3[1].5激光器的输出功率.ppt

* * * 成都信息工程学院光电技术系 钟先琼 成都信息工程学院光电技术系 钟先琼 3.5. 激光器的输出功率 连续或长脉冲激光器 找输出功率 短脉冲激光器 找输出能量 连续或长脉冲激光器 一、腔内光强分布的特点及理由 特点：腔内光强分布是不均匀的。 理由：激活介质的光放大作用、腔内损耗系数的不均匀分布、驻波效应、光场的横向高斯分布等。 处理方法：通过讨论稳态情况下的平均光强 来 估算激光器输出功率。 二、腔内光强达到稳态的过程 外界激发很弱时 激光器无输出 增强外界激发 当 时， 稳态建立 3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率 在驻波型激光器中,稳定工作时，腔内存在着沿腔轴方向传播的光I+和反方向传播的光I-.若谐振腔由一面全反射镜和一面透射率为t的输出反射镜组成时,腔内光强如图3-11所示. 图(3-11) 谐振腔内光强 一. 稳定出光时激光器内诸参数的表达式 (1) 腔内最小的光强 (2) 腔内最大光强 (3) 输出光强: (4) 镜面损耗： 剩余部分： (5) 最大最小光强、输出光强和 镜面损耗之间关系 由能量守恒定律可得： (6) 平均行波光强 对于腔内任何一处z都有两束传播方向相反的行波I+(z)和 I -(2L-z)引起粒子数反转分布值发生饱和，增益系数也发生饱和，近似用平均光强2I代替腔内光强 I+(z)+ I -(2L-z)，用 作为腔内的平均增益系数， 则腔内的平均行波光强为： 图(3-11) 谐振腔内光强 二. 激光器的输出功率 对M1有： 激光器的总损耗为： 如果 很小，将 用级数展开取一级近似，可得： 理想的情况 ， 将全反射镜M2上的镜面损耗都折 合到M1上，对M2有： 图(3-11) 谐振腔内光强 则激光器内行波的平均光强I可以化为： 激光器输出光强也可以表示为： 若激光器的平均截面为A，则其输出功率为： 图(3-11) 谐振腔内光强 三. 输出功率与诸参量之间的关系 (1) P与Is的关系: 两者成正比 (2) P与A的关系: A越大，P越大；而高阶横模的光束截面要比基横的大 (3) P与t1的关系: 实际中总是希望输出功率大镜面损耗小，即希望 这要求t1大，a1小，使t1a1，但 t1过大又使增益系数的阈值G阈升高，而如果介质的双程增益系数2LG0不够大将会导致腔内光强减小，使输出功率降低。严重时使腔内不能形成激光。 t1过小，虽然使G阈降低光强增强，但镜面损耗a1I-(2L)也将增大。 解以上方程得最加透射率： 为了使激光器有最大的输出功率，必须使部分反射镜的透射率取最佳值： P t1 0 0.25 0.5 0.75 1 图中画出往返损耗率a取不同数值, 时的输出功率与透射率t1的关系曲线. t1 0.1 0.3 0.4 0.2 0 2 4 6 8 10 图中画出往返损耗率a取不同数值时的输出镜的最佳透射率t1与 的关系曲线. 将 代人 此时，输出镜具有最佳透射率时激光器得输出功率为： 3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率 一. 稳定出光时激光器内诸参数的表达式 (1) 腔内最大光强 (2) 输出光强 (3) 镜面损耗 (4) 最小光强： 图3-12 非均匀增宽激光器腔内的光强 和均匀加宽激光器不同的是,当振荡模频率vq≠v0 时,I+和I-两束光在增益曲线上分别烧两个孔。对每一个孔起饱和作用的分别是I+或I-,而不是两者的和。 二、非均匀加宽单模激光器的输出功率 (5) 非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变 1.当 ,光束 与 将在增益曲线上分别产生两个烧孔，每个光强只对其中一个烧孔起饱和作用; 腔内不同地点的光强不同，取I作为平均光强，当增益不太大时I=I+=I -，则介质对 光波的平均增益系数为： 2.当 ，光束 与 将 在增益曲线中心处产生一个烧孔， 此时： 图3-13 非均匀增宽激光器的“烧孔效应” 若用平均光强2I来替 则光波在腔中的平均增益系数可表示为： 若腔内各频率的光强都等于Is，则 以及 附近的 光波所获得的增益系数分别为： 若增益系数的阈值都相等，则 和 附近频率为 光波的平均光强分别为下值，且前者比后者要弱： 三、 激光器的输出功率 若腔内只允许一个谐振频率，且 ，激光器在理想的情况下，仍有： (1) 单频激光器的输出功率 此时腔内的平均光强为： 激光器的输出光强为： 若 光束的截面为A，则激光器的输出功率为： 激光器输出光强