激光振荡理论和特殊激光系统.ppt

激光振荡理论和特殊激光系统.ppt第六章激光振荡理论和特殊激光系统
引言
在第5章中已讨论,如果电磁波的频率位于跃迁线形(或增益)曲线之内,那么粒子数反转( )
的原子介质(如一个两能级系统)就能将其放大。本章考虑反转原子介质(或称激光介质)处于光学共振腔内的情形。当电磁波在两个反射镜之间来回反射时,它会穿过激光介质并且被放大,如果放大超过了由于镜面的透射(或吸收)损耗和由于激光
介质的散射所造成的损耗,那么存储在共振内的场能在适当的条件下降随时间增加。场能的增加会导致增益介质的增益系数因增益饱和(将在下一章讨论)而下降。共振腔内的场能直到单程的饱和增益正好等于损耗为止。这时单程的净增益等于1,辐射强度不可能再进一步增加,即达到了稳态振荡。本章将从法布里—珀罗标准具理论开始,导出维持激光振荡所必须的起振反转分布条件。还将获得激光
振荡器的振荡频率表达式,并说明它如何受到原子介质色散的影响。接着考虑最佳输出耦合的问题。多模激光振荡和锁模将在本章后面提到。最后介绍一些激光系统,包括红宝石激光器,Nd:YAG激光器和Er:氧化硅激光器。激光器中重要的一类,半导体激光器,将在第15、16章阐述。
法布里—珀罗激光器 ,考虑具有两个镜面的激光振荡器,本质上就是一个的法布里—珀罗标准具。设定发射镜之间填满了粒子反转分布的放大介质。由于放大介质的存在,复折射率可写为 (-1)式中, 是寄主介质的折射率, 是由于放大材料(对增益有贡献的有源原子)的存在引起的复数
介质极化率。对于红宝石激光器,寄主材料的折射率, 是源于铬原子(实际上是离子)。在大多数激光系统中。在增益介质中的平面波的复传输常数可写为
(-2)
式中, , ,是线性衰减系数,包含了各种不同的损耗机制,如缺陷的散射、受激原子态
的吸收及其他因数。由所有这些机制引起的衰减皆由上述衰减系数代表。可将视为频率远离激光跃迁时的介质内的传输常数。既然涵盖了截肢的分布式无源损耗,单位距离的强度所损耗因子就是,其中是腔长。
振荡频率 无穷多个频率可以满足式(-13)给出的起振条件中的相位条件,这些频率对应于不同的整数。除此之外,如果增益条件式(-12)在一个或多个上述频率下得到满足,激光器就以这一频率振荡。为了求解振荡频率,将式(-13)重新写成  (-1) 引进一个物理量 (-2)它表示无源共振腔的第个共振频率。
三能级和四能级激光器 激光器通常被分成“三能级”和“四能级”激光器两类,。这种激光器的特点是其激光下能级与基态之间的能量间隔甚大,以至于激光器在工作温度时 。这一点保证了在能级1上的热平衡粒子数可被忽略。此外,如果能级1上的原子寿命比短,那么和相比, 可以忽略,并且当 (-1)时,阈值条件式(-11)得以满足。因此在泵浦
的作用下,当较高能级的粒子数密度等于阈值时激光器的振荡就开始。 三能级激光器的特点在于,这种激光器的较低能级要么是基态的能量间距与相比甚小,以至于热平衡时,总粒子密度中大部分占据在这个较低能级上。。
激光振荡器的功率 ,它相当于激光增益与损耗相等的情形。可以预期,如果泵浦强度超过,激光器将会发生振荡并且发射出功率。在本节中将求出激光器功率输出与泵浦强度的关系式,并处理最佳耦合问题,亦即导致最大功率输出的镜面透射率问题。 速率方程组 ,并令