第5章激光原理復(fù)習(xí)總結(jié)

1、第一節(jié)第一節(jié) 激光器的振蕩閾值激光器的振蕩閾值一、閾值種類一、閾值種類閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度閾值增益系數(shù)閾值增益系數(shù)連續(xù)或長脈沖激光器的閾值泵浦功率連續(xù)或長脈沖激光器的閾值泵浦功率短脈沖激光器的閾值泵浦能量短脈沖激光器的閾值泵浦能量二、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度二、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度1、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度、閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度lnth021,l ：工作物質(zhì)的長度工作物質(zhì)的長度2、振蕩條件：、振蕩條件：lnnth0210,三、閾值增益系數(shù)三、閾值增益系數(shù)1、閾值增益系數(shù)：、閾值增益系數(shù)：021,ttng不同縱模具有相同的損耗不同縱模具有相同的損耗 ，因而具有相同，因而具有相同 。不向的橫模具

2、有不同的損耗不向的橫模具有不同的損耗 ，因而有不同，因而有不同 ，高次橫模的高次橫模的 比基模的大。比基模的大。tgtgtglnth021, lggt02、振蕩條件：、振蕩條件：l第二節(jié)第二節(jié) 激光器的振蕩模式激光器的振蕩模式試說明某個(gè)頻率的光最終要成為激光的縱模輸出，試說明某個(gè)頻率的光最終要成為激光的縱模輸出，它必須突破幾個(gè)關(guān)口。它必須突破幾個(gè)關(guān)口。參考答案：參考答案： 滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一。滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一。 頻率頻率落入工作物質(zhì)的譜線線型范圍落入工作物質(zhì)的譜線線型范圍 F F 內(nèi)。內(nèi)。 小信號(hào)增益系數(shù)大于閾值增益系數(shù)小信號(hào)增益系數(shù)大于閾值增益系數(shù)。一、

3、均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)一、均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)1、增益曲線均勻飽和引起的、增益曲線均勻飽和引起的縱模縱模自選模作用自選模作用 (1) 參與競(jìng)爭(zhēng)的模：參與競(jìng)爭(zhēng)的模： ，都落入，都落入 內(nèi)內(nèi)各自都有：各自都有：11qqq、 tgg0F(2) 競(jìng)爭(zhēng)或自選模過程競(jìng)爭(zhēng)或自選模過程thg1qq1qg 0 0如圖，開始時(shí)：如圖，開始時(shí)： tgg011,qqqIII由于飽和效應(yīng)，增由于飽和效應(yīng)，增益曲線下降。益曲線下降。當(dāng)降到曲線當(dāng)降到曲線1時(shí)：時(shí)：1tqgg1Iq+1停止上升，而停止上升，而Iq-1和和Iq繼續(xù)上升，增益曲線繼續(xù)上升，增益曲線繼續(xù)下降，使繼續(xù)下降，使 Iq+1迅速減小并熄滅。迅速減小并熄滅

4、。tqgg1當(dāng)降到曲線當(dāng)降到曲線2時(shí)：時(shí)：tqgg12Iq-1停止上升，而停止上升，而Iq繼繼續(xù)上升，增益曲線繼續(xù)下降，使續(xù)上升，增益曲線繼續(xù)下降，使tqgg1，Iq-1 熄滅。熄滅。3當(dāng)降到曲線當(dāng)降到曲線3時(shí)：時(shí)： tqggIq停止上升，停止上升，由于沒有其他的縱模使增益曲線下降由于沒有其他的縱模使增益曲線下降,則激光器則激光器就穩(wěn)定在就穩(wěn)定在 Iq 上上, 從而輸出單縱模激光。從而輸出單縱模激光。結(jié)論：結(jié)論：理想情況下理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出的輸出應(yīng)是單縱模，其頻率在增益曲線中心頻率附近，應(yīng)是單縱模，其頻率在增益曲線中心頻率附近，其它縱模被抑制而熄滅。在模的競(jìng)

5、爭(zhēng)過程中，頻其它縱模被抑制而熄滅。在模的競(jìng)爭(zhēng)過程中，頻率越遠(yuǎn)離中心頻率的光越先熄滅。率越遠(yuǎn)離中心頻率的光越先熄滅。2 2、空間燒孔引起的多縱模振蕩、空間燒孔引起的多縱模振蕩(1) 激光強(qiáng)時(shí)，均勻加寬激光器為多縱模振蕩，激發(fā)越激光強(qiáng)時(shí)，均勻加寬激光器為多縱模振蕩，激發(fā)越強(qiáng)，達(dá)到閾值從而參與競(jìng)爭(zhēng)而振蕩的縱模數(shù)越多。強(qiáng)，達(dá)到閾值從而參與競(jìng)爭(zhēng)而振蕩的縱模數(shù)越多。理由：腔內(nèi)理由：腔內(nèi)駐波場(chǎng)分布要引起增益空間燒孔效應(yīng)。駐波場(chǎng)分布要引起增益空間燒孔效應(yīng)。(2)(2)增益的軸向增益的軸向( (或縱向或縱向) )空間燒孔效應(yīng)空間燒孔效應(yīng)(a)(b)LqIn由于腔內(nèi)的駐波場(chǎng)分由于腔內(nèi)的駐波場(chǎng)分布，波腹處光強(qiáng)大，布

6、，波腹處光強(qiáng)大，波節(jié)處光強(qiáng)小，由于波節(jié)處光強(qiáng)小，由于飽和效應(yīng)，則反轉(zhuǎn)集飽和效應(yīng)，則反轉(zhuǎn)集居數(shù)從而增益系數(shù)在居數(shù)從而增益系數(shù)在波腹處最小，在波節(jié)波腹處最小，在波節(jié)處最大，形成增益系處最大，形成增益系數(shù)的軸向空間分布。數(shù)的軸向空間分布。增益的軸向增益的軸向(或縱向或縱向)空間燒孔效應(yīng)空間燒孔效應(yīng)0n(a)(b)(c)LqInqI(3)(3)縱模的縱模的空間競(jìng)爭(zhēng)空間競(jìng)爭(zhēng)若一縱模的波腹與若一縱模的波腹與另一個(gè)縱模的波節(jié)另一個(gè)縱模的波節(jié)重合較好，則兩模重合較好，則兩?？煞钟每v向不同空可分用縱向不同空間的反轉(zhuǎn)粒子而同間的反轉(zhuǎn)粒子而同時(shí)振蕩。時(shí)振蕩。軸向空間燒孔的軸向空間燒孔的形成條件是：形成條件是：駐波腔

7、駐波腔( (燒孔間距在波長量級(jí)燒孔間距在波長量級(jí)) )粒子空間粒子空間轉(zhuǎn)移速度較慢轉(zhuǎn)移速度較慢(4)縱?？v模空間燒孔的消除空間燒孔的消除使激活粒子在空間迅速轉(zhuǎn)移，抹平燒孔。使激活粒子在空間迅速轉(zhuǎn)移，抹平燒孔。0n加上光隔離器形成環(huán)形行波腔，無軸向空間燒孔。加上光隔離器形成環(huán)形行波腔，無軸向空間燒孔。(5)橫向橫向空間燒孔空間燒孔橫模在橫截面內(nèi)的光強(qiáng)分布不均勻?qū)е聶M向的增益橫模在橫截面內(nèi)的光強(qiáng)分布不均勻?qū)е聶M向的增益分布不均勻而形成。分布不均勻而形成。(6)橫模的橫模的空間競(jìng)爭(zhēng)空間競(jìng)爭(zhēng)xxI00I10nTEM00TEM10n橫向橫向 燒孔尺度較大燒孔尺度較大(mm量級(jí)量級(jí)) ，粒子的遷，粒子的遷

8、 移不能消除這種不均勻移不能消除這種不均勻性。所以，性。所以， 當(dāng)激勵(lì)作當(dāng)激勵(lì)作用足夠強(qiáng)時(shí)用足夠強(qiáng)時(shí), 不同橫模不同橫?？梢钥梢?分別使用不同橫分別使用不同橫向空間的激活粒子而形向空間的激活粒子而形成成 多橫模振蕩。多橫模振蕩。0n第三節(jié)第三節(jié) 輸出功率與能量輸出功率與能量 產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)粒子數(shù)大量被消耗，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，

9、當(dāng)?shù)陀陂y值時(shí)，激光振蕩就停止。這時(shí)，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，當(dāng)超過閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。每個(gè)尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)增加高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)增加。第四節(jié)弛豫振蕩第四節(jié)弛豫振蕩問題核心：1.n的變化：泵浦使n，受激輻射即光子的產(chǎn)生使n。n的or由n和n速率決定。2.光子數(shù)密度N的變化。n在閾值之前沒有光子產(chǎn)生，在閾值之上有光子產(chǎn)生(N),否則光子被吸收(N)。弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程，

10、可以用圖5.1-2來描述。它示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n 和腔內(nèi)光子數(shù)N的變化，每個(gè)尖峰可以分為四個(gè)階段 (在在t1時(shí)刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n增長，但尚未到達(dá)閾值增長，但尚未到達(dá)閾值nth因而不能形成激光振蕩。因而不能形成激光振蕩。)圖5.1-2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化N第一階段第一階段(t1一一t2)：激光振蕩剛開始時(shí)，：激光振蕩剛開始時(shí)，n nth， N 0；由于；由于光泵作用，光泵作用， n繼續(xù)增加，與此同時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度繼續(xù)增加，與此同時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度N也開始增也開始增加，由于加，由于N的增長而使的增長而使n的速率的速率

11、泵浦使泵浦使n 的速率的速率,n總效總效開始下開始下降降，但仍然大于，但仍然大于nth ，N 繼繼續(xù)增長，而且增長非常迅速，續(xù)增長，而且增長非常迅速，n快速快速到到n=nth 時(shí)時(shí)N達(dá)達(dá)到最大值。到最大值。N 第四階段第四階段(t4一一t5)：光子數(shù)減少到一定程度，光子數(shù)減少到一定程度，N使使n的速率的速率泵浦使泵浦使n 的速率的速率,結(jié)果結(jié)果使使n nth ，增益小于，增益小于損耗，光子數(shù)密度損耗，光子數(shù)密度N并急并急劇下降。劇下降。N第五節(jié)第五節(jié) 單模激光器的線寬極限單模激光器的線寬極限理想情況：理想情況：穩(wěn)定工作時(shí)，增益正好等于總損穩(wěn)定工作時(shí)，增益正好等于總損耗，即腔內(nèi)受激輻射能量剛好補(bǔ)

12、耗，即腔內(nèi)受激輻射能量剛好補(bǔ)充損耗的能量，而且受激輻射產(chǎn)充損耗的能量，而且受激輻射產(chǎn)生的光波與原光波相同的位相，生的光波與原光波相同的位相，二者相干疊加使得腔內(nèi)振幅始終二者相干疊加使得腔內(nèi)振幅始終保持不變，因此輸出激光在理想保持不變，因此輸出激光在理想情況下為一無限長的波列，其線情況下為一無限長的波列，其線寬等于零。寬等于零。實(shí)際情況：實(shí)際情況：自然界不可能存在絕對(duì)單自然界不可能存在絕對(duì)單色光，實(shí)際單縱模激光器色光，實(shí)際單縱模激光器的線寬也不會(huì)為零的線寬也不會(huì)為零。矛盾的原因？矛盾的原因？忽略了自發(fā)輻射的存在忽略了自發(fā)輻射的存在線寬極限：線寬極限：不計(jì)其它因素，僅考慮自發(fā)輻射存在的線寬不計(jì)其它因素，僅考慮自發(fā)輻射存在的線寬gls2 Lcc1.無源腔本征縱模線寬無源腔本征縱模線寬2.有源腔縱模線寬極限有源腔縱模線寬極限Lcss2有源腔單程凈損耗3.線寬極限的產(chǎn)生