激光技术基础-第九讲

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1、第九讲弛豫振荡的定性解释反转粒子数、光子数的瞬态变化尖峰振荡过程的理论处理数值解法；一级微扰近似解研究弛豫振荡的实际意义单模激光器的线宽由那些因素决定无源腔线宽有源腔线宽单模激光器的线宽极限自发辐射对单模输出线宽的影响单模激光器输出线宽极限的估算频率牵引§5.4脉冲激光器中的弛豫振荡(Relaxingoscillation,dampedoscillation)连续激光器－稳态速率方程－阈值条件、输出功率脉冲激光器－瞬态速率方程（难以获得解析解）一、尖峰脉冲形成的物理过程（Dn&Nl的瞬态变化）泵浦激励使Dn增加的速率>受激辐射使

2、Dn减小的速率泵浦使Dn增加，受激辐射可忽略受激辐射使Dn

3、呈现十分大的起伏或间歇振荡例:四能级激光器,单模n=n0,假设瞬态光子数和反转粒子数分别围绕相应的稳态值附近微小起伏变化N0,(Dn)0为稳态解均为小量设(1)求稳态值N0,Dn0（）=g=a=b(2)求含一级微扰的方程近似解（5.4.8）(5.4.7)(5.4.7),(5.4.8)再次求导后代入(5.4.7),(5.4.8)t>0Dn’(t),DN’(t)均呈现阻尼振荡形式，并有相同阻尼周期衰减系数阻尼振荡频率(5.4.6)代入t=0Dn=Dnt的时刻W03j,w多模:各模式振幅,j,w均不同,无规叠加,强度无规起伏在

4、实际固体激光器振荡过程中，并非象微扰理论假设的那样。三、研究弛豫振荡的意义1.普遍意义:(a)激光振荡的建立都存在由非稳态向稳态过渡的弛豫过程。弛豫振荡反映了激光振荡过程的不稳定，具有普遍性。(b)即使连续激光器(稳态已建立)也难免有各种起伏和涨落即存在弛豫振荡,引起激光输出的不稳定－噪声•“预热”时间•激励突变，损耗突变会引起振荡不稳定时稳态注入调制电流有源层载流子密度有源层光子数密度稳态2.半导体激光器的直接调制（小信号调制）(P.321)(10.5.15)(10.5.16)PJ光通信系统中采用LD直接调制调制带宽受限于LD

5、的弛豫振荡频率有源区载流子寿命光腔内光子寿命受激辐射因子忽略2的高频项，可解得其中(10.5.21)(10.5.22)反映LD的调制特性在低频端响应平坦;W=WR处有最大值WR为弛豫振荡频率提高调制带宽的途径（思考？）3.利用弛豫振荡特性通过微波大信号(阶跃)调制获得超短脉冲－增益开关DFB激光器(Gain-switchedDFBlaser)工作原理：W03j,w在DFB激光器上施加调制信号，在大功率微波信号的调制作用下，将产生弛豫振荡，选择合适参数使弛豫振荡的第一个脉冲足够强,便可产生几十皮秒(ps)的超短光脉

6、冲主门电路计数器距离显示晶体振荡器脉冲信号输入30MHz－5m75MHz－2m150MHz－1m（~6.67ns)4.弛豫振荡使激光能量分散在多个尖峰脉冲上，峰值功率低时间特性差，为获得单个巨脉冲，必须抑制弛豫振荡。脉冲峰值功率较低－几十kw量级,影响测距距离时间特性差：多脉冲输出影响测距精度获得巨脉冲方法：调Q、锁模（详见第七章）激光测距仪激光雷达§5.5单模激光器的线宽极限单色性～时间相干性一、无源腔线宽－谐振腔模本征线宽～光子寿命无源腔(g＝0－吸收与发射的光子数相等)光在无源腔中的传播时的光强变化举例：He-Ne激光器L

7、=30cm，r1＝1，r2＝0.98受激辐射自发辐射＋＝损耗相干非相干由于自发辐射存在，有源腔的净损耗不为0。自发辐射为非相干光，随机相位，导致相干辐射的激光为略有衰减的有限波列。有源腔的线宽决定于净损耗二、有源腔（激光腔）线宽（g>0)仅从光子寿命出发来讨论？由于振荡过程中始终存在自发辐射，激光线宽不可能为0有源腔线宽小于无源腔线宽稳定振荡2.求al,Nl有源腔净损耗不为0，这部分损耗是由自发辐射补偿的三、Dns的估算(四能级，单模，L＝l）－分配该模式中的自发辐射几率=1.求ds代入举例：He-Ne632.8nmL=30

8、cmT=0.02,P0=1mwDnc=1.6×106HzDns=6×10-3Hzn2t/Dn2t=1Nl,al代入(5-5-8)(5-5-3)3.单模激光器的（理论）线宽极限四、实际激光器输出激光的线宽远远超出极限线宽许多量级原因：温度及其它因素引起的频率漂移氦