文档介绍：激光的基本原理及特性
第二部分
激光器的
工作特性
四、激光器的基本工作特性
(一)、连续激光器的稳态工作特性
1、几个基本概念
(1)、光谱线加宽
自发辐射光谱不是单一的,
而是分布在中心频率:
附近一个很小的频率范围内。
(2)、均匀加宽
=
0
E -E
h
2
1
I()
n
n0
自然加宽N
碰撞加宽C
晶格震动加宽
均匀加宽-引起加宽的物理因素对每个原子都等同,每个发光原子都按整个线型发光
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(3)、非均匀加宽
多普勒加宽
晶格缺陷加宽
均匀加宽
非均匀加宽
谱线加宽
He-Ne
CO2
10
10-3 – 10-2
N(MHz)
C(MHz)
D
D(MHz)
100 - 300
1500
60
P(充气压力)大
C大
非均匀加宽:每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些确定的频率
才有贡献。在非均匀加宽中,各种不同的粒子对g(n)中
的不同频率有贡献。
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(4)、增益系数
z
z+dz
I(z)
I(z+dz)
I0
z
z
I
z
z+dz
I
I+dI
I = I0eG Z
0
光的增益系数G:光通过单位长度的
激活物质后光强增加的百分数,
其单位为:[厘米]-1
增益曲线 g (n) -增益系数g(n,I)相对于频率的分布
问题的提出: 外来光不是单一频率,有一定的频率分布
n
n0
g(n)
增益宽度 Dn -最大增益的一半处
所对应的频率宽度
公式定义:
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损耗系数 a - 负增益系数
定义公式
g & a 并存的介质中,光强的变化
dz薄层
若
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小信号增益系数, 常数,与 I 无关
大信号增益系数, g(I) < g0
增益饱和
(5). 增益饱和 g (I)
问题: 何时会出现饱和?
假设Dn分布均匀, g(z)g0 Is -饱和光强
增益饱和-光强增大到一定程度, g 将随 I 的增大而减小
I(z)=Is
小信号情况
大信号情况
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(6)、激光形成的阈值条件
光在激活介质中传输时,一方面获得增益,使光强增大;另一方面还存在
各种损耗,使光强变小。因此,要产生激光(形成激光振荡)必须使光在谐振
腔内往返一周获得的增益大于或等于损耗。
形成激光振荡的条件:
G0()≥
G0()是介质对频率为的光的小信号增益,
为损耗系数(单位长度光强的损耗率)。
阈值增益系数: G0()= 时的增益系数,记作:Gth
形成激光振荡的条件: G0() ≥ Gth
光在激光器内的损耗
激光工作物质内部的损耗
谐振腔的损耗
衍射损耗
腔镜膜层对光有散射、吸收损耗
透过损耗
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2、稳态工作的建立
激光器在外界激励下,如果腔内的某一个频率为q的模满足阈值条件,
这个模能够起振。开始时,这个模的小信号增益系数大于阈值增益Gth,因而光强I会随着在腔内传播而不断增大。由于饱和效应,增益系数随光强的增大而不断下降。但只要G( q )仍然大于Gth,光强增大使增益系数下降的过程将继续下去,直到
G( q )= Gth
时,腔内的光强不再增高而趋于稳定。因此,一旦激光器中稳定状态建立,增益系数必然等于阈值。
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(二)、均匀加宽连续激光器的输出特性
1、均匀加宽介质的单纵模振荡
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2. 空间烧孔引起的多模振荡
轴向空间烧孔效应(设横向分布均匀,仅考虑Z向分布)
腔内驻波场分布增益空间分布g(z) 增益的空间烧孔
空间烧孔引起多模振荡的物理原因
由于空间烧孔效应, 不同纵模可使用腔内不同部位的高能级粒子
空间烧孔的形成条件:
驻波腔烧孔间距在波长量级
粒子空间转移速度较慢
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(三)、非均匀加宽连续激光器的输出特性
1、非均匀加宽连续激光器的多纵模振荡
外激励 G0 满足阈值条件的纵模振荡模式数
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