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1、第四章连续激光器的稳态工作特性§1激光形成的条件一、阈值条件1、阈值增益系数证为使,必须有2、阈值反转粒子数证(1)三能级n1+n2=nn2-n1=n(2)四能级n3=nn3t=nt二、起振模式数1、激发参量2、振荡线宽(1)定义小信号增益曲线中大于Gt部分的线宽3、阈值上能级粒子数0GmG0()TGt证②非均匀加宽证(2)大小①均匀加宽3、起振模式数[x]:取整函数:本征纵模频率间隔0GmG0()TGt三能级激光介质总粒子数密度为n=51013m-1,发射截面为S=
2、2.510－14m2，介质长l＝20cm,单程损耗率δ=0.01．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例1解激光器腔内总损耗系数等于激活介质的峰值增益系数的1/4，分别按均匀加宽和非均匀加宽计算振荡线宽(荧光线宽F=150MHz)例2解均匀加宽：非均匀加宽：He-Ne激光器放电管及腔长都为L=1.6m,直径为d=2mm,两反射镜透射率分别为0和T=0.02,其它损耗的单程损耗率为δ=0.5%,萤光线宽ΔF=1500MHz,其峰值小信号增益系数Gm=3×10-4/d1/
3、mm。求①激发参量②可起振的纵模个数Δq例3解δ=0.01+0.005=0.015§2模式竞争一、基本概念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二、特点1、均匀加宽所有模式间有竞争,靠近中心频率处的模式取胜0Gt0Gt0Gt0Gt0Gt0Gt0Gt0Gt0Gt2、非均匀加宽(2)关于中心频率对称的两模式间有竞争,随机取胜(1)烧孔不重叠的模式之间无竞争,造成多纵模输出三、跳模现象1、现象均匀加宽激光器点燃时,输出激光的频率在中心频率附近产生
4、周期性变化t2、解释(1)温度升高→腔长变大→光频向低频漂移(2)由于模式竞争,光频漂移到处被模代替3、规律(2)腔长每伸长,产生一次跳变证(1)输出光频在至范围内变化0000000000000000000§3输出功率1、均匀加宽激光器一、腔内稳定光强(=0)证稳定时2、非均匀加宽激光器证稳定时二、输出功率S:激光介质横截面积,T:输出镜透过率I=I++I-I+I-T证三、均匀加宽激光器的最佳透射率与最大输出功率(
5、=0)a:除输出损耗外的其它往返损耗率四、兰姆凹陷1、现象非均匀加宽气体激光器的输出功率,在中心频率0处出现下降0P2、原因0处两烧孔重合造成输出功率的下降3、规律(1)气压越高,凹陷越浅(气压高,加大L,向均匀加宽转化(2)激发越强,凹陷越深(激发强,烧孔面积大)0GGt0GGt0GGt0GGt0GGt0GGt0GGt0GGt0GGt0GGt0GGtCO2激光器谐振腔长L＝0.8m，放电管直径d=20mm,输出镜透射率为T=0.04,其
6、他往返损耗率a=0.04,求①腔内稳定光强②输出功率③最佳输出功率(设只有0一个模式,所须经验公式:Gm=1.4×10-2/d1/mm,Is=72/d2w/mm2)例1解δ=0.02+0.02=0.04He-Ne激光器的谐振腔长L=1.5m,截面积S=1mm2,输出镜透过率为T＝0.02,激活介质的多普勒线宽为D＝1000MHz,饱和参数为Is=10w/mm2,现将此激光器激活，激发参数=4,求总输出功率(所有模式都按中心频率计算)例2解例3解非均匀加宽气体激光器中,已知Gm=10-41
7、/mm,总单程损耗率δ=0.02,腔长L=0.5m,入射强光频率为,且光强达到稳定,求该光在增益曲线上所烧孔的深度G§4线宽极限一、无源腔本征纵模线宽(L=l)二、有源腔纵模线宽极限1、计算方法s=-GL:有源腔单程净损耗率2、产生线宽极限的机理输出激光中有自发辐射的贡献证3、分配给每个激光模式的自发辐射几率V=SL:激光腔体积4、光子数速率方程(1)不考虑自发辐射的影响a)b)令证5、有源腔单程净损耗率6、线宽极限(=0,n=n3)(2)考虑自发辐射的影响或光在单程时间内自发辐射到
8、激光模式中的光子数与模式总光子数之比(2)表达式令(3)表达式(1)表达式某激光器中心频率为0=51014Hz，谐振腔长L＝0.8m，单程损耗率=0.04,中心频率模式的输出功率为P=0.05w,求此模式的线宽极限。例1解FH=N+Li=D(:光源频谱线宽)T:振荡线宽c:无源腔本征纵模线宽s:有源腔线宽极限q:本征纵模频率间隔F:荧光线宽H:均匀线宽i:非均匀线宽N:自然线宽L:碰撞线宽D:多普勒线宽三、线宽小结0G
