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1、第 9 讲,激光器的振荡模式 均匀加宽激光器的模竞争及自选模作用 空间烧孔引起的多模振荡 非均匀加宽激光器的多纵模振荡选模技术 选横模 选纵模,作业:5-2,4，7；7-2,连续或长脉冲激光器输出光功率与能量 均匀加宽单模激光器 非均匀加宽单模激光器 兰姆凹陷 多模激光器,5.2 激光器的振荡模式(Oscillation mode)振荡模式满足自激振荡条件，在激光器中能形成稳定振荡输出的模式 第二章 从谐振腔(类型、结构）出发讨论腔内可能存在的各种场分布及谐振频率 模式 本节 以激光工作物质的增益特性为基础，从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式,一、均匀加宽激光器的振荡模式 1.均匀加宽激
2、光器中的模竞争及自选模作用,满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（mode competition）,稳态增益,结论：无论起始时满足振荡条件有多少个纵模，理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模。,时，达到稳态值 大信号增益阈值增益时为稳态增益,2.增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡 解释在泵浦激励较强情况下，均匀加宽激光器(尤其固 体激光器)产生多模振荡的原因 烧孔效应（第四章）光谱烧孔效应或频域烧孔效应,空间烧孔的形成条件:驻波腔 粒子空间转移速度较慢气体:无规热运动,空间转移迅速,难以形成空间烧
3、孔固体:如Cr离子束缚在晶格结构上，转移l/4需10-4 S半导体:10-7 S,空间烧孔引起的多模振荡 当激励作用较强时,不同纵模 可使用腔内不同部位的高能级 粒子而同时发生振荡 纵模的空间竞争,q,横向空间烧孔的形成原因 横模粒子数的空间分布不均匀,横向烧孔尺度较大(mm量级),粒子的迁移不能消除这种不均匀性 当激励作用足够强时,不同横模可以分别使用不同空间的激活粒子而形成多横模振荡,要点：什么是激光振荡模式？激光输出模式由那些因数决定？增益饱和在激光振荡中所起的作用？（均匀和非均匀加宽）模竞争在均匀加宽和非均匀加宽介质中的表现？空间烧孔的产生及其对振荡模式的影响？,二、非均匀加宽激光器的
4、振荡模式,1、外激励 g0满足阈值条件纵模振荡模式数 只要模间隔足够大，各个纵模互不相关,2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现 若纵模频率n1,n2 对称分布在中心频率 n0 两侧，消耗相同速度 vz的反转粒子数 相邻纵模的烧孔重叠,烧孔宽度,振荡线宽小信号增益等于阈值增益时所对应的宽度,三、选模(P.211),选模意义：基横模（TEM00）发散角小空间相干性 单纵模 单色性好时间相干性1.横模选择 横模选择的物理基础：不同横模有不同的衍射损耗 横模选择原则 尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗差 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总损耗中的比例,横模选择方法 谐振腔设计 小孔光阑
5、非稳腔 微调谐振腔,合理选择腔型及腔结构参数，使 TEM00和 TEM10模之间有足够的差异,圆形平面镜腔圆形镜共焦腔,小孔光阑选横模,基本思路：减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗 TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸特点：方法简单 不易获得大功率输出,小孔光阑选模,聚焦光阑选模,非稳腔选横模 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波,微调谐振腔,高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，模体积大,双凸,平凹,平凸,2.纵模选择提高时间相干性 在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 纵模选择原则 扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差 选纵模方法 短腔法缩短腔长，增大纵模间隔,适用
6、于荧光线宽窄的激光器,YAG：,例：He-Ne,腔内插入 F-P标准具,F-P标准具的设计考虑,L,激光工作物质,插入FP后,自由光谱区,透射宽度,抑制空间烧孔效应,行波环形腔,5.3 输出光功率与能量 讨论稳态情况下的平均光强 估算激光器输出功率一、连续(长脉冲)激光器输出功率 单模激光器（设第 l 模，频率为nq),（稳态光强）,不变,1.均匀加宽激光器(n=n0),假设,如何求腔内 In,时腔内的光强,气体激光器,T1 2 T+a,(5.3.3),(5.3.4),讨论 1.输出功率激励功率(Pp P)固体激光器(光泵),当,P随Pp线性增加,光泵浦激光器输出功率由超出Ppt的泵浦功率转换
7、得到,气体激光器(放电激励，最佳放电电流),He-Ne 最佳放电条件下gm经验公式,半导体激光器(Semiconductor laser or laser diode),hi-载流子复合辐射几率；hD-LD效率,(10-5-10),(10-5-12),P.320,Fig.5.3.3,Fig.5.3.2,讨论2 最佳透过率的实验测定及计算,取微分,Tm确定:实验 Pp一定,改变T 测 Pout 计算,三能级,才能使,(W03,n,l,21,2)P,四能级,三能级系统对W13有要求,结论：激光输出功率与工作物质性质和长度有关,2.非均匀加宽单模激光器,nqn0 时,和 分别在增益曲线烧孔,不是共同
8、作用,nq=n0,其中,兰姆凹陷(Lamb Dip)单模输出功率P与频率n的关系,P 烧孔面积(表征对激光有贡献的反转粒子数)烧孔重叠条件 兰姆凹陷宽度(dn)烧孔宽度 兰姆凹陷宽度(dn)DnL,气压 碰撞加宽DnL 烧孔宽度dn,深度变浅,3.多模激光器 非均匀加宽:Dnq足够大,不发生烧孔相连时,用(5-3-10)及(5-3-12)计算每个纵模的输出功率,总功率即为各模输出之和,均匀加宽:(固态激光器）必须由多模速率方程求Pout,并作简化假设(各模损耗相等,线型函数为矩形)后可得与(5-3-5)相同的表达式,补充题：今有频率 光强 的光及频率为 的弱光在均匀加宽及非均匀加宽工作物质中传
9、播，请作下列三种情况下,曲线示意图并标出其宽度。,(1),(2),(3),行波腔,驻波腔,两种加宽机制介质：均匀加宽 弱光 n三种情况：小信号(蓝)大信号,行波腔(红)大信号,驻波腔(棕）,均匀加宽,DnH,2 DnH,g0(n1),强光增益曲线变化,弱光增益曲线变化,弱光增益系数均按同一比例下降，线宽保持不变,g0(n),g(n,In1),g(n,In1),驻波腔中正、反方向传输光造 成的饱和效应迭加，饱和加深,强光增益曲线下降线宽加宽,非均匀加宽介质,强光增益曲线,弱光增益曲线,小信号(蓝)大信号,行波腔(红)大信号,驻波腔(棕）,4-22 设有两束频率分别为 光强为I1及I2的强光沿相同方向或不同方向通过中心频率为n0的非均匀加宽增益介质，I1I2。试分别画出两种情况下反转粒子数按速度分布曲线，并标出烧孔位置。,课堂练习（4/21 第 9 讲）,专题学习研究报告,学习小组人员组成：12人/组研究题目：在教师提供的参考题目中挑选或就你自己感兴 趣的专题自行立题（可结合SRT课题的调研）考核：每人独立完成学习报告一篇；每小组由一人在期末（第16周）在课堂上作10分钟 口头报告学习报告要求：字数不少于4K字 附参考文献（其中23篇应是英文参考文献）学习报告截止时间：期末考试前,
