作特性5激光的基本原理及特性（6）、激光形成的閾值條件光在激活介質(zhì)中傳輸時，一方面獲得增益，使光強增大；另一方面還存在各種損耗，使光強變小。因此，要產(chǎn)生激光（形成激光振蕩）必須使光在諧振腔內(nèi)往返一周獲得的增益大于或等于損耗。形成激光振蕩的條件：G0（

）≥

G0（

）是介質(zhì)對頻率為的光的小信號增益，為損耗系數(shù)（單位長度光強的損耗率）。閾值增益系數(shù)：G0（

）＝時的增益系數(shù)，記作：Gth

形成激光振蕩的條件：G0（

）≥Gth光在激光器內(nèi)的損耗激光工作物質(zhì)內(nèi)部的損耗諧振腔的損耗衍射損耗腔鏡膜層對光有散射、吸收損耗透過損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、穩(wěn)態(tài)工作的建立激光器在外界激勵下，如果腔內(nèi)的某一個頻率為

q的模滿足閾值條件，這個模能夠起振。開始時，這個模的小信號增益系數(shù)大于閾值增益Gth，因而光強I

會隨著在腔內(nèi)傳播而不斷增大。由于飽和效應，增益系數(shù)隨光強的增大而不斷下降。但只要G（

q

）仍然大于Gth，光強增大使增益系數(shù)下降的過程將繼續(xù)下去，直到

G（

q

）＝Gth時，腔內(nèi)的光強不再增高而趨于穩(wěn)定。因此，一旦激光器中穩(wěn)定狀態(tài)建立，增益系數(shù)必然等于閾值。第二部分激光器的工作特性7激光的基本原理及特性（二）、均勻加寬連續(xù)激光器的輸出特性1、均勻加寬介質(zhì)的單縱模振蕩第二部分激光器的工作特性82.空間燒孔引起的多模振蕩軸向空間燒孔效應(設橫向分布均勻，僅考慮Z向分布)腔內(nèi)駐波場分布增益空間分布g(z)增益的空間燒孔空間燒孔引起多模振蕩的物理原因由于空間燒孔效應,不同縱?？墒褂们粌?nèi)不同部位的高能級粒子空間燒孔的形成條件:駐波腔燒孔間距在波長量級粒子空間轉(zhuǎn)移速度較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）、非均勻加寬連續(xù)激光器的輸出特性1、非均勻加寬連續(xù)激光器的多縱模振蕩外激勵G0滿足閾值條件的縱模振蕩模式數(shù)第二部分激光器的工作特性102、蘭姆凹陷:單模輸出功率P與頻率

的關(guān)系

P

燒孔面積(表征對激光有貢獻的反轉(zhuǎn)粒子數(shù))

燒孔重疊條件蘭姆凹陷寬度(dn)

燒孔寬度

蘭姆凹陷寬度(dn)~DnL

氣壓

碰撞加寬DnL

燒孔寬度dn,深度變淺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

橫向空間燒孔的形成原因橫模粒子數(shù)的空間分布不均勻,橫向燒孔尺度較大，(mm量級)粒子的遷移不能消除這種不均勻性當激勵作用足夠強時,不同橫?？梢苑謩e使用不同空間的激活粒子而形成多橫模振蕩氣體:無規(guī)熱運動,空間轉(zhuǎn)移迅速難以形成空間燒孔固體:如Cr離子束縛在晶格結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)移l/4需10-4S半導體: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

非均勻加寬激光器中模競爭的表現(xiàn)

縱模頻率n1,,n2對稱分布在中心頻率n0兩側(cè)，消耗相同速度Vz的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

相鄰縱模的燒孔重疊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輸出功率五、激光器的輸出功率連續(xù)激光器：泵浦功率越強，激光器輸出功率越大；內(nèi)部損耗越小，激光器輸出功率越大；膜片透過率存在一個最佳值，更換激光器膜片時要注意考慮原來的參數(shù)；增加激光器增益介質(zhì)的長度。14激光的基本原理及特性第二部分高斯光束六、高斯光束自由空間的基模高斯光束z處等相位面曲率半徑z處光斑半徑(2-9-1)基模高斯光束：共焦參數(shù)腰斑半徑15激光的基本原理及特性一）、高斯光束的特征參數(shù)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參數(shù)1/q(z)q參數(shù)(高斯光束的復曲率半徑)q參數(shù)物理意義：同時反映光斑尺寸及波面曲率半徑隨z的變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參數(shù)

w(z),R(z),

q參數(shù)表征高斯光束的優(yōu)點:

將描述高斯光束的兩個參數(shù)W(z)和R(z)統(tǒng)一在一個表達式中,便于研究高斯光束通過光學系統(tǒng)的傳輸規(guī)律高斯光束三種描述方法的比較光腰處（z＝0）＝0在空間傳輸后第二部分高斯光束18激光的基本原理及特性二）、高斯光束通過光學元件的變換－ABCD公式1.自由空間2.薄透鏡(透鏡焦距為F）球面波球面波發(fā)散(+)會聚(-)l1l2R1R2S1S2物距像距焦距近軸情況R1R2（薄透鏡）高斯光束q1q2兩式相減高斯光束第二部分高斯光束19激光的基本原理及特性3.光學系統(tǒng)－傳輸矩陣為的光學系統(tǒng)球面波高斯光束q參數(shù)通過光學系統(tǒng)的變換與球面波R的變換相同－ABCD公式R1R2

1

2

近軸光,q1=q2自由空間透鏡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參數(shù)分析高斯光束傳輸實例(通過透鏡的變換)已知：w0,l,F求：通過透鏡后，高斯光束參數(shù)wc,Rc方法:由ABCD公式

qBqAqBz=0q0=iff=w02/A處qA=q0+lB處1/qB=1/qA-1/FC處qc=qB+lc關(guān)鍵第二部分高斯光束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討論:高斯光束成象與幾何光學成象規(guī)律的比較1.

l>>F

即有

(l-F)2>>f2和幾何光學成象規(guī)律相同腰斑放大率2.l=F時和幾何光學成象規(guī)律不同幾何光學:

l=Fl’=

(平行光)無實象有虛象=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

透鏡焦距足夠小無論

l

為何值,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

仍有實象,和幾何光學成象規(guī)律不同幾何光學:

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

使用短焦距透鏡(使F<f)

光腰遠離透鏡；(l>>F)

雙透鏡聚焦F一定時,(1)(2)(3)第二部分高斯光束25激光的基本原理及特性五）、高斯光束的準直－改善方向性，壓縮發(fā)散角高斯光波平面光波

單透鏡準直效果高斯光束通過薄透鏡當l=F時,w0’=F/w0最大

?F

,長焦距透鏡利于準直?w0盡可能小

要使大發(fā)散角有限，無論l，F(xiàn)取何值都不可能使說明用單透鏡不能實現(xiàn)準直第二部分高斯光束26激光的基本原理及特性準直倍率(發(fā)散角壓縮比)

短焦距透鏡聚焦,使w0’

，并聚在長焦距透鏡焦點上長焦距透鏡使F

光腰幾乎?落在焦平面上,組成一倒裝望遠鏡望遠鏡放大倍率M利用倒裝望遠鏡準直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問題的提出：使一個激光諧振腔振蕩的單模高斯光束注入到另一個諧振腔內(nèi)能激發(fā)