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1、第五章連續(xù)激光器的工作特性一、學習要求與重點難點學習要求1.了解激光器速率方程的近似處理;2.掌握激光器振蕩閾值條件;3.掌握三、四能級系統(tǒng)的閾值泵浦功率密度;4.理解均勻加寬介質(zhì)激光器的模競爭,和單縱模振蕩;5.理解非均勻加寬介質(zhì)激光器中的燒孔現(xiàn)象,和多縱模振蕩;6.理解單模運轉(zhuǎn)激光器在均勻和非均勻加寬介質(zhì)兩種情形下的輸出功率特性,及其影響因素;7.了解藍姆凹陷,及其應用;8.了解速率方程理論的局限性。重點1.單模、多模激光器速率方程建立,及其近似方法;2.激光器振蕩閾值條件;3.閾值泵浦功率密度,及其影響因素;4.
2、單模運轉(zhuǎn)激光器輸出功率特性,及其影響因素;難點1.激光器速率方程的近似處理;2.激光器涉及的效率;3.單模運轉(zhuǎn)激光器輸出功率的影響因素;4.藍姆凹陷及其應用。36二、知識點總結1.激光器速率方程的特點361.激光器閾值特性36361.連續(xù)激光器的輸出36三、典型問題的分析思路1、振蕩縱模式數(shù)問題。首先,明確討論的是縱模問題,不要牽扯橫模。其次,均勻和非均勻加寬介質(zhì)性質(zhì)在縱模起振上差異很大。在均勻加寬介質(zhì)激光器中,由于強烈縱模式競爭,一般只能單模運轉(zhuǎn),但是,因為增益的沿軸燒孔,也不排除在駐波腔中還是可能有多個縱模起振。當
3、然,這些起振縱模不一定是相鄰的縱模。這是因為,盡管通過強激勵可以有所加寬,均勻加寬介質(zhì)出光帶還是有限:借助波節(jié)插空形成振蕩的縱模不多,不應該是這一問題的對象。在非均勻加寬介質(zhì)激光器中,出光帶內(nèi)損耗線以上的每個縱模都可以燒孔起振,振蕩縱模式數(shù)問題應該是針對它提出的。非均勻加寬介質(zhì)出光帶:起振模式數(shù)目:所以,需要知道非均勻加寬線寬、縱模間距:以及泵浦超閾值的大?。夯蛘咝⌒盘栐鲆嬉约皢挝婚L度損耗的大小,或增益介質(zhì)有多長。因此,這個問題換個問法的話,還可以問你腔長多短時才只有單模工作?或者以除輸出之外忽略其它損耗,給你增益及輸
4、出鏡反射率,問你能有幾個縱模工作?等等,都是在上述公式里打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。2、非均勻加寬介質(zhì)激光器中燒孔重疊問題。首先,需要明確什么情況算是燒孔重疊。燒孔是強光對介質(zhì)增益的飽和作用,燒孔重疊意味著有兩個強光。在激光器中,對光的區(qū)分是按模式的,所以兩個強光即兩個振蕩模式的激光。燒孔重疊實際上是說激光器中兩個振蕩模式對介質(zhì)增益的爭奪。其次,需要明確燒孔會發(fā)生在頻域,也會發(fā)生在空域。36基橫模模場集中在腔軸沿線,損耗低,增益大,競爭力強,最易起振?;鶛M模的起振,主要消耗的是腔軸沿線各處激活介質(zhì)的集居數(shù)反轉(zhuǎn)密度,客觀上形成沿腔軸線的這一
5、橫向空間增益燒孔;腔軸線以外各處激活介質(zhì)的集居數(shù)反轉(zhuǎn)密度,由于沒受基橫模光場的影響,仍然保持在高位,為模光場主要分布在遠離腔軸的高階橫模提供了可資利用的集居數(shù)反轉(zhuǎn)密度,為高階橫模的起振提供了條件。所以,橫向燒孔的存在,使均勻加寬激光器中易形成多個橫模的穩(wěn)態(tài)振蕩。另外,駐波腔激光波腹處光強最大,波節(jié)處光強最小,介質(zhì)中沿腔軸向各點處光強周期性分布,致使介質(zhì)增益形成沿軸燒孔。由于波長不同,不同縱模在腔內(nèi)波腹、波節(jié)的位置各異。沿軸燒孔效應的存在,大大減小了相鄰模之間的競爭,使強競爭力模式的鄰模也可能同時形成穩(wěn)態(tài)振蕩,不同縱模使
6、用不同空間的激活粒子而同時產(chǎn)生振蕩??梢?,空域的燒孔,無論是沿軸的,還是離軸的,往往是競爭力弱的模式在強模式燒孔空間之外的增益利用,并不威脅強模式的振蕩,不會存在真正意義上的燒孔重疊。這樣一來,只有頻域才會發(fā)生燒孔重疊。由于均勻和非均勻加寬介質(zhì)性質(zhì)的差異,還是要分開考慮。在均勻加寬介質(zhì)中,振蕩模通過受激輻射在獲得增益、強度增大的同時,也使介質(zhì)增益均勻飽和,介質(zhì)的增益曲線被整體壓扁,各模式光場的凈增益也被壓縮、下降。隨著各模式光場強度增大,增益飽和程度加深,增益曲線整體被壓縮的更多,遠離介質(zhì)頻率中心縱模的凈增益會減小到零
7、或者負值,即損耗線以下,導致遠離介質(zhì)頻率中心的縱模退出振蕩,直至僅存一個振蕩模式。介質(zhì)增益越大,不同縱模式實際獲得的增益差異越大,模式競爭越激烈,也最有可能最后形成激光器單模工作。當然,均勻加寬介質(zhì)中模式競爭的強度也是相對的。若介質(zhì)增益能力弱,難以培養(yǎng)出有競爭力的模式,最后也能維持多模式輸出。在這種情況下,各模式的競爭力弱,實際上是獲得增益的能力弱,難以對增益曲線進行有效地飽和燒孔,也就談不上相鄰模式燒孔重疊以至于出現(xiàn)競爭的現(xiàn)象了。在非均勻加寬介質(zhì)中情形則顯著不同。非均勻加寬介質(zhì)粒子對譜線不同頻率處的增益有不同的貢獻,
8、縱模消耗激發(fā)態(tài)粒子時,消耗的只是表觀中心頻率與其頻率相對應的一群激發(fā)態(tài)粒子,因此一縱模起振后,消耗的只是表觀中心頻率與模頻率相對應的那些激發(fā)態(tài)粒子,對增益系數(shù)的影響只是在其均勻加寬譜線所占頻率范圍,在增益曲線上出現(xiàn)局部增益曲線燒孔。當然,燒孔的深度也是有限度的,與均勻加寬介質(zhì)情形一樣,燒孔也以到達損耗線為界:36若有多個縱模滿足振