激光器工作原理.ppt

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1、第四章 激光器工作原理第四章 激光器工作原理引 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 0130131300tttWttWtWw13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E332313231SASS2121AS,1332WS332113332311n SnWnSA03n3232121202111222313231313,SnASnNnffndtdnASnWndtdnlv123nnnn3132321ASS泵浦效率荧光效率2121212SAAW13(t)w130t0

2、t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, 00tt tWAeWAnWtn13122111312211312讨论: 1.n2 经历的两种变化过程 0tt0 泵浦脉冲撤除 n2 2121222122130SAnAndtdnW22121132221211312AnWnnAnWndtdnn2(t0)t0tn2W13(t)w13t0t4.t0 t2 (长脉冲泵浦) 激励时间足够长 1312211312WAnWtn 1321212121WAnAtnntn3. t0 t2 短脉冲泵浦,时间极短,忽略SP21321dnWnndt tWntn1312exp1光泵作用过程中,

3、 n2(t) 处于不断增长的非稳态(为什么？)2. t=t0 时 n2 最大 11320211132W nntAW 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0; 0dtdNdtdnln2 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(t0t2) 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,脉冲激光器和连

4、续激光器没有严格界限阈值反转粒子数密度 阈值增益系数阈值泵浦功率（阈值泵浦能量）4.1 激光产生的阈值条件一. 阈值反转粒子数密度 Dnth 自激振荡条件: （1） Dn 0; （2） G a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 0)(20211)(2)(01000IeIrrrereIIlglglgaaa21ln21rrlgtha021,ththgnDissdTaaaaaa21a10221lgerrala0)(2010IeIIlgthgl增益介质充满腔内增

5、益介质充满腔内I0，I1r1r2thgalnth021,D4.1 激光产生的阈值条件n激光产生的阈值条件：增益系数大于阈值增益n根据速率方程推导阈值增益系数221112llRldNNnWnWdttNlNlLlRlllllllLANAlNAlNcnggndtlLANAlNdt)(),()(0211122光子寿命：cLclLlRlt)(单程总损耗C 光速界面处流入和流出的光子数相等cANcANllllNN ),(0211122LcLNlNcnggnLdtdNlllRlllllllLANAlNAlNcnggndtlLANAlNdt)(),()(0211122),(0211122LcNLlcNnggn

6、dtdNlll光子数密度速率方程阈值时 0dtdNllnt),(021D阈值粒子数反转密度 不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同020221021,8,gvA021,ngDlnggttD210 激光器阈值反转粒子数密度 0时的阈值反转粒子数密度lnt2100D 中心频率处阈值反转粒子数最低阈值增益系数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lnnt021000,DDlnntt210DD二、阈值增益系数二、阈值增益系数 gt 即0时的阈值增益系数210ttnlggDHtAvlnDD202212214DtAvlnDD20232122142ln均匀加

7、宽非均匀加宽* * 讨论讨论 不同模式() 21(,0)不同 Dnt不同，即 Dnt() 不同纵模具有相同的阈值增益gt 不同横模的衍射损耗不同,gt 不同高阶横模的阈值增益大于基模，即0001ttgg三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 （Ppt ， t0t2）1. 四能级系统 （假定泵浦均匀）211000nnnSDlnntt212Dw03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10 单位时间单位体积内， E2E1 跃迁的粒子数 或22ttn22tstn要维持tnn22 需要 E3E2 粒子的跃迁补充22tsn同样多的粒子数 通过

8、泵浦（吸收）E0E3 122ttn212tstn或22121212sAAStt3132321ASS21221ptptpPtsFsFshn VhnVhVPl t t tDph泵浦光子能量21F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，激光下能级为基态（E1）22ttnnnDnntD22nntsFpptnVhPt22112nnnnnn D 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12VnhEtppt12nVhEppt短脉冲激光器短

9、脉冲激光器长脉冲或连续激光器长脉冲或连续激光器stpptVnhPt21DspptnVhPt212四能级三能级四、短脉冲（t0a 形成振荡 三能级 n1为基态, 至少要抽运 n/2 粒子, 且 n/2 Dnt 2. 泵浦效率 的提高13. Ppt, Ept 与工作物质特性有关FsFtD,21ptptsFEP ,21tHAvD202212214DAvD20232122142ln均匀加宽均匀加宽非均匀加宽非均匀加宽DptptFEP ,214. Dtn应保证腔内各光学元件质量, 减小各种损耗ptptEP ,激激光光器器种种类类红红宝宝石石钕钕玻玻璃璃N Nd d: :Y YA AG GH He e-

10、-N Ne eD D F (Hz)3.31011710121.9510111.5109t ts (S)310371042.31047109D Dnt (cm-3)8.710171.410181.81016109n2t(cm-3)9.510181.410181.81016 F0.70.41Ept/ V (J/cm3)50.954.9103Ppt/ V (W/cm3)1600140021优良激光工作物质荧光线宽较小 (钕玻璃&YAG比较)作业：P100 T1,2,3中心频率处的阈值粒子数反转称为激光器的阈值粒子数反转激光器的阈值粒子数反转lnt21D均匀加宽：HAD2022124非均匀加宽：DAD

11、202/321242ln增益系数),(021nGD阈值增益系数lGt激光阈值条件泵浦功率的阈值1、四能级系统lnntt212D单位时间内跃迁的粒子数密度Stnt22光泵浦中的泵浦光光子数密度：Stnt212泵浦光功率：lVhvVnhvPSFpStpOP2121ttD2、三能级系统22nnt泵浦功率SFpptnVhvPt23、脉冲激光器（泵浦脉冲远小于能级寿命）达到Dnt的所需的泵浦光子数1tnD泵浦光的脉冲能量为lVhvVnhvEptppt2111D三能级：12nVhvEppt三能级泵浦阈值功率较大，而四能级系统的阈值泵浦功率较小泵浦阈值功率和受激辐射截面呈反比，和光谱线宽成正比，因此DF越小

12、，泵浦阈值功率越小一般固体激光器的阈值指的是实现阈值粒子数反转所需的泵浦能量几点结论：激光器的振荡模式 均匀加宽激光器的模竞争及自选模作用 空间烧孔引起的多模振荡 非均匀加宽激光器的多纵模振荡 连续或长脉冲激光器输出光功率与能量 均匀加宽单模激光器 非均匀加宽单模激光器 兰姆凹陷 多模激光器4.2 连续激光器的工作特性 振荡模式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的模式 第二章 从谐振腔(类型、结构）出发讨论腔内可能存在的各种场分布及谐振频率 模式 本节 以激光工作物质的增益特性为基础，从增增益饱和益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式一、均匀加宽激光器的振荡模式 1. 均匀加

13、宽激光器中的模竞争及自选模自选模作用 123,.2cqL 21ln21rrlgtha0thggthgg0123.2 满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（mode competition）稳态增益.g0thg123增益曲线增益曲线 1 2 3 g( ) g(1) I1 g(2) I2 g(3) I3 红红 gth gth gth 蓝蓝 gth gth = gth 绿绿 = gth gth gth 0 棕棕 gth 0 = gth gt饱和（稳态光强）不变4.3 连续激光器的输出功率和最佳透过率121lgTAI

14、Pms1. 均匀加宽激光器( =0 )IIIIIIT2, 1假设tsmHglIIgIg21,121lgIIms 如何求腔内 I II ,同时参与饱和I+I-T1=0T1=T12lPI TAN h vAT Hthgga时腔内的光强1221TalgTAIPms 气体激光器1aT1 2 T+a(4.14)a往返指数净损耗指数净损耗因子A光束有效截面积TTa激光耦合输出(4.15)讨论 1. 输出功率激励功率 ( Pp P) 固体激光器 (光泵)lgPPggmPtPtmsFtpptttsFppmVnhPngVnhPngttDDDD210210lShPVhPnpptppttt112D当 ,P随Pp线性增

15、加,光泵浦激光器输出功率由超出Ppt的泵浦功率转换得到PtpPPppptPPstt2221F1100ptpptpPPPSAD12112120ptptmsPPTAlnhlgTAIPt212210ttsnl,hID(4.17)其中 气体激光器 ( 放电激励，最佳放电电流 ) 上能级下能级jnjmPjHe - Ne 最佳放电条件下gm经验公式dlgm2104.1 半导体激光器 (Semiconductor laser or laser diode)i -载流子复合辐射几率； D- LD效率rLreVJJJPPPrLrPeJJPithinoutDoutith1ln1ln1ln1lnaa(10-5-10

16、)(10-5-12)JVPinPIIthP.320Fig. 4.8Fig. 4.7讨论2 最佳透过率的实验测定及计算IgPTtoutmT1221TalgTAIPmssmsAITaalgAIdTdP212取微分0dTdPlagTam22alagTmm22221algAIPmsmTm确定: 实验 Pp一定, 改变T 测 Pout 计算0dPdTFig. 5.3.3Fig. 5.3.2讨论2 最佳透过率的实验测定及计算IgPTtoutmT1221TalgTAIPmssmsAITaalgAIdTdP212取微分0dTdPlagTam22alagTmm22221algAIPmsmTm确定: 实验 Pp一定, 改变T 测 Pout 计算0dPdTIhWstt02121321212132131/ 1ttWWngm三能级三能级Dnn WW013213211ttt221211AS221221130112141ttlnnlWAThP2131tw00Dn才能使2210thIs21203tnWgm221030121tlnWTAhP(W03 , n , l ,21 , t2) P四能级四能级121lgTAIPm