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3、 n2(t) 处于一直增长的非稳态(为什么？)2. t=t0 时 n2 最大 W nntAW 连续激光器稳定工作状态(稳态) 各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。 速率方程 代数方程 脉冲激光器非稳定工作状态(非稳态) 泵浦维持的时间短, 各能级粒子数及腔内光子数密度处于剧烈的变化之中。根据泵浦维持的时间t0 及激光上能级寿命t2 对脉冲激光器细分0; 0dtdNdtdnln2 完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理;n1也达到稳定值 W13(t)w130t0ttn2 短脉冲激光器(t0t2) 泵浦作用时间比较久，趋近稳态 连续激光器 可按稳态处理 理论上说,脉冲激光器和连
6、dtdNlll光子数密度速率方程阈值时 0dtdNllnt),(021D阈值粒子数反转密度 不同模式(频率)具有不一样的受激辐射截面,Dnt值也不同020221021,8,gvA021,ngDlnggttD210 激光器阈值反转粒子数密度 0时的阈值反转粒子数密度lnt2100D 中心频率处阈值反转粒子数最低阈值增益系数阈值增益系数唯一地由单程损耗决定，当腔内损耗一定时，阈值增益系数为一常数lnnt021000,DDlnntt210DD二、阈值增益系数二、阈值增益系数 gt 即0时的阈值增益系数210ttnlggDHtAvlnDD202212214DtAvlnDDln均匀加
7、宽非均匀加宽* * 讨论讨论 不同模式() 21(,0)不同 Dnt不同，即 Dnt() 不同纵模具有相同的阈值增益gt 不同横模的衍射损耗不同,gt 不同高阶横模的阈值增益大于基模，即0001ttgg三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率 （Ppt ， t0t2）1. 四能级系统 （假定泵浦均匀）211000nnnSDlnntt212Dw03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10 单位时间单位体积内， E2E1 跃迁的粒子数 或22ttn22tstn要维持tnn22 需要 E3E2 粒子的跃迁补充22tsn同样多的粒子数 通过
11、202/321242ln增益系数),(021nGD阈值增益系数lGt激光阈值条件泵浦功率的阈值1、四能级系统lnntt212D单位时间内跃迁的粒子数密度Stnt22光泵浦中的泵浦光光子数密度：Stnt212泵浦光功率：lVhvVnhvPSFpStpOP2121ttD2、三能级系统22nnt泵浦功率SFpptnVhvPt23、脉冲激光器（泵浦脉冲远小于能级寿命）达到Dnt的所需的泵浦光子数1tnD泵浦光的脉冲能量为lVhvVnhvEptppt2111D三能级：12nVhvEppt三能级泵浦阈值功率较大，而四能级系统的阈值泵浦功率较小泵浦阈值功率和受激辐射截面呈反比，和光谱线宽成正比，因此DF越小
12、，泵浦阈值功率越小一般固体激光器的阈值指的是实现阈值粒子数反转所需的泵浦能量几点结论：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 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4.2 连续激光器的工作特性 振荡模式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）出发讨论腔内有几率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，从增增益饱和益饱和机制出发，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
19、纵模的输出功率, 总功率即为各模输出之和 均匀加宽均匀加宽: (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(4-17)相同的表达式1100ptpptpPPPSAP说明:上述物理模型的适合使用的范围：高Q、低损耗激光器 1TII补充题补充题：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播，请作下列三种情况下 ,1100ggnD11IsII 1sII 1sII 1曲线示意图并标出其宽度。(1)(2)(3)11I11I行波腔驻波腔gH()gH(1)1两种加宽机制介质： 均匀加宽 & 非均匀加宽两束光：强光 1, I1 (I
20、1为稳定光强 ; 弱光 三种情况：小信号(蓝) 大信号,行波腔(红) 大信号,驻波腔(棕）均匀加宽均匀加宽DH2 DHg0(1)强光增益曲线变化强光增益曲线变化弱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 DDsHHHHIIgIg11122,220122010g0()g(,I1)g(,I1)HD2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强光增益曲线czv 小信号小信号( (蓝蓝) ) 大信号大信号, ,行波腔行波腔( (红红)
22、构。二、尖峰振荡过程的理论处理求解瞬态速率方程 （1）精确解：数值解法 （2）近似解：稳态基础上的一级微扰 脉冲激光器在泵浦时间内，Dn与Nl处于剧烈变化阶段，因此其输出表现张弛振荡特点，形成多个尖峰脉冲 泵浦激励越强，阻尼振荡频率越高，衰减越快。 在定性解释方面能相符； 定量比较与实验结果不甚相符, 原因是Dn和N并非只是在平衡值附近作微小起伏, 而可能是呈现十分大的起伏或间歇振荡例: 四能级激光器瞬态速率方程, 单模 =0, lLF121 03212121WtnnAtntNtndttndtNtNtndttdNRDDDDDvvt 0000ntntnntnNtNtNNtNDDDDD一级微扰近
25、续连续)（稳态）（稳态）实际固体激光器振荡过程并非象微扰理论所作的假设三、研究弛豫振荡的实际意义三、研究弛豫振荡的实际意义 弛豫振荡反映激光振荡过程的不稳定性，具有普遍性任何任何激光建立的过程都存在弛豫振荡，激光建立的过程都存在弛豫振荡，它是由开始时的非稳态向稳态过渡过程中产生的效应。(1) (1) 连续激光器中弛豫振荡连续激光器中弛豫振荡 噪声噪声 “预热预热”时间 激励突变，损耗突变会引起振荡不稳定 tnntnNtNtNtntDDDD00,0,1时稳态值 DD2sin0sin0teNtNtentntt 注入调制电流tijeJJ0titiNeNNseSSD00有源层载流子密度有源层光子数密度
27、三个量级ttR 提高调制带宽的途径提高调制带宽的途径(思考思考?)(3) 增益开关增益开关DFB激光器激光器 (Gain Switched-DFB) 增益开关用高速大信号调制时，使LD获得的增益大大超出阈值增益。利用LD的弛豫振荡特性获得超短脉冲 工作原理工作原理 W03 , 在DFB激光器上施加调制信号，在大功率信号调制作用下产生弛豫振荡，在弛豫振荡的第一个脉冲产生后, 撤除调制信号后会产生几十皮秒 (ps) 的超短光脉冲tcLtcLDD212主门电路计 数 器距离显示晶 体振荡器脉冲信号输 入30MHz5m75MHz2m150MHz1m（6.67ns)(4) 弛豫振荡使激光能量分散在多个尖
28、峰脉冲上，峰值功率低时间特性差，为获得单个巨脉冲，必须抑制弛豫振荡。 脉冲峰值功率较低几十kw量级, 影响测距距离 时间特性差：多脉冲输出 影响测距精度 获得巨脉冲方法： 调Q 、锁模激光测距仪激光雷达 单模激光器的线宽由那些因素决定 无源腔线宽 有源腔线宽 单模激光器的线宽极限 自发辐射对单模输出线宽的影响 单模激光器输出线宽极限的估算稳频激光器 兰姆凹陷 饱和吸收 习题作业：4,5腔内总光强为二个方向相反的传播场的叠加，只有向输出镜传播的可以出激光器，因此为总场的1/212120lGATIIATPmSvout期中单程总损耗aTTa)1ln(2a 往返一次的内部损耗1221TalGATIPm
32、2sin()0( )( sin)0( )( DDteNtNtentntt1)(212bgabgaNAW其中当1t时，)( ),( tNtnD趋向于0，表明由振荡趋于稳定代入N0，nWR032121t1)(030321tRWWAtnWnAWnnttRt)(,1,032103DD稳态时t外界激发越强，衰减越迅速，振荡频率越高4.5 激光放大器光通过粒子数反转的介质时产生光信号的放大激光放大器激光放大器的分类：1、连续激光放大器 输入信号是连续波或脉冲宽度大于能级寿命，反转粒子数保持稳定状态2、脉冲激光放大器 脉冲小于能级寿命，反转粒子数在极短的时间内达不到稳定状态 3、超短脉冲放
33、大器 当输入信号为飞秒时按工作方式分：1、行波放大器 无反射镜2、再生放大器 有反射镜，构成F-P标准具再生放大器的增益为)(2sin4)1 ()1 (222CSsSvvlrGrGGrGGs单程光强增益，r反射镜反射率，vc放大器本征频率当信号频率和本征频率相同时，增益最大。当r增大时，频率范围变小。当r=0时，G=Gs 为行波放大器，输入信号在荧光谱线范围内均可放大一、横向均匀激励连续激光放大器激光放大器的主要参数：增益、输出功率、增益谱宽增益：输出端光强和输入信号之比0)(IlIG asmIzIGdzzIzdI)(1)()(均匀展宽：a为平均损耗系数对于小信号放大，I(z)1时，I(z)随
34、z增加。PthSPpPIhzIt)()(132、IP(z)随z减小（1）小信号增益I(z)1由输运方程求解得到pthPPPPPPthPIIGlGlII0000lnln2121ln2121lnbbbbbb测量10G时的Ip0，求出Ipth4.15当泵浦功率一定时，参杂光纤长度有一最佳值三、脉冲激光放大器反转粒子数密度和光子数密度是位置和时间的函数1、在脉冲作用时间内，忽略泵浦光对自发辐射和反转粒子数的影响（输入光脉冲宽度远小于上能级寿命）2、反转粒子数在横截面内均匀，随z变化3、工作物质为均匀加宽，信号频率为中心频率，量子效率为1，简并度相等SdzdttzNSdzdttzNtzndtStdzzN
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