第十次課激光原理

1、 脈沖激光器工作特性脈沖激光器工作特性 激光放大器激光放大器第四章第四章 激光器工作原理激光器工作原理問題問題1 1：什么叫脈沖激光器？其內(nèi)在特征是什么？：什么叫脈沖激光器？其內(nèi)在特征是什么？脈沖激光器脈沖激光器(t0 2 ) 非穩(wěn)定工作狀態(tài)（非穩(wěn)態(tài)）非穩(wěn)定工作狀態(tài)（非穩(wěn)態(tài)）特點(diǎn)：特點(diǎn)：泵浦持續(xù)時間短，各能級粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度泵浦持續(xù)時間短，各能級粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度來不及建立穩(wěn)定工作狀態(tài)，其工作過程是一個瞬態(tài)過程。來不及建立穩(wěn)定工作狀態(tài)，其工作過程是一個瞬態(tài)過程。一、弛豫振蕩一、弛豫振蕩泵浦能量低于閾值泵浦能量低于閾值泵浦能量高于閾值泵浦能量高于閾值問題問題2 2：脈沖激光器的輸出光強(qiáng)

2、有何特點(diǎn)？：脈沖激光器的輸出光強(qiáng)有何特點(diǎn)？這是怎么形這是怎么形成的呢？成的呢？二、定性解釋弛豫振蕩的形成（二、定性解釋弛豫振蕩的形成（n & Nn & Nl l 的瞬態(tài)變化）的瞬態(tài)變化）Nl n ntt1t2t3t4t5ttt000激勵激勵u0 t1泵浦開始工作，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度泵浦開始工作，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度開始增加，但未到達(dá)閾值反轉(zhuǎn)粒開始增加，但未到達(dá)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)沒有光輸出，腔內(nèi)光子數(shù)目子數(shù)沒有光輸出，腔內(nèi)光子數(shù)目可以忽略。可以忽略。ut1 t2在在t1時刻，時刻， n達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光，達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光，光子數(shù)目急劇增大；與此同時，光子數(shù)目急劇增大；與此同時，受激輻射將使受

3、激輻射將使n減小。但在此階減小。但在此階段，因?yàn)楸闷旨钍苟?，因?yàn)楸闷旨钍筺增加的速增加的速率仍超過受激輻射使率仍超過受激輻射使n減少的速減少的速率，所以率，所以n仍繼續(xù)增加。仍繼續(xù)增加。Nl n ntt1t2t3t4t5ttt000激勵激勵ut2 t3受激輻射使受激輻射使Nl 急劇上升急劇上升 n 223llltNdNd ndtdtnNntttttt最大最大ut3 t4受激輻射使受激輻射使 n t5 又開始第二個脈沖的發(fā)展過程，在整個脈沖泵浦過程中，又開始第二個脈沖的發(fā)展過程，在整個脈沖泵浦過程中， 這種過程反復(fù)發(fā)生，造成輸出激光的一連串尖峰結(jié)構(gòu)。這種過程反復(fù)發(fā)生，造成輸出激光的一連串尖峰

4、結(jié)構(gòu)。F激光建立的過程都存在弛豫振蕩過程。脈沖激光器在泵浦時間激光建立的過程都存在弛豫振蕩過程。脈沖激光器在泵浦時間內(nèi)，由于內(nèi)，由于STE作用，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度與光子數(shù)密度處于劇烈變作用，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度與光子數(shù)密度處于劇烈變化階段，因此其輸出表現(xiàn)出張弛振蕩特點(diǎn)，形成多個尖峰脈沖化階段，因此其輸出表現(xiàn)出張弛振蕩特點(diǎn)，形成多個尖峰脈沖F泵浦泵浦激勵越強(qiáng)，激勵越強(qiáng)，尖峰形成越快，因而尖峰的時間間隔越小。尖峰形成越快，因而尖峰的時間間隔越小。F脈沖寬度和間隔隨激光腔長的增大而增大。脈沖寬度和間隔隨激光腔長的增大而增大。以上是以上是單縱模激光器單縱模激光器的分析。對于的分析。對于多縱模多縱模激光器，由于各

5、個激光器，由于各個縱模的情況不盡相同，其縱模的情況不盡相同，其尖峰脈沖序列是多個縱模的尖峰脈尖峰脈沖序列是多個縱模的尖峰脈沖疊加的結(jié)果，沖疊加的結(jié)果，而不同縱模之間的關(guān)系又有一定的隨機(jī)性，而不同縱模之間的關(guān)系又有一定的隨機(jī)性，因而多縱模激光器往往輸出一列因而多縱模激光器往往輸出一列無規(guī)則的尖峰脈沖。無規(guī)則的尖峰脈沖。問題問題3：研究弛豫振蕩有何實(shí)際意義（利與弊）：研究弛豫振蕩有何實(shí)際意義（利與弊） 弛豫振蕩反映了激光振蕩過程的不穩(wěn)定，具有普遍性。是激弛豫振蕩反映了激光振蕩過程的不穩(wěn)定，具有普遍性。是激光振蕩由開始時的非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡過程中產(chǎn)生的效應(yīng)光振蕩由開始時的非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡過程中產(chǎn)生的效

6、應(yīng) (1) 連續(xù)激光器中弛豫振蕩連續(xù)激光器中弛豫振蕩 引起激光輸出的不穩(wěn)定噪聲引起激光輸出的不穩(wěn)定噪聲 “預(yù)熱預(yù)熱”時間時間 激勵激勵突變突變，損耗，損耗突變突變會引起振蕩會引起振蕩不穩(wěn)定不穩(wěn)定（2）脈沖激光器中馳豫振蕩的影響）脈沖激光器中馳豫振蕩的影響 l 增大輸入能量時，尖峰脈沖數(shù)目增加，不能有效地提高峰增大輸入能量時，尖峰脈沖數(shù)目增加，不能有效地提高峰 值功率水平值功率水平l 激光輸出的時間特性很差。為得到高峰值功率和較窄的單激光輸出的時間特性很差。為得到高峰值功率和較窄的單 個脈沖，采用調(diào)個脈沖，采用調(diào)Q技術(shù)技術(shù)問題問題4 4：什么情況下要用到激光放大器？：什么情況下要用到激光放大器？

7、某些應(yīng)用中（如光通信）需要：某些應(yīng)用中（如光通信）需要：優(yōu)質(zhì)光束（單色性好、發(fā)散角小、窄脈寬）優(yōu)質(zhì)光束（單色性好、發(fā)散角小、窄脈寬）大功率激光大功率激光怎么解決？怎么解決？采用一級或多級激光放大器將小功率激光器輸出的優(yōu)質(zhì)采用一級或多級激光放大器將小功率激光器輸出的優(yōu)質(zhì)激光束放大。激光束放大。1987年年6月月，1012W的大功的大功率脈沖激光系統(tǒng)率脈沖激光系統(tǒng)神光神光裝置，在裝置，在中國科學(xué)院上海中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所光學(xué)精密機(jī)械研究所研制研制成功。成功。問題問題5 5：激光放大器與激光振蕩器有何異同？：激光放大器與激光振蕩器有何異同？激光振蕩器激光振蕩器激光放大器激光放大器工作物質(zhì)

8、都要有足夠的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，工作物質(zhì)都要有足夠的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，都是基于受激輻射使光信號得到放大。都是基于受激輻射使光信號得到放大。為了得到共振放大，要求放大介質(zhì)有與輸入信為了得到共振放大，要求放大介質(zhì)有與輸入信號相匹配的能級結(jié)構(gòu)。號相匹配的能級結(jié)構(gòu)。在放大種子光的同時，自發(fā)輻射也被放大在放大種子光的同時，自發(fā)輻射也被放大(噪聲噪聲)。相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：激光振蕩器：兩端面必須有一定的反射。激光振蕩器：兩端面必須有一定的反射。激光放大器：兩端面可以沒有反射，激光放大器：兩端面可以沒有反射，兩端面有一定反射兩端面有一定反射再生放大器再生放大器工作物質(zhì)兩端面無反射工作物質(zhì)兩端面無反射行波放大器

9、行波放大器激光放大器激光放大器按工作方式按工作方式分類分類這兩類放大器工作特性有何不同？這兩類放大器工作特性有何不同？ 行波放大器行波放大器: 只要求入射光頻率在增益介質(zhì)譜線范圍內(nèi) 再生放大器: 入射光需在諧振腔本征頻率附近,保證頻率匹配G00I lI0P lPG00I0P lI lP1r2r1I2I2I1Igj T行波放大器再生放大器(F-P放大器)問題問題6 6：還有沒有其他分類方式：還有沒有其他分類方式? ?G按輸入放大器的光信號的時間特性分：按輸入放大器的光信號的時間特性分：連續(xù)激光放大器連續(xù)激光放大器脈沖激光放大器（調(diào)脈沖激光放大器（調(diào)Q Q激光，脈寬為幾十激光，脈寬為幾十nsns）

10、超短脈沖激光放大器（鎖模激光，脈寬為超短脈沖激光放大器（鎖模激光，脈寬為fsfs量級）量級）按按光激勵方式分：光激勵方式分：橫向橫向( (均勻均勻) )激勵激光放大器激勵激光放大器縱向激勵激光放大器縱向激勵激光放大器 橫向(均勻)激勵：泵浦光與光傳輸方向垂直 特點(diǎn)：n0，G0、Is 均為常數(shù) (固體或半導(dǎo)體光放大器) I0(t)I1(t)聚光器泵浦燈激光工作物質(zhì)泵浦光980nm (1480nm)信號光1550nmI0(t)I1(t)摻鉺光纖 縱向激勵：泵浦光與光傳輸同向或反向 特點(diǎn)：泵浦光隨傳輸距離而減弱。因此，泵浦光隨傳輸距離而減弱。因此，n0，G0 ，Is都將都將隨傳輸距離而改變，不再為常數(shù)。隨傳輸距離而改變，不再為常數(shù)。 光纖光纖放大器放大器 使遠(yuǎn)程全光通信成使遠(yuǎn)程全光通信成 為可能為可能延時電路：延時電路：當(dāng)?shù)谝患壿敵龅募す膺M(jìn)入放大器時，放大器的激活介質(zhì)應(yīng)恰好當(dāng)?shù)谝患壿敵龅募す膺M(jìn)入放大器時，放大器的激活介質(zhì)應(yīng)恰好被激勵而處于最大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，即產(chǎn)生共振躍遷而得到放大。被激勵而處于最大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，即產(chǎn)生共振躍遷而得到放大。級間去耦合：級間去耦合：以防