第4章 激光振荡及其他宏观特性PPT课件

激光器能否产生振荡，取决于增益与损耗的大小。
❖ 当一、d阈N l值 反0 转集时居：数腔密内度辐射dd场lN t 可 由n2起ff始1 2n 的1 微2弱1 v,v 的0c 自N l发L l辐N R l l
dt
射场增长为足够强的受激辐射场，这就是激光器产生振荡
的阈值条件。由此可得出激光器自激振荡的反转集居数密
21
，而
21
1 vF
（荧光谱线宽度），所以其
E
（或
pt
P pt ） vF 。
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§4.3 激光器的振荡模式
❖ 一、均匀加宽激光器中的模竞争 1、增益曲线均匀饱和引起的自选模作用 （1）结论： （2）原因: （3）说明： 不同横模间也会形成 上述竞争，由于不同 横模具有不同的值， 竞争的情况比较复杂， 但根据具体情况，也 可按上述方式进行具 体分析。
3、三能级激光器
此时有 n2t 12nntn2 ，用与上述类似的方法可以得
到其泵浦功率阈值为：
Ppt
hv p nV
2F s
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§4.2 激光器的振荡阈值
❖ 四、短脉冲（ t0 2 ）激光器的阈值泵浦能量
由于此时光泵的激励时间很短，则在激励持续时间内，E 2能级的自
发辐射和无辐射跃迁的影响皆可忽略。此时，要使 粒子，只需吸收 1 个泵浦光子。
此，单位时间内在单位体积中就必须有 n2t /2s 个粒子自 E 3
能级跃迁到 E 2 能级，这就要求在单位时间单位体积中，必
须有 n2t /Fs 个粒子自 E 0 能级跃迁到 E 3 能级，为此需吸
收的泵浦功率为：
PpthpvF nstVhFpv21 Vsl
此即为四能级激光器的阈值泵浦功率。
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❖ 二、分析方法的区别 1、在采用速率方程处理连续或长脉冲激光器时，可 有 dN /d t 0， dni /dt0 ，此时，速率微分方程组将变 成代数方程组。 2、用速率方程来处理短脉冲激光器的非稳态问题比较复 杂，一般采用数值解、小信号微扰或其他处理方法
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§4.2 激光器的振荡阈值
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§4.2 激光器的振荡阈值
❖ 五、讨论：
❖ 1、三能级系统所需的阈值能量比四能级系统大得多，因 此，属于三能级系统的红宝石激光器一般只能工作在脉冲 方式。
❖ 2、三能级系统激光器中光腔损耗的大小对阈值泵浦能量
（功率）的影响较小，因为此时 nt n ，与 基本无关。
❖ 3、由于四能级的阈值能量（功率） 1
E
2
能级增加一个
当单位体积中吸收 的1 泵浦光子数 n2t /1 时，就能产生激光，可得：
1、四能级系统的阈值泵浦能量为：
E pthpv n2 1 t Vhpv n 1tVh1pv 2 V l1
2、三能级系统的阈值泵浦能量为：
Epthpvn 2 1t Vhpv2 n1Vh2 pv n 1 V
度的阈值条件为：n0
nt
21v,v0l
由于 nt 的最小值为
nt
21l
因此，一般就用此式
统一地来表示激光器所有模式的阈值反转集居数密度。
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§4.2 激光器的振荡阈值
❖ 二、阈值增益系数
激光器自激振荡时： g0v n021v,v0gt l
式中 g t 即为阈值增益系数。 1、因不同纵模 相同，因而 g t 相同。又因不同的横模
激光原理与技术
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第四章 激光振荡特性
§4.1 脉冲与连续激光器的主要区别 §4.2 激光器的振荡阈值 §4.3 激光器的振荡模式 §4.4 输出功率及能量 §4.5 激光器的其它宏观特性 考试题
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§4.1 脉冲与连续激光器的主要区别
❖ 一、过程及状态的区别 1、短脉冲激光器，在整个工作过程中，各能级的粒子数 及腔内光子数均处于剧烈变化之中，系统处于非稳态。 2、长脉冲激光器和连续激光器一样，重新达到了一个新 的稳定状态，此时，各能级粒子数及腔内光子数均处于稳 定状态。
间的跃迁过程和几率系数，可引入如下一些物理量：
（1） 1
:定义为
1
S32 （三能级），或 S32 A31
1
S32 S32 A30
（四能级），其物理意义是：泵浦能级向激光上能级无辐射跃迁的量子
效率。
（2） 2
:定义为
2
A21 A21 S21
，其物理意义是：激光上
能级向激光下能级自发辐射跃迁的荧光量子效率。
（3） F :定义为 F 12 ，称为激光系统的总量子效率.
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§4.2 激光器的振荡阈值
2、四能级激光器
此时有
nn2，则
E 2 上的集居数密度阈值为 n2t
nt
21l
要使激光上能级的粒子数稳定于 n 2 t ，由于在单位时间内在
单位体积中有 n2t /2s 个粒子自 E 2 能级跃迁到 E 1 能级，因
不同，因此 g t 不同，高次横模的阈值比基模大。
2、由激光器工作物质的小信号增益曲线和不同模式的阈值 增益系数，可以判断激光器的起振模谱，如图所示:
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§4.2 激光器的振荡阈值
❖
三、连续或长脉冲（
t
0
）激光器的阈值泵浦功率
2
1、概述
根据四能级和三能级激光系统的能级结构图，以及粒子数在这些能级
同时产生振荡 。
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§4.3 激光器的振荡模式
❖ 二、非均匀加宽激光器的多纵模振荡 1、结论：在非 均匀加宽的激光 器中，一般都是 多纵模振荡，并 且激发越强，振 荡模式越多。 2、原因： 烧孔效应。 3、说明： 在非均匀加宽激 光器中也存在模 竞争现象
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§4.3 激光器的振荡模式
2、空间烧孔引起多模振荡 （1）结论： 根据上述分析，均匀加宽稳 态激光器应为单纵模输出。 但实际上，当激发较强时， 往往出现多纵模振荡，并且， 激发越强，振荡模式越多。 （2）原因：增益的轴向空 间烧孔效应，不同纵模可以 使用不同空间的激活粒子而
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§4.4 输出功率及能量
❖ 一、连续或长脉冲激光器的输出功率
1、腔内稳定光强的建立过程
开达g始到v时q了,I，稳vq 只定要状gt态g 。lvq时,Iv，q 光g强t 不，再光增腔加不，断这增时加腔。内直光到强就