激光器工作特性.pptx

(1)三能级三能级n n1 1+n+n2 2=n=nn n2 2-n-n1 1=n n(2)四能级四能级n n3 3=n nn n3t3t=n nt t二、起振模式数二、起振模式数1、激发参量、激发参量2、振荡线宽、振荡线宽(1)定义定义 小信号增小信号增益曲线中大于益曲线中大于Gt部部分的线宽分的线宽3、阈值上能级粒子数、阈值上能级粒子数 0 0GmG0()TGt证证非均匀加宽非均匀加宽证证(2)大小大小均匀加宽均匀加宽3、起振模式数、起振模式数x:取整函数取整函数:本征纵模频率间隔本征纵模频率间隔 0 0GmG0()TGt 三能级激光介质总粒子数密度为三能级激光介质总粒子数密度为n=5 1013m-1,发射截面为发射截面为S=2.5 1014m2，介质长，介质长l20cm,单程单程损耗率损耗率=0.01求阈值增益系数、阈值反转粒子求阈值增益系数、阈值反转粒子数密度和阈值上能级粒子数密度数密度和阈值上能级粒子数密度例例1解解 激光器腔内总损耗系数等于激活介质的激光器腔内总损耗系数等于激活介质的峰值增益系数的峰值增益系数的1/4，分别按均匀加宽和非均，分别按均匀加宽和非均匀加宽计算振荡线宽匀加宽计算振荡线宽(荧光线宽荧光线宽F=150MHz)例例2解解均匀加宽：均匀加宽：非均匀加宽：非均匀加宽：He-Ne激光器放电管及腔长都为激光器放电管及腔长都为L=1.6m,直直径为径为d=2mm,两反射镜透射率分别为两反射镜透射率分别为0 0和和T=0.02,其其它损耗的单程损耗率为它损耗的单程损耗率为=0.5%,萤光线宽萤光线宽 F=1500MHz,其峰值小信号增益系数其峰值小信号增益系数Gm=310-4/d 1/mm。求。求激发参量激发参量 可起振的纵模个数可起振的纵模个数q例例3解解=0.01+0.005=0.0152 模式竞争模式竞争一、基本概念一、基本概念满足振荡条件的激光纵模由于使用相同反转满足振荡条件的激光纵模由于使用相同反转粒子数而产生的竞争粒子数而产生的竞争二、特点二、特点1、均匀加宽、均匀加宽所有模式间有竞争所有模式间有竞争,靠近中心频率处的模靠近中心频率处的模式取胜式取胜 0 0Gt 0 0Gt 0 0Gt 0 0Gt 0 0Gt 0 0Gt 0 0Gt 0 0Gt 0 0Gt2、非均匀加宽、非均匀加宽(2)关于中心频率对称的两模式间有竞争关于中心频率对称的两模式间有竞争,随机取胜随机取胜(1)烧孔不重叠的模式之间无竞争烧孔不重叠的模式之间无竞争,造成多纵模输出造成多纵模输出三、跳模现象三、跳模现象1、现象、现象 均匀加宽激光器点燃时均匀加宽激光器点燃时,输出激光输出激光的频率在中心频率附近产生周期性变化的频率在中心频率附近产生周期性变化t2、解释、解释(1)温度升高温度升高腔长变大腔长变大光频向低频漂移光频向低频漂移(2)由于模式竞争由于模式竞争,光频漂移到光频漂移到 处被处被 模代替模代替3、规律、规律(2)腔长每伸长腔长每伸长 ,产生一次跳变产生一次跳变证证(1)输出光频在输出光频在 至至 范围内变化范围内变化 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 03 输出功率输出功率1、均匀加宽激光器、均匀加宽激光器一、腔内稳定光强一、腔内稳定光强(=0)证证稳定时稳定时2、非均匀加宽激光器、非均匀加宽激光器证证稳定时稳定时二、输出功率二、输出功率S:激光介质横截面积激光介质横截面积,T:输出镜透过率输出镜透过率I=I+I-I+I-T证证三、均匀加宽激光器的最佳透射率与最大输三、均匀加宽激光器的最佳透射率与最大输出功率出功率(=0)a:除输出损耗外的其它往返除输出损耗外的其它往返损耗率损耗率四、兰姆凹陷四、兰姆凹陷1、现象、现象 非均匀加宽气体激光器的输出功非均匀加宽气体激光器的输出功率率,在中心频率在中心频率 0处出现下降处出现下降 0 0P2、原因、原因 0处两烧孔重合处两烧孔重合造成输出功率的下降造成输出功率的下降3、规律、规律 (1)气压越高气压越高,凹陷越浅凹陷越浅(气压高气压高,加大加大 L,向均匀加宽转化向均匀加宽转化(2)激发越强激发越强,凹陷越深凹陷越深(激发强激发强,烧孔面积大烧孔面积大)0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt 0 0GGt CO2激光器谐振腔长激光器谐振腔长L0.8m，放电管直径，放电管直径d=20mm,输出镜透射率为输出镜透射率为T=0.04,其他往返损耗率其他往返损耗率a=0.04,求求腔内稳定光强腔内稳定光强输出功率输出功率最佳输出最佳输出功率功率(设只有设只有 0一个模式一个模式,所须所须经验公式经验公式:Gm=1.4 10-2/d 1/mm,Is=72/d2 w/mm2)例例1解解=0.02+0.02=0.04 He-Ne激光器的谐振腔长激光器的谐振腔长L=1.5m,截面积截面积S=1 mm2,输出镜透过率为输出镜透过率为T0.02,激活介质的多普勒激活介质的多普勒线宽为线宽为D D1000MHz,饱和参数为饱和参数为Is=10 w/mm2,现现将此激光器激活，激发参数将此激光器激活，激发参数=4,求总输出功率求总输出功率(所所有模式都按中心频率计算有模式都按中心频率计算)例例2解解例例3解解非均匀加宽气体激光器中非均匀加宽气体激光器中,已知已知Gm=10-4 1/mm,总单程损耗率总单程损耗率=0.02,腔长腔长L=0.5m,入入射强光频率为射强光频率为 ,且光强达到稳定且光强达到稳定,求求该光在增益曲线上所烧孔的深度该光在增益曲线上所烧孔的深度 G4 线宽极限线宽极限一、无源腔本征纵模线宽一、无源腔本征纵模线宽(L=l)二、有源腔纵模线宽极限二、有源腔纵模线宽极限1、计算方法、计算方法 s=-GL:有源腔有源腔单程净损耗率单程净损耗率2、产生线宽极限的机理、产生线宽极限的机理输出激光中有自发辐射的贡献输出激光中有自发辐射的贡献证证3、分配给每个激光模式的自发辐射几率、分配给每个激光模式的自发辐射几率V=SL:激光腔体积激光腔体积4、光子数速率方程、光子数速率方程(1)不考虑自发辐射的影响不考虑自发辐射的影响a)b)令令证证5、有源腔单程净损耗率、有源腔单程净损耗率6、线宽极限、线宽极限(=0,n=n3)(2)考虑自发辐射的影响考虑自发辐射的影响或或光在单程时间光在单程时间内自发辐射到内自发辐射到激光模式中的激光模式中的光子数与模式光子数与模式总光子数之比总光子数之比(2)表达式表达式令令(3)表达式表达式(1)表达式表达式 某某激光器中心频率为激光器中心频率为 0=5 1014Hz，谐振腔，谐振腔长长L0.8m，单程损耗率，单程损耗率=0.04,中心频率模式的中心频率模式的输出功率为输出功率为P=0.05w,求此模式的线宽极限。求此模式的线宽极限。例例1解解FH=N+Li=D(:光源频谱线宽光源频谱线宽)T:振荡线宽振荡线宽c:无源腔本征纵模线宽无源腔本征纵模线宽s:有源腔线宽极限有源腔线宽极限q:本征纵模频率间隔本征纵模频率间隔F:荧光线宽荧光线宽H:均匀线宽均匀线宽i:非均匀线宽非均匀线宽N:自然线宽自然线宽L:碰撞线宽碰撞线宽D:多普勒线宽多普勒线宽三、线宽小结三、线宽小结 0 0GmG0()TGtLcsqNDT:振荡线宽振荡线宽 103MHz c:无源腔本征纵模线宽无源腔本征纵模线宽 1MHzs:有源腔线宽极限有源腔线宽极限 10-3Hzq:本征纵模频率间隔本征纵模频率间隔 102MHzN:自然线宽自然线宽 10MHzL:碰撞线宽碰撞线宽 102MHzD:多普勒线宽多普勒线宽 103MHz线宽数量级线宽数量级(He-Ne)例例4解解分别分别求求光频为光频为 、的两个激光模式的两个激光模式在在非均匀加宽增益曲线上的烧孔宽度激发非均匀加宽增益曲线上的烧孔宽度激发参数为参数为，碰撞线宽为，碰撞线宽为L5 频率牵引频率牵引一、激光介质的色散一、激光介质的色散(均匀加宽均匀加宽)1、色散现象、色散现象中心频率中心频率 0附近介质的折射率随频率而变附近介质的折射率随频率而变2、色散关系式、色散关系式3、色散曲线、色散曲线 0 0二、频率牵引二、频率牵引1、现象、现象有源腔纵模频率比无源腔靠近中心频率有源腔纵模频率比无源腔靠近中心频率2、解释、解释(2)当当 时时,则则 ,即即 (1)当当 时时,则则 ,即即 3、牵引参量、牵引参量(1)定义定义(2)计算计算(均匀加宽均匀加宽)证证稳定时稳定时G(,I)=Gt例例1 均匀加宽激光器均匀加宽激光器,谐振腔与激光介质长度都为谐振腔与激光介质长度都为L=50 cm,介质折射率为介质折射率为n=1.6,荧光线宽为荧光线宽为F=10 MHz,中心频率为中心频率为 0=5 108 MHz,总单程损耗率为总单程损耗率为=004,当激光介质未被激活时当激光介质未被激活时,有一个起振模式频有一个起振模式频率为率为 =6 108MHz,求该模式在激光介质被激活后求该模式在激光介质被激活后的频率变为多少？的频率变为多少？(不考虑模式竞争不考虑模式竞争)解解