第4章激光器的工作特性

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1、第四章激光器的工作特性本章将在速率方程理论的基础上分析激光器的工作特性引言激光器分类(工作方式－按泵浦方式分类)1.连续激光器－稳定工作状态(稳态)在泵浦时间内,各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。速率方程代数方程2.脉冲激光器－非稳定工作状态(非稳态)泵浦持续时间短,各能级粒子数及腔内光子数密度处于剧烈的变化之中。根据泵浦持续时间t0及激光上能级寿命t2对脉冲激光器细分短脉冲激光器(t0>t2)泵浦作用时间较长，趋近稳态连续激光器可按稳态处理理论上说,脉冲激光器和连续激光器没有严

2、格界限三能级系统(红宝石)的泵浦激励W13(t)w130t0t矩形脉冲激励w13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E3泵浦效率荧光效率W13(t)w130t0t若尚未形成自激振荡或在阈值附近,可忽略受激辐射跃迁过程可解得当时,讨论:1.经历两种变化过程0t0泵浦脉冲撤除n22.t=t0时n2最大n2(t0)t04.t0>>t2(长脉冲泵浦)激励时间足够长n2完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理;n1也达到稳定值3.t0

3、可忽略？）§4.1激光器的振荡阈值条件(OscillationThreshold)一.阈值反转粒子数密度Dnth(阈值条件)自激振荡条件:（1）Dn>0;（2）g>a推导Dnth公式的两种方法:(1)增益(光强)变化*(2)速率方程;(1)增益(光强)变化前提：增益介质充满腔内(2)速率方程:－小信号情况时的Dn=DnthLlhVaVR设腔内A处处相等修正=＝不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同阈值反转粒子数密度－即n=n0时的反转粒子数密度中心频率处阈值反转粒子数最低阈值增益系数唯一地由单程损耗决定，当腔内损耗一定时，阈值增益系数为一常数二、阈值增益系数gt即n=

4、n0时的阈值增益系数均匀加宽非均匀加宽*讨论：不同模式(n)s21(n,n0)不同Dnt不同，即Dnt(n)不同纵模具有相同的阈值增益gt不同横模的衍射损耗不同,gt不同高阶横模的阈值增益大于基模，即三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率（Pptt0>>t2）1.四能级系统（假定泵浦均匀）（中心频率处）当时，（作为稳态处理）w03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10单位时间，单位体积内，E2E1跃迁的粒子数或要维持需要E3E2粒子的跃迁补充或同样多的粒子数通过泵浦（吸收）E0E3或－泵浦光子能量－总量子效率2.三能级系统分析方法与四能级系统类似，不

5、同之处－激光下能级为基态设总粒子数密度为n,E2能级阈值粒子数密度为n2t四、短脉冲（t0<(n2t/1)就能产生激光短脉冲激光器长脉冲或连续激光器四能级三能级当t0~t(界于长脉冲与短脉冲之间)A21&S21的影响不能忽略，无法得到Ept解析表达式，t0给定，可数值求解讨论:1.四能级系统激光器阈值低于三能级系统四能级n10,只需抽运Dnt粒子就可使G>

6、a形成振荡三能级n1为基态,至少要抽运n/2粒子,且n/2>>Dnt2.泵浦效率的提高:采用半导体激光器泵浦3.Ppt,Ept与工作物质特性有关均匀加宽非均匀加宽荧光线宽小的介质是好的激光工作物质(钕玻璃&YAG比较)4.应保证腔内各光学元件质量,减小各种损耗半导体激光器Ith注入电流气体激光器放电电流固体激光器光泵5.Ppt和Ept的实际含义推导得出的Ppt或Ept－有效泵浦功率或泵浦能量实际激光器Ppt或Ept为输入泵浦光源的电功率固体激光器为例电源电容脉冲氙灯工作物质充电放电发光部分吸收+－电源§4.2激光振荡模式(oscillationmode)即激光输出模式要求了解和掌握：

7、什么是激光振荡模式？激光输出模式由哪些因素决定的？增益饱和在激光振荡中所起的作用(均匀和非均匀加宽)？什么是模竞争？空间烧孔效应的产生及对模式的影响？如何获得基(横)模TEM00振荡？如何获得单纵模（单频）振荡？从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式稳态增益结论：一般在理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模，该模频率总是在增益曲线中心频率附近。由于模竞争其它纵模被抑制而熄灭。......g0(n)通过饱和效应，某一个模逐渐把别的模的振荡抑制下去