激光器工作原理

1、第四章激光器工作原理,第四章激光器工作原理,引言,激光器分類(工作方式按泵浦方式分類),三能級(jí)系統(tǒng)(紅寶石)的泵浦激勵(lì),矩形脈沖激勵(lì),泵浦效率,熒光效率,從泵浦閾值附近(尚未形成自激振蕩),可忽略受激輻射躍遷過(guò)程,可解得當(dāng)時(shí),討論:1.n2經(jīng)歷的兩種變化過(guò)程0t0泵浦脈沖撤除n2,4.t0t2(長(zhǎng)脈沖泵浦)激勵(lì)時(shí)間足夠長(zhǎng),3.t0t2)泵浦作用時(shí)間較長(zhǎng)，趨近穩(wěn)態(tài)連續(xù)激光器可按穩(wěn)態(tài)處理理論上說(shuō),脈沖激光器和連續(xù)激光器沒(méi)有嚴(yán)格界限,閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度閾值增益系數(shù)閾值泵浦功率（閾值泵浦能量）,4.1激光產(chǎn)生的閾值條件,一.閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度Dnth自激振蕩條件:（1）Dn0;（2）Ga,一.閾值反轉(zhuǎn)

2、粒子數(shù)密度Dnth自激振蕩條件:（1）Dn0;（2）ga,推導(dǎo)Dnth的兩種方法:(1)光強(qiáng)變化*(2)速率方程;(1)往返一周的光強(qiáng)變化,增益介質(zhì)充滿腔內(nèi),I0，I1,r1,r2,4.1激光產(chǎn)生的閾值條件,激光產(chǎn)生的閾值條件：增益系數(shù)大于閾值增益根據(jù)速率方程推導(dǎo)閾值增益系數(shù),光子壽命：,單程總損耗C光速,界面處流入和流出的光子數(shù)相等,光子數(shù)密度速率方程,閾值時(shí),閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度,不同模式(頻率)具有不同的受激輻射截面,Dnt值也不同,激光器閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n=n0時(shí)的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度,中心頻率處閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)最低,閾值增益系數(shù)唯一地由單程損耗決定，當(dāng)腔內(nèi)損耗一定時(shí)，閾值增益系數(shù)為一常數(shù)

3、,二、閾值增益系數(shù)gt即n=n0時(shí)的閾值增益系數(shù),均勻加寬,非均勻加寬,*討論,不同模式(n)s21(n,n0)不同Dnt不同，即Dnt(n)不同縱模具有相同的閾值增益gt不同橫模的衍射損耗不同,gt不同高階橫模的閾值增益大于基模，即,三、連續(xù)激光器或長(zhǎng)脈沖激光器的閾值泵浦功率（Ppt，t0t2）,1.四能級(jí)系統(tǒng)（假定泵浦均勻）,單位時(shí)間單位體積內(nèi)，E2E1躍遷的粒子數(shù)或,要維持,需要E3E2粒子的躍遷補(bǔ)充,同樣多的粒子數(shù),通過(guò)泵浦（吸收）E0E3,或,泵浦光子能量,總量子效率,2.三能級(jí)系統(tǒng)分析方法與四能級(jí)系統(tǒng)類似，不同之處三能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能級(jí)為基態(tài)（E1）,若要使Dn=1需吸收（泵浦）

4、光子數(shù)(1/1)要使n2=n2t需吸收（泵浦）光子數(shù)(n2t/1)當(dāng)單位體積吸收的泵浦光子數(shù)(n2t/1)就能產(chǎn)生激光,短脈沖激光器,長(zhǎng)脈沖或連續(xù)激光器,四能級(jí),三能級(jí),討論:1.四能級(jí)系統(tǒng)激光器閾值低于三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)n10,只需抽運(yùn)Dnt粒子就可使ga形成振蕩三能級(jí)n1為基態(tài),至少要抽運(yùn)n/2粒子,且n/2Dnt2.泵浦效率的提高,3.Ppt,Ept與工作物質(zhì)特性有關(guān),均勻加寬,非均勻加寬,優(yōu)良激光工作物質(zhì)熒光線寬較小(釹玻璃W=WR處有最大值WR為弛豫振蕩頻率,提高調(diào)制帶寬的途徑(思考?),(3)增益開關(guān)DFB激光器(GainSwitched-DFB)增益開關(guān)用高速大信號(hào)調(diào)制時(shí)，使LD獲

5、得的增益大大超出閾值增益。利用LD的弛豫振蕩特性獲得超短脈沖,工作原理W03j,w在DFB激光器上施加調(diào)制信號(hào)，在大功率信號(hào)調(diào)制作用下產(chǎn)生弛豫振蕩，在弛豫振蕩的第一個(gè)脈沖產(chǎn)生后,撤除調(diào)制信號(hào)后會(huì)產(chǎn)生幾十皮秒(ps)的超短光脈沖,主門電路,計(jì)數(shù)器,距離顯示,晶體振蕩器,脈沖信號(hào)輸入,30MHz5m75MHz2m150MHz1m（6.67ns),(4)弛豫振蕩使激光能量分散在多個(gè)尖峰脈沖上，峰值功率低時(shí)間特性差，為獲得單個(gè)巨脈沖，必須抑制弛豫振蕩。脈沖峰值功率較低幾十kw量級(jí),影響測(cè)距距離時(shí)間特性差：多脈沖輸出影響測(cè)距精度獲得巨脈沖方法：調(diào)Q、鎖模,激光測(cè)距儀激光雷達(dá),單模激光器的線寬由那些因素決

6、定無(wú)源腔線寬有源腔線寬單模激光器的線寬極限自發(fā)輻射對(duì)單模輸出線寬的影響單模激光器輸出線寬極限的估算穩(wěn)頻激光器蘭姆凹陷飽和吸收習(xí)題,作業(yè)：4,5,腔內(nèi)總光強(qiáng)為二個(gè)方向相反的傳播場(chǎng)的疊加，只有向輸出鏡傳播的可以出激光器，因此為總場(chǎng)的1/2,期中單程總損耗,a往返一次的內(nèi)部損耗,代入Is和Gm,1、受激輻射截面大、上能級(jí)壽命長(zhǎng)，輸出功率越大2、抽運(yùn)幾率越大，輸出功率越大3、增加工作物質(zhì)長(zhǎng)度、減小損耗有利于提高激光輸出,光泵浦激光器,激發(fā)參數(shù),最佳透射率,對(duì)一個(gè)給定的內(nèi)部損耗a，都有一個(gè)最佳的透過(guò)率，使輸出功率最大,令,Gm越大，工作物質(zhì)越長(zhǎng)，a越小，最佳透過(guò)率越大,二、非均勻加寬單模激光器,腔內(nèi)光強(qiáng)

7、,增益系數(shù),穩(wěn)定工作時(shí),輸出功率,如果,則,中心頻率輸出功率比非中心頻率小，蘭姆凹陷,蘭姆凹陷寬度和燒孔寬度相當(dāng),氣體激光器氣壓增大，蘭姆凹陷變寬、變淺,三、多模激光器,1、均勻加寬輸出功率,2、非均勻加寬,輸出功率為各模式輸出功率之和,4.4脈沖激光器的工作特性,一、弛豫振蕩,腔內(nèi)光子數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)數(shù)相互作用的結(jié)果,數(shù)學(xué)分析：設(shè)單模激光，v0，l=L，效率=1,四能級(jí)系統(tǒng),穩(wěn)態(tài)工作時(shí)N、n的變化為0,把振蕩看成是穩(wěn)態(tài)附近的擾動(dòng),其中,忽略2階小量,其中,方程的解為,其中,當(dāng),時(shí)，,趨向于0，表明由振蕩趨于穩(wěn)定,代入N0，,外界激發(fā)越強(qiáng)，衰減越迅速，振蕩頻率越高,4.5激光放大器,光通過(guò)粒子數(shù)

8、反轉(zhuǎn)的介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生光信號(hào)的放大激光放大器,激光放大器的分類：1、連續(xù)激光放大器輸入信號(hào)是連續(xù)波或脈沖寬度大于能級(jí)壽命，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)2、脈沖激光放大器脈沖小于能級(jí)壽命，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)3、超短脈沖放大器當(dāng)輸入信號(hào)為飛秒時(shí),按工作方式分：1、行波放大器無(wú)反射鏡2、再生放大器有反射鏡，構(gòu)成F-P標(biāo)準(zhǔn)具,再生放大器的增益為,Gs單程光強(qiáng)增益，r反射鏡反射率，vc放大器本征頻率,當(dāng)信號(hào)頻率和本征頻率相同時(shí)，增益最大。當(dāng)r增大時(shí)，頻率范圍變小。當(dāng)r=0時(shí)，G=Gs為行波放大器，輸入信號(hào)在熒光譜線范圍內(nèi)均可放大,一、橫向均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器,激光放大器的主要參數(shù)：增益、輸出功率、

9、增益譜寬,增益：輸出端光強(qiáng)和輸入信號(hào)之比,均勻展寬：,為平均損耗系數(shù),對(duì)于小信號(hào)放大，I(z)1時(shí)，I(z)隨z增加。,2、IP(z)隨z減小,（1）小信號(hào)增益,I(z)1,由輸運(yùn)方程求解得到,測(cè)量,時(shí)的Ip0，求出Ipth,4.15,當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，參雜光纖長(zhǎng)度有一最佳值,三、脈沖激光放大器,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和光子數(shù)密度是位置和時(shí)間的函數(shù),1、在脈沖作用時(shí)間內(nèi)，忽略泵浦光對(duì)自發(fā)輻射和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的影響（輸入光脈沖寬度遠(yuǎn)小于上能級(jí)壽命）2、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在橫截面內(nèi)均勻，隨z變化3、工作物質(zhì)為均勻加寬，信號(hào)頻率為中心頻率，量子效率為1，簡(jiǎn)并度相等,dz薄層內(nèi)光子數(shù)的變化為,對(duì)三能級(jí)系統(tǒng)，利用速率方程，得到輸運(yùn)方程,其中J(z,t)=N(z,t)v稱為光子流強(qiáng)度,輸運(yùn)方程的邊界條件為,1、脈沖放大器的能量增益GE：輸入光脈沖能量和輸出脈沖能量之比輸入光子數(shù)和輸出光子數(shù)之比,輸入、輸出能量為,輸運(yùn)方程,又,大于脈沖寬度，J(z,)=J(z,0)=0,=0,輸運(yùn)方程,小信號(hào)，,增益,小信號(hào)增益和入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，遂放大器長(zhǎng)度增加而增加,增