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第 5 章 激光器的振荡特性 激光器泵浦方式 连续激光器 脉冲激光器 连续激光器 长脉冲激光器 E2能级寿命 脉冲持续时间 6.1 连续与脉冲工作方式(Continuous Wave laserand Pulsed Laser) 红宝石（三能级）激光器为例：矩形脉冲激励光照射红宝石(t0τ2)，其激励几率： ：激光上能级粒子数随t增长； ：n2达最大值 : 随时间t指数下降 6.1.1 短脉冲运转 6.1.1 短脉冲运转 由于脉冲泵浦持续时间短，在尚未达到新的平衡前，过程就结束了，所以整个工作过程，各能级粒子数及腔内光子数处于剧烈变化中，系统处于非稳定态。 t0 短脉冲: 6.1.2 长脉冲和连续运转 在t还未到达t0时，n2(t)已完成增长过程而达到稳定值，故连续激光器、长脉冲激光器：工作过程，各能级粒子数及腔内辐射处于稳定状态。 稳定时各能级粒子数与产生的光子数不变，动态平衡。 连续激光器与脉冲激光器 1. 连续激光器、长脉冲激光器：工作过程，各能级粒子数及腔内辐射处于稳定状态。 2. 脉冲激光器，系统处于非稳定态。 结论： 需要数值求解或用小信号微扰或其他近似方法处理速率方程。 振荡阈值: 使激光模式起振,产生激光振荡的最低值。 §6.2 激光器的振荡阈值 同时考虑损耗与增益， 只考虑损耗, 不考虑损耗， 起振条件： 阈值增益系数： 一、阈值增益系数(Gain Threshold) 光在腔内往返一次后的光强： 讨论: 工作物质的长度越短，阈值越大 损耗越大，阈值越大 l ——工作物质长度 不同纵模的δ相同，故具有相同的g t ； 不同横模的δ不同，故g t 不同。 （高阶横模δ较大， g t 比基模大） 激光器起振模谱 只有满足振荡阈值条件的模式才可起振。 图中起振模: TEM00q , TEM00q+1, TEM01q 二、阈值反转粒子数密度 (Population Inversion Threshold) 三、阈值泵浦功率(Pumping Power Threshold) 连续或长脉冲激光器——阈值泵浦功率 短脉冲激光器——阈值泵浦能量 1、四能级系统阈值泵浦功率： 总量子效率 连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 光泵 E1 E2 n1 n2 (一)连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 2、三能级系统阈值泵浦功率： 连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 光泵 E1 E2 总量子效率 （二）短脉冲激光器的阈值泵浦能量 四能级系统 三能级系统 关于激光器阈值泵浦功率(能量)的结论： 1）三能级系统所需的阈值能量比四能级大得多； 2）三能级系统激光器中 对阈值功率（能量）影响不大，四能级系统中，阈值功率（能量）正比于 ； §5.3 激光器的振荡模式 一、起振纵模数Δq： ——振荡带宽： 激光器小信号增益系数中大于阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围 or 有模式在中心频率ν0处 无模式在中心频率ν0处 g ν0 激发参数： 反映了激光器外界激发作用的大小与谐振腔损耗大小的比值。 二、均匀加宽激光器中的模式竞争 模式竞争 均匀加宽~ 非均匀加宽~ 起始： 增益曲线下降到： 增益曲线继续下降到： 增益曲线最后下降到： 1.增益曲线均匀饱和引起的自选模作用 ※ 纵模 只剩下q模 gt 均匀加宽激光器中的模式竞争 ◆ 竞争结果：最靠近中心频率的一个纵模取胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭。 ◆ 理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式是单纵模，单纵模频率总是位于谱线中心频率附近。且模增益系数就等于阈值增益系数 。 ◆ 实际:一般气体激光器可以单纵模输出,但固体激光器,当激励较强时,往往出现多摸振荡。 均匀加宽激光器中的模式竞争 2.固体激光器空间烧孔引起多模振荡 若 的波腹与 的波节重合，则 模式可能得到较高的增益系数而形成弱振荡。 空间烧孔效应：波腹处光强大，用去的反转粒子数多，增益系数下降的也大； 波节处光强小，用去的反转粒子数少，增益系数下降的也少 纵模的空间竞争：由于轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡的现象——多模振荡 固体激光器,晶格的热振动使空间烧孔转移很慢，故当激励较强时,由于空间烧孔效应，往往出现多摸振荡。 一般气体激光器,由于气体分子无规则热运动，空间烧孔很难形成，故可以单纵模输出. 均匀加宽激光器中的模式竞争 三、非均匀加宽激光器中的多纵模振荡 ☆ 当纵模间隔足够大时，非均匀加宽激光器的各纵模之间没有模式竞争，所有小信号增益系数大于阈值增益系数的纵模都能形成稳定振荡。 ☆ 非均匀加宽激光器通常都是多纵模振荡。 激发增强 ☆ 外界的激发越强，小信号增益曲线就越高，满足振荡条件的纵模个数也越多。