激光原理复习总结

横向 烧孔尺度较大 (mm量级) ，粒子的迁 移不能消除这种不均匀 性。所以， 当激励作 用足够强时, 不同横模 可以 分别使用不同横
向空间的激活粒子而形 成 多横模振荡。
n n
TEM00 x
I10
TEM10 x
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第三节 输出功率与能量
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第四节弛豫振荡
产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上 能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光 子数密度增加，而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大 量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停 止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，
居数从而增益系数在 波腹处最小，在波节
n
L (a)
n0
处最大，形成增益系
(b)
数的轴向空间分布。
—增益的轴向(或纵向)空间烧孔效应
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(3)纵模的空间竞争 Iq
若一纵模的波腹与 另一个纵模的波节 n 重合较好，则两模 可分用纵向不同空 间的反转粒子而同 Iq ' 时振荡。
L
n0
(a)
(b)
轴向空间烧孔的
如图，开始时： g 0 gt
g 0
Iq , Iq1 , Iq1
1
由于饱和效应，增 益曲线下降。
当降到曲线1时： g q1 gt
2
gth
3
Iq+1停止上升，而Iq-1和 Iq继续上升，增益曲线
继续下降，使 g q1 gt
Iq+1迅速减小并熄灭。
当降到曲线2时： g q1 gt
弛豫振荡产生的物理过程，可以用图5.1-2来描述。它示出了在弛 豫振荡过程中粒子反转数△n 和腔内光子数N的变化，每个尖峰可 以分为四个阶段 (在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数△n 增长，但尚未到达阈值△nth因而不能形成激光振荡。)
N
图5.1-2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化 11/18
参考答案：① 满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一。
② 频率落入工作物质的谱线线型范围 ΔνF 内。 ③ 小信号增益系数大于阈值增益系数。
一、均匀加宽激光器的模竞争 1、增益曲线均匀饱和引起的纵模自选模作用 (1) 参与竞争的模：q1、q、q1 ，都落入 F 内
各自都有： g0 gt
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(2) 竞争或自选模过程
2、空间烧孔引起的多纵模振荡 (1) 激光强时，均匀加宽激光器为多纵模振荡，激发越 强，达到阈值从而参与竞争而振荡的纵模数越多。
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理由：腔内驻波场分布要引起增益空间烧孔效应。
(2)增益的轴向(或纵向)空间烧孔效应
由于腔内的驻波场分
布，波腹处光强大， 波节处光强小，由于 Iq
饱和效应，则反转集
大值，此后，N仍然增加，
△n↓的速率进一步增加，光
子产生使△n↓的速率>泵浦使
△n ↑的速率,△n总效开始下
降，但仍然大于△nth ，N 继 续增长，而且增长非常迅速，
△n快速↓到△n=△nth 时N达
到最大值。
腔内光子数和粒子反转数随时间的变化
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N 第三阶段(t3一t4)： N达到最大后，此时N比 较大，它使△n↓的速率> 泵浦使△n ↑的速率,结果 使△n ＜ △nth ，增益小于 损耗，光子数密度N↓并急 剧下降。
隔越小.
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第五节 单模激光器的线宽极限
q1 0 q
q 1
Iq-1停止上升，而Iq继
续上升，增益曲线继续下降，使 g q1 gt ，Iq-1 熄灭。
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当降到曲线3时： g q gt Iq停止上升，
由于没有其他的纵模使增益曲线下降,则激光器 就稳定在 Iq 上, 从而输出单纵模激光。 结论：理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出 应是单纵模，其频率在增益曲线中心频率附近， 其它纵模被抑制而熄灭。在模的竞争过程中，频 率越远离中心频率的光越先熄灭。
gt
nt 21,0
l
2、振荡条件：
g0
gt
l
nth
21,0 l
不同纵模具有相同的损耗 ，因而具有相同 gt 。
不向的横模具有不同的损耗 ，因而有不同 gt ，
高次横模的 gt 比基模的大。
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第二节 激光器的振荡模式
试说明某个频率的光最终要成为激光的纵模输出， 它必须突破几个关口。
第四阶段(t4一t5)：
光子数减少到一定程度，N使△n↓的速率<泵浦使△n ↑的速率,泵浦
又起主要作用，于是△n又开始回升，到t5时刻△n又达到阈值△nth ， 于是又开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间
要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系
列尖峰脉冲。泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间
当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直 到泵浦停止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此 脉冲的峰值功率Baidu Nhomakorabea平较低。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提 高，而只会使小尖峰的个数增加。
问题核心： 1.△n的变化：泵浦使△n↑，受激辐射即光子的产生使 △n↓。△n的↑or↓由△n↑和△n↓速率决定。 2.光子数密度N的变化。△n在阈值之前没有光子产生， 在阈值之上有光子产生(N↑),否则光子被吸收(N↓)。 10/18
第一节 激光器的振荡阈值
一、阈值种类 ①阈值反转集居数密度
②阈值增益系数
③连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 ④短脉冲激光器的阈值泵浦能量 二、阈值反转集居数密度
1、阈值反转集居数密度 l ：工作物质的长度
nth
21,0 l
2、振荡条件：
n0
nth
21,0 l
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三、阈值增益系数
1、阈值增益系数：
第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，△n＝ △nth， N ＝0；由于 光泵作用， △n继续增加，与此同时，腔内光子数密度N也开始增
加，由于N的增长而使△n↓的速率<泵浦使△n ↑的速率，因此△n一
直增加。 N
第二阶段(t2一t3) ： 由于N的 不断↑使△n↓的速率不断增加
到=泵浦使△n ↑的速率时达最
(c)
形成条件是： ①驻波腔(烧孔间距在波长量级)
②粒子空间转移速度较慢
(4)纵模空间烧孔的消除
①使激活粒子在空间迅速转移，抹平烧孔。
②加上光隔离器形成环形行波腔，无轴向空间烧孔。 7/18
(5)横向空间烧孔
横模在横截面内的光强分布不均匀导致横向的增益 分布不均匀而形成。
(6)横模的空间竞争
I00 n0