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1、,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,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,激光的基本原理及特性,（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
2、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。,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,（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,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：,第二部分激光器的工作特性,激
3、光的基本原理及特性,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,若,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,(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,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,（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
4、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,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,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
5、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。,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,（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,第二部分激光器的工作特性,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,激光的基本原理及特性,第二
6、部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,（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,第二部分激光器的工作特性,2、兰姆凹陷:单模输出功率P与频率的关系,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,激光的基本原理及特性,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,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
7、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,气体:无规热运动,空间转移迅速 难以形成空间烧孔固体: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,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,非均匀加宽激光器中模竞争的表现 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,第二部分激光器的工作特性,激光的基本原理及特性,第二部分激光器的输出功率,五、激光器的输出功率,连续激光器：,泵浦功率越强，激光器输出功率越大；内部损耗越小，激光器输出功率越大；膜片透过率存在一个最佳值，更换激 光
8、器膜片时要注意考虑原来的参数；增加激光器增益介质的长度。,激光的基本原理及特性,第二部分高斯光束,六、高斯光束,激光的基本原理及特性,一）、高斯光束的特征参数,1.用w0(或f)及位置表征；已知 w0(或 f)w(z),R(z),2.用w(z)及R(z)表征;已知 w(z),R(z)w0,z,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,3.高斯光束的q参数,1/q(z),q 参数,(高斯光束的复曲率半径),q 参数物理意义：同时反映光斑尺寸及波面曲率半径随z的变化,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,若已知高斯光束某一位置的q参数 w(z),R(z),q 参数表征高斯光束的优点:将描述高斯光束
9、的两个参数W(z)和R(z)统一在一个表达式中,便于研究高斯光束通过光学系统的传输规律 高斯光束三种描述方法的比较,光腰处（z0）,0,在空间传输后,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,二）、高斯光束通过光学元件的变换ABCD公式,1.自由空间,2.薄透镜(透镜焦距为F）,球面波,球面波,发散(+)会聚(-),l1,l2,R1,R2,S1,S2,物距 像距 焦距,近轴情况,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,3.光学系统传输矩阵为 的光学系统,球面波,高斯光束 q参数通过光学系统的变换与球面波R的变换相同,ABCD公式,R1,R2,1,2,近轴光,q1=q2,自由空间,透镜,球面波 高
10、斯光束,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,三）、q参数分析高斯光束传输实例(通过透镜的变换),已知：w0,l,F求：通过透镜后，高斯光束 参数wc,Rc,方法:由ABCD公式 qB,z=0 q0=if f=w02/A处 qA=q0+lB处 1/qB=1/qA-1/F C处 qc=qB+lc,关键,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,=-l,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,讨论:高斯光束成象与几何光学成象规律的比较1.l F 即有(l-F)2f 2 和几何光学成象规律相同,腰斑放大率,2.l=F 时,和几何光学成象规律不同,几何光学:l=F l=(平行光)无实象有虚象,=D,第
11、二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,要获得良好的聚焦效果：使用短焦距透镜(使FF)双透镜聚焦,F 一定时,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,五）、高斯光束的准直改善方向性，压缩发散角,单透镜准直效果,高斯光束通过薄透镜 当l=F 时,w0=F/w0 最大,F,长焦距透镜利于准直 w0 尽可能小,要使 大,发散角,有限，无论l，F取何值都不可能使 说明用单透镜不能实现准直,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,准直倍率(发散角压缩比),短焦距透镜聚焦,使w0，并聚在长焦距透镜焦点上 长焦距透镜使 F,光腰几乎?落在焦平面上,组成一倒装望远镜,望远镜放大倍率M,利用倒装望远镜准直,D,L1,L2,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,六）、高斯光束的模匹配,模匹配问题的提出：使一个激光谐振腔振荡的单模高斯光束注入到另一个谐振腔内能激发出相同的模式。问题实质透镜变换,第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,情况1：已知w0,w0,确定透镜焦距F及透镜的距离 l,l,同乘,代入(2-10-18),(2-10-18),若F 确定 便可确定 l,l(Ff0),第二部分高斯光束,激光的基本原理及特性,情况2:两腔相对位置固定(即两个光腰之间的距离),及w0,w0确定,为了实现模匹配,F 如何选择,第二部分高斯光束,
