激光器的振荡模式.ppt

g0()...... 满足阈值条件满足阈值条件的几个模在振荡过的几个模在振荡过程中，由于程中，由于增益饱增益饱和效应，和效应，别的模被别的模被抑制下去，唯独剩抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率下最靠近中心频率的那个模，这种现的那个模，这种现象称之为象称之为模竞争模竞争（（mode mode competitioncompetition））1. 1. 均匀加宽激光器中的模竞争及均匀加宽激光器中的模竞争及自选模自选模作用作用稳态增益......g0()结论：结论：无论起始时满足振荡条件有多少个纵模，无论起始时满足振荡条件有多少个纵模，理想情理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模• 时，达到稳态值时，达到稳态值• 大信号增益＝阈值增益时为稳态增益大信号增益＝阈值增益时为稳态增益2. 2. 增益空间烧孔效应增益空间烧孔效应及其引起的及其引起的多模振荡多模振荡•烧孔效应）－光谱烧孔效应或频域烧孔效应烧孔效应）－光谱烧孔效应或频域烧孔效应(1)(1)轴向轴向空间烧孔效应空间烧孔效应的形成的形成q模腔内光强分布模腔内光强分布只有只有q模存在时的反模存在时的反转集居数密度的分布转集居数密度的分布腔内驻波场分布腔内驻波场分布腔内驻波场分布腔内驻波场分布 增益空间分布增益空间分布增益空间分布增益空间分布g(z) g(z) g(z) g(z) 增益空间烧孔增益空间烧孔增益空间烧孔增益空间烧孔烧孔间距在烧孔间距在波长量级波长量级q模腔内光强分布模腔内光强分布只有只有q模存在时的反模存在时的反转集居数密度的分布转集居数密度的分布q q' '模腔内光强分布模腔内光强分布不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子而同时发而同时发而同时发而同时发生振荡生振荡生振荡生振荡 －－－－纵模的空间竞争纵模的空间竞争纵模的空间竞争纵模的空间竞争空间烧孔引起的多模振荡空间烧孔引起的多模振荡q‘模模形成微弱振荡形成微弱振荡3 3 3 3 空间烧孔的形成原因空间烧孔的形成原因空间烧孔的形成原因空间烧孔的形成原因: : : :驻波腔驻波腔驻波腔驻波腔粒子空间转移速度较慢粒子空间转移速度较慢粒子空间转移速度较慢粒子空间转移速度较慢气体气体: : 无规热运动无规热运动, ,空间转移迅速空间转移迅速, ,难以形成空间烧孔难以形成空间烧孔. . 以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振 荡。

荡固体固体: 如如Cr离离子子束束缚缚在在晶晶格格结结构构上上，，转转移移l/4波波长长的的距距离离需需10-4 S;半半导导体体: 10-7 S.远远大大于于激激光光形形成成时时间间,空空间间烧烧孔孔不不能消除能消除.以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡.隔离器激光工作物质抑制空间烧孔效应抑制空间烧孔效应行波环形腔行波环形腔当激励作用足够强时当激励作用足够强时, , 不同横模可以分别使不同横模可以分别使用不同空间的激活粒用不同空间的激活粒子而形成多横模振荡子而形成多横模振荡4 4 4 4 横向空间烧孔的形成原因横向空间烧孔的形成原因横向空间烧孔的形成原因横向空间烧孔的形成原因横截面上光场分布的不均匀横截面上光场分布的不均匀反反转转粒粒子子数数密密度度的的横横向向空空间间分分布布不不均均匀匀, 横向烧孔横向烧孔二、非均匀加宽激光器的振荡模式二、非均匀加宽激光器的振荡模式1 1 1 1、、、、外激励外激励外激励外激励 g g g g0 0 0 0满足阈值条件纵模满足阈值条件纵模满足阈值条件纵模满足阈值条件纵模振荡模式数振荡模式数振荡模式数振荡模式数    只要模间隔足够大，各个纵模互不相关只要模间隔足够大，各个纵模互不相关只要模间隔足够大，各个纵模互不相关只要模间隔足够大，各个纵模互不相关2、、非均匀加宽激光器中模竞争的表现非均匀加宽激光器中模竞争的表现(1)若若纵模频率纵模频率 q-1及及 q+1称分布在中心频率称分布在中心频率  0 两侧两侧12Dn消耗相同速度消耗相同速度 vz的反转粒子数的反转粒子数Dn q-1q-1及及 q+1q+1共共用用同同一一种种表表观观中中心心频频率率的的激激活活粒粒子子，，存存在在模模竞竞争争，，输出功率有无规起伏。

输出功率有无规起伏(2)(2)相邻纵模的烧孔重叠相邻纵模的烧孔重叠烧孔宽度烧孔宽度: :纵模间隔纵模间隔:•相邻纵模因共用一相邻纵模因共用一部分激活粒子而相部分激活粒子而相互竞争均匀加宽激光器均匀加宽激光器1、、增益曲线均匀饱和引起模式竞争，导致增益曲线均匀饱和引起模式竞争，导致 理想情况下，输出应是单纵模的理想情况下，输出应是单纵模的2、增益的、增益的空间烧孔引起空间烧孔引起纵模的空间竞争导致纵模的空间竞争导致多模振荡（固体）多模振荡（固体）小结：小结：一般多纵模振荡，一般多纵模振荡，也存在模式竞争也存在模式竞争（烧孔重叠（烧孔重叠 或模的频率关于或模的频率关于 对称对称 ））非均匀加宽激光器非均匀加宽激光器输出功率和透光率关系输出功率和透光率关系透光率和透光率和2gml之间关系之间关系  0 0GGt 4P4>P3 3 2 1P1=0P2>P1P3>P2Pν0Po  0 0GGt 5'P5'> P6'  0 0GGt 4'P4‘

兰姆凹陷P  烧孔面积烧孔面积 ( 表征对激光有贡献的反转粒子数表征对激光有贡献的反转粒子数)兰姆凹陷宽度兰姆凹陷宽度  烧孔宽度烧孔宽度: :气压  碰撞加宽DL   烧孔宽度d , 深度变浅兰姆凹陷宽度兰姆凹陷宽度   烧孔宽度烧孔宽度: :3 3、多模激光器的输出功率、多模激光器的输出功率•非非均均匀匀加加宽宽: ∆νν足足够够大大, 不不发发生生烧烧孔孔相相连连时时,各各个个模模式式相相互互独独立立，，分分别别计计算算每每个个纵纵模模的的输输出出功功率率，，总总的的输输出功率是各模输出功率之和出功率是各模输出功率之和 计算公式计算公式:• 均匀加宽均匀加宽: (固态激光器）必须由多模速率方程(课本P147)求Pout ,并作简化假设(各模损耗相等, 线型函数为矩形)得出其输出功率得出其输出功率二、短脉冲激光器的输出能量二、短脉冲激光器的输出能量 (t0<< ts) 四能级系统为例思路：输出能量思路：输出能量思路：输出能量思路：输出能量 ~ ~ 受激辐射光子数受激辐射光子数受激辐射光子数受激辐射光子数 ~n~n2 2 ~ ~吸收泵浦能量吸收泵浦能量吸收泵浦能量吸收泵浦能量E0E3 E3E2 E2E1 E内 (Ei)吸收泵  激活粒子数 受激辐射粒子数  腔内激光能量浦能量 EP 输出能量 ( E )小结：均匀加宽单模激光器输出功率：均匀加宽单模激光器输出功率：T<<1输出最佳透过率输出最佳透过率光泵情况：非均匀加宽单模激光器输出功率：兰姆凹陷非均匀加宽单模激光器输出功率：兰姆凹陷短脉冲激光器的输出能量：5.4 (脉冲脉冲)激光器中的弛豫振荡激光器中的弛豫振荡荧光波形荧光波形激光波形激光波形激激光光输输出出不不是是一一个个平平滑滑的的光光脉脉冲冲，，而而是是宽宽度度只只有有微微秒秒数数量级的短脉冲序列，即所谓的量级的短脉冲序列，即所谓的“尖峰尖峰”序列序列弛豫振荡的形成定性解释弛豫振荡的形成定性解释腔内光子数密度及反转集居数密度随时间的变化腔内光子数密度及反转集居数密度随时间的变化•泵浦激励使Dn增加,受激辐射尚未建立,N几乎不变•泵浦激励使Dn增加的速率 > 受激辐射使Dn减小的速率 t1- t2 0- t1t= t2时时同时同时Dn增加的速率 = Dn减小的速率 t2- t3 •受激辐射使Nl 急剧上升• Dn达最大达最大• t3- t4 受激辐射使 Dn < Dnt , Nl急剧下降,Dn •泵浦激励使Dn增加的速率 < < 受激辐射使Dn减小的速率• t4- t5 ，受激辐射减弱• t>t5 重复上述脉冲的发展过程，在整个脉冲泵浦过程中，造成重复上述脉冲的发展过程，在整个脉冲泵浦过程中，造成输出激光的一连串尖峰结构。

输出激光的一连串尖峰结构泵浦作用尚未停止特点特点(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率加峰值功率(1)峰值功率不高，只在阈值附近峰值功率不高，只在阈值附近原因原因激光器的阈值始终保持不变激光器的阈值始终保持不变调调Q。