学术讨论—脉冲激光器.ppt
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1、 激光激光(jgung)原理原理 II激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性第一页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性由于激活腔内光强分布不均匀,精确计算腔内各点光强是个复杂的问题。本节由增由于激活腔内光强分布不均匀,精确计算腔内各点光强是个复杂的问题。本节由增益饱和效应出发益饱和效应出发估算估算稳态工作时的腔内平均光强,并在此基础上给出稳态工作时的腔内平均光强,并在此基础上给出粗略粗略(cl)估估算输出功率算输出功率的方法。的方法。连续连续(linx)激光器的输出功率激光器的输出功率n按照工作方式不同,激光器分为两类按照工作方式不同,激光器分为两类:连续激光器、脉冲激光器
2、。连续激光器、脉冲激光器。以不间断方式输出激光即为连续式,每间隔一段时间才输出一次即为脉冲式以不间断方式输出激光即为连续式,每间隔一段时间才输出一次即为脉冲式n本章的内容:本章的内容:一、连续激光器的输出功率、振荡模式特性和模式选择一、连续激光器的输出功率、振荡模式特性和模式选择二、脉冲激光器的尖峰和驰豫振荡、调二、脉冲激光器的尖峰和驰豫振荡、调Q和锁模的基本原理和锁模的基本原理第二页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性如果腔内某一振荡模式的频率为如果腔内某一振荡模式的频率为n nq,开始时,开始时,G(n(nq,I,In nq)Gt,腔内光强,腔内光强In nqh h。当当In
3、 nq增至一定值时,增至一定值时,出现增益出现增益(zngy)饱和效应,随饱和效应,随Iqh h,G(n nq,In nq)i i,直到降至,直到降至G(n nq,In nq)=Gt,增益和损耗达到平衡,增益和损耗达到平衡,Iq不再增加。这时,激光器建立了稳定工作状态。不再增加。这时,激光器建立了稳定工作状态。连续连续(linx)激光器的输出功率激光器的输出功率但是,不管激发强或弱,稳态工作时激光器的信号增益系数总是但是,不管激发强或弱,稳态工作时激光器的信号增益系数总是等于等于Gt!当外界激发作用增强时,小信号增益系数当外界激发作用增强时,小信号增益系数G0(n n)增大,即饱和光强增大,此
4、时增大,即饱和光强增大,此时In nq必须增加到必须增加到一个更大的值才能出现增益饱和效应,使一个更大的值才能出现增益饱和效应,使G(n nq,In nq)降低到降低到Gt并建立起稳定工作状态,因此激光器的输出并建立起稳定工作状态,因此激光器的输出功率增加。功率增加。n激光器的稳定输出状态是如何建立起来的激光器的稳定输出状态是如何建立起来的?n如何增大激光器的输出功率如何增大激光器的输出功率?第三页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性均匀均匀(jnyn)加宽单模激光器的输出功率加宽单模激光器的输出功率n均匀加宽放大器的增益均匀加宽放大器的增益(zngy)系数为:系数为:n腔内均匀
5、加宽介质中建立起的稳态光强为:腔内均匀加宽介质中建立起的稳态光强为:n从激光器中输出的激光束光强为:从激光器中输出的激光束光强为:第四页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性均匀均匀(jnyn)加宽单模激光器的输出功率加宽单模激光器的输出功率n从激光器中输出从激光器中输出(shch)的激光束功率为:的激光束功率为:A是输出截面积是输出截面积n激光器的激光输出功率与泵浦速率的关系:激光器的激光输出功率与泵浦速率的关系:第五页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性非均匀非均匀(jnyn)加宽单模激光器的输出功率加宽单模激光器的输出功率n非均匀非均匀(jnyn)加宽单模激光器
6、的加宽单模激光器的输出功率为:输出功率为:n多普勒加宽放大器的增益双烧孔效应:多普勒加宽放大器的增益双烧孔效应:n腔内非均匀加宽介质中建立起的稳态光强为:腔内非均匀加宽介质中建立起的稳态光强为:In nq分别与运动方向相反的两组原子相互作用,引起增益饱和,出分别与运动方向相反的两组原子相互作用,引起增益饱和,出现现“双烧孔双烧孔”。第六页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性多普勒加宽单模激光器的输出功率多普勒加宽单模激光器的输出功率兰姆凹陷兰姆凹陷(oxin)n当振荡模频率当振荡模频率n nqn n0时时,I+和和I-与同一类原子相互作用,与同一类原子相互作用,同时同时(tngs
7、h)(tngsh)参与了该类原子的增益饱参与了该类原子的增益饱和,对增益饱和起作用的光强和,对增益饱和起作用的光强In n0 I+I-=2I+。n当振荡模频率当振荡模频率n nqn n0时时,I+和和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用的分别是I+或或I-,对增益饱和起作用的光强,对增益饱和起作用的光强In nq I+。第七页,共三十八页。激光器的工作和输出特性激光器的振荡激光器的振荡(zhndng)模式和模式选择模式和模式选择激光器的纵模频谱分布激光器的纵模频谱分布(fnb)n激光器的可能激光器的可能(knng)
8、起振的振荡纵模数:起振的振荡纵模数:n振荡阈值条件决定振荡频率范围振荡阈值条件决定振荡频率范围DnDnosn谐振腔的纵模频率:谐振腔的纵模频率:n增益曲线决定被放大光的频率范围增益曲线决定被放大光的频率范围DnDn第八页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器中的模竞争激光器中的模竞争(jngzhng)激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式激光器的振荡模式(msh)和模式和模式(msh)选择选择n增益曲线均匀饱和引起的自选模作用:多个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相增益曲线均匀饱和引起的自选模作用:多个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争竞争,结果总是靠近中心频率结果总是靠
9、近中心频率v0的一个纵模得胜的一个纵模得胜,形成稳定振荡形成稳定振荡,其他纵模都被抑。其他纵模都被抑。第九页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性均匀均匀(jnyn)加宽激光器中的模竞争加宽激光器中的模竞争激光器的工作和输出特性激光器的振荡激光器的振荡(zhndng)模式和模式选择模式和模式选择n增益的空间烧孔效应:由于谐振腔内的驻波场分布,使增益的空间烧孔效应:由于谐振腔内的驻波场分布,使得增益系数沿轴向呈现出不均匀分布。得增益系数沿轴向呈现出不均匀分布。n若存在另一非优势纵模,其腔内光强波腹分布与优势模若存在另一非优势纵模,其腔内光强波腹分布与优势模的波节重合,而获得较高的增益
10、的波节重合,而获得较高的增益,从而形成较弱的振荡。从而形成较弱的振荡。由于轴向空间烧孔效应由于轴向空间烧孔效应,不同纵模可以使用不同空间的激不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡活粒子而同时产生振荡,这一现象叫做纵模的空间竞争。这一现象叫做纵模的空间竞争。第十页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式激光器的振荡模式(msh)和模式和模式(msh)选择选择激光器的模式激光器的模式(msh)选择选择模式选择的目的:减少激光模式数,改善激光的方向性,提高单色性。模式选择的目的:减少激光模式数,改善激光的方向性,提高单色性。n横模:在腔中垂直
11、腔轴方向的电磁场的本征态。横模:在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模,光场分布不同,光束的发散角不同。不同的横模,光场分布不同,光束的发散角不同。基横模光强是高斯形,光场分布均匀,发散角最小。基横模光强是高斯形,光场分布均匀,发散角最小。随着横模序数的增加,光场的范围加大,分布不均匀,发散角越来越大。随着横模序数的增加,光场的范围加大,分布不均匀,发散角越来越大。一般激光器中有很多模式振荡,实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性,一般激光器中有很多模式振荡,实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性,必须选出基横模。必须选出基横模。n模式:在腔内可能存在的稳定光场的本征态,包
12、括纵模和横模。模式:在腔内可能存在的稳定光场的本征态,包括纵模和横模。n纵模:沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模:沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数,纵模数多,单色性差。纵模数表示激光振荡频率数,纵模数多,单色性差。单一纵模单色性最好。单一纵模单色性最好。第十一页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡激光器的振荡(zhndng)模式和模式选择模式和模式选择横模选择横模选择(xunz)n选模原理:采取一定的办法加大基模和高阶横模选模原理:采取一定的办法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别衍射损耗的差别,使高阶横模的损耗,使高阶横模的损耗大
13、于增益不能振荡,而基模满足阈值条件,保存下来,达到选出基横模的目的。大于增益不能振荡,而基模满足阈值条件,保存下来,达到选出基横模的目的。n横模选择方法:横模选择方法:1.在谐振腔内加置限模光阑:在谐振腔内加置限模光阑:小孔小孔小孔光栏法小孔光栏法聚焦光栏法聚焦光栏法第十二页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择横模选择横模选择(xunz)n横模选择方法:横模选择方法:3.腔参数选择法:利用衍射损耗来进行选模腔参数选择法:利用衍射损耗来进行选模2.腔镜微倾斜:腔镜微倾斜:偏折损耗和透射损耗之比大
14、则高阶模的损耗大,对选模有利。偏折损耗和透射损耗之比大则高阶模的损耗大,对选模有利。第十三页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡激光器的振荡(zhndng)模式和模式选择模式和模式选择纵模选择纵模选择(xunz)技术技术n短腔法选纵模短腔法选纵模 原理原理:利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当DnDnqDnDnos 时,实现单模振荡时,实现单模振荡。特点:特点:结构简单,无插入损耗,只需缩短腔长即可实现单模。结构简单,无插入损耗,只需缩短腔长即可实现单模。输出功率减小,输出功率减小,L小,工作物质尺寸小,模体积
15、小,输出功小,工作物质尺寸小,模体积小,输出功率小。率小。只适用于增益介质线宽只适用于增益介质线宽DnDng窄的气体激光器中。窄的气体激光器中。第十四页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择技术纵模选择技术(jsh)-法布里珀罗标准具选纵模法布里珀罗标准具选纵模nF-P透射带宽透射带宽:n选模原理:实现单一纵模的条件选模原理:实现单一纵模的条件L激光工作物质a.标准具只有一个透射峰落在介质的增益线标准具只有一个透射峰落在介质的增益线宽之内宽之内DnDnm0.5DnDnos b.标准具一个
16、透射峰内只包含一个纵模,标准具一个透射峰内只包含一个纵模,DnDnq 0.5dndn 第十五页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择纵模选择(xunz)技术技术-复合腔选纵模复合腔选纵模 n利用干涉仪的反射特性进行选模利用干涉仪的反射特性进行选模,干涉仪既作选模又作激光器输出镜。干涉仪的反射率是频率的函数,干涉仪既作选模又作激光器输出镜。干涉仪的反射率是频率的函数,不同频率的光反射率不同。不同频率的光反射率不同。LD第十六页,共三十八页。激光器的工作(gngzu)和输出特性激光器的工作和
17、输出特性脉冲脉冲(michng)激光器的特性激光器的特性1.腔外调制:腔外调制:光开关或调制器置于连续激光器输出光开关或调制器置于连续激光器输出(shch)端,使光在短时间间隔内通过;端,使光在短时间间隔内通过;效率低、脉冲光的峰值功率低于连续激光器本身的稳定值效率低、脉冲光的峰值功率低于连续激光器本身的稳定值2.腔内调制:腔内调制:光开关或调制器置于激光器腔内,调节能量的存储与输出,能够获得光开关或调制器置于激光器腔内,调节能量的存储与输出,能够获得 极高的峰值功率。极高的峰值功率。脉冲激光器脉冲激光器n脉冲激光器可以获得窄脉宽、高峰值功率的激光束。脉冲激光器可以获得窄脉宽、高峰值功率的激光
18、束。锁模:将同时振荡的多个纵模相互间实现相位锁定并相互耦合锁模:将同时振荡的多个纵模相互间实现相位锁定并相互耦合n四种腔内调制脉冲激光器:四种腔内调制脉冲激光器:增益开关:通过开关泵浦源控制增益增益开关:通过开关泵浦源控制增益Q开关:腔内放置被调制的吸收体来控制腔内损耗,能量存储在反转原子中开关:腔内放置被调制的吸收体来控制腔内损耗,能量存储在反转原子中腔倒空:通过改变输出镜透射率控制腔内损耗,能量存储在腔内腔倒空:通过改变输出镜透射率控制腔内损耗,能量存储在腔内n获得脉冲激光束的方法:获得脉冲激光束的方法:第十七页,共三十八页。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲脉冲(michn
19、g)激光器的特性激光器的特性n一个短脉冲的生成过程可以分成一个短脉冲的生成过程可以分成(fn chn)(fn chn)四个阶段。如图所示四个阶段。如图所示:激光激光(jgung)尖峰形成的物理过程尖峰形成的物理过程t=t4,D Dn(t)的消耗速率与累积速率平衡,达到极小值的消耗速率与累积速率平衡,达到极小值t=t1,激光开始产生,激光开始产生tt1,累积腔内光子数累积腔内光子数t=t2,D Dn(t)的累积速率与消耗速率平衡,达到极大值的累积速率与消耗速率平衡,达到极大值tt2,增益饱和,增益饱和,D Dn(t)i it=t3,腔内光子数达到极大值腔内光子数达到极大值tt3,腔内光子数纯消耗
20、,急剧减少腔内光子数纯消耗,急剧减少tt4,光子数逐渐消耗至最小,反转粒子数开始累积光子数逐渐消耗至最小,反转粒子数开始累积第十八页,共三十八页。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲脉冲(michng)激光器的特性激光器的特性调调Q Q激光器的工作激光器的工作(gngzu)(gngzu)原理分析原理分析n调调Q Q原理:泵浦开始时,增大损耗,使振荡难以形成,从而使上能级的反转原理:泵浦开始时,增大损耗,使振荡难以形成,从而使上能级的反转(fn zhun)(fn zhun)粒子数密度增大,当积累达到最大值时,突然使谐振腔损耗变小,于是粒子数密度增大,当积累达到最大值时,突然使谐振腔损
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