chap5 激光振荡特性ppt课件.ppt

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1、Review1.三能级系统单模速率方程组(以红宝石激光器为例)1331AS3132SA2121S1221WWW21EE3E2.四能级系统单模速率方程组(Nd:YAG,He-Ne激光器)2.四能级系统多模速率方程组(Nd:YAG,He-Ne激光器)增益系数小信号增益系数g0与光强无关，与Dn0成正比增益线宽～(自发辐射)荧光线宽F小信号增益曲线的形状完全取决于谱线线型函数二、增益饱和（GainSaturation）——大信号情况什么是增益饱和？增益系数随光强的增大而减小的现象增益饱和的物理起因：腔内光强增大到一定程度结论:，大信号增益系数是小信号增益的一半；n1偏离中心频率越远,饱和

2、效应越弱第五章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)连续激光器脉冲激光器短脉冲激光器长脉冲激光器三能级系统(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从泵浦→阈值附近(尚未形成自激振荡),可忽略受激辐射跃迁过程可解得当时,讨论:1.n2经历的两种变化过程0t0泵浦脉冲撤除n2n2(t0)t0tn2W13(t)w13t0t4.t0>>t2(长脉冲泵浦)激励时间足够长3.t0

3、过程中,n2(t)处于不断增长的非稳态(为什么？)2.t=t0时n2最大连续激光器——稳定工作状态(稳态)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W13(t)w130t0ttn2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

4、,脉冲激光器和连续激光器没有严格界限§5.1激光器的振荡阈值(OscillationThreshold)阈值反转粒子数密度Δnt阈值增益系数gt阈值泵浦功率Ppt（阈值泵浦能量Ept）一.阈值反转粒子数密度Dnth自激振荡条件:（1）Dn>0;（2）g>a推导Dnth的两种方法:(1)光强变化*(2)速率方程;(1)往返一周的光强变化增益介质充满腔内I0，I1r1r2(2)速率方程方法阈值——小信号情况LlhVaVR假设光束直径沿腔长均匀分布，有效截面积为AL为谐振腔光程长度修正第l个模的光子寿命第l个模的光子寿命（2.1.14）腔的时间常数不同模式(频率)具有不同的受激辐

5、射截面,Dnt值也不同阈值反转粒子数密度：n=n0时的阈值反转粒子数密度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=n0时的阈值增益系数中心频率处阈值反转粒子数最低三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率（Ppt，t0>>t2）1.四能级系统（假定泵浦均匀）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，不同之处——三能级系统中

6、，激光下能级为基态（E1）若要使Dn=1需吸收（泵浦）光子数(1/1)要使n2=n2t需吸收（泵浦）光子数(n2t/1)当单位体积吸收的泵浦光子数>(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四、短脉冲（t0<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3.Ppt,Ept与工作物质特性有关均匀加宽非均匀加宽4.应保证腔内各光学元

7、件质量,减小各种损耗优良激光工作物质－荧光线宽较小(钕玻璃&YAG比较)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闪光灯激光器激光效率§5.2激光器的振荡模式(Oscillationmode)振荡模式－满足自激振荡条件，在激光器中能形成稳定振荡输出