新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性03.ppt
1.9连续与脉冲激光,一、固体三能级系统速率方程组,1.能级,2.跃迁过程,(1)在激励泵源的作用下,基态E1上的粒子被抽运到能级E3上,抽运几率设为W13.在光激励情况下,W13即为受激吸收跃迁几率.对于其他激励方式,则W13只表示粒子在单位时间内被抽运到E3的几率。,(2)到达高能级E3的粒子数将主要以无辐射跃迁(热弛豫)的形式极为迅速地转移到激光上能级E2,其几率设为S32.另外,n3也能以自发辐射(几率A31)无辐射跃迁(几率S31)等方式返回基态E1,但对于一般激光工作物质来说,这种消激励过程的几率很小,即S31S32,A31S32.,(3)激光上能级E2一般都是亚稳能级,在未形成集居数反转之前,粒子将主要以自发跃迁(几率A21)形式返回E1,并且A21较小,即粒子在E2上的寿命较长。另外,n2粒子也可能通过无辐射跃迁(几率S21)返回E1，一般情况下S21f2n1/f1).一旦出现这种情况,则在E2和E1间的受激辐射和吸收跃迁(W21和W12)将占绝对优。,红宝石在室温下的一些跃迁几率数据为:S320.5107s-l,A313105s-1,A210.3103s-1,S21,S310.,3.速率方程,三能级系统激光工作物质的典型例子是红宝石晶体。,激光器光腔内的光子数密度(单位体积内的光子数)如何随时间的变化呢?,设腔内只存在一个模式,其光子寿命为,则光子数密度的增长率,三能级系统速率方程组,式中,为E3E2的量子效率,为E2上粒子寿命,二、速率方程的解,激光器的工作方式是由什么决定的呢?,-主要由外抽运速率W13的时间行为决定的.,0t,W130,脉冲,连续,单脉冲,重频脉冲,W13=,W0,titti+T,0,t为其它值,求解方程时由于E3E2无辐射跃迁极快，,设激光器工作在阈值附近,可见，t=t0时获得最大值,tt0时,W13=0,三、激光器的工作状态,1.短脉冲运转,设2为E2能级上粒子寿命,t02,tt0时,tt0时,t=t0时,最大,重频脉冲,t0,0,t,W13(t),W0,t0,0,t,n2(t),n2(t0),T,T+t0,T,T+t0,2.长脉冲和连续运转,若t02,则当t增至t1,以至于2 t1 t0,常数,t1t0,t0,连续,1.10粒子数反转分布条件,一、稳态工作情况,稳态时,A31S32,S21A21,实现粒子数反转的条件为,二、瞬态工作情况,若A31S32,S21A21,则,实现粒子数反转的条件为,1.11 激光放大的阈值条件,一、阈值增益系数和粒子数,设腔的单程总损耗率为,设光强为I0的光在腔内往返一周后变为I,可得阈值增益条件为,不同纵模有近似相等的Gth,不同横模有不同的Gth,高阶横模比低阶横模有较大的Gth,E2能级的阈值粒子数密度,二、连续/长脉冲光泵阈值功率,t2,N1、N2 均达稳态,这就是连续/长脉冲光泵阈值条件,稳态时光泵功率,三、短脉冲工作,t0 2,短脉冲,下,工作物质在每个脉冲内吸收光泵能量,1.12 均匀加宽激光器的 模竞争和频率牵引,一、均匀加宽激光器中的模竞争,1.稳态工作的增益曲线,稳态,2.模竞争,由于饱和效应，增益曲线将随光强的上升而不断下降。,如果有多个模式的谐振频率落在均匀加宽增益曲线范围内，且其小信号增益系数G0()均大于Gth那么,这些模式是否都能维持稳态振荡呢?,设有频率为q-1、q和q+1的三个模式,开始时,对这三个模式来说,小信号增益系数都大于Gth,因而I(q-1)、I(q)、I(q+1)都逐渐上升。,Gth,当增益曲线下降到A时,不再增加.,当增益曲线下降到B时,增益曲线,0,不再增加.,增益曲线,0,最后增益曲线下降到C时,达到稳定,二、频率牵引,1.无源腔和有源腔,激光腔内工作物质增益为0的腔就为无源腔,激光腔内工作物质增益恒大于0的腔就为有源腔.,2.色散现象 激光工作物质在增益(或吸收)曲线中心频率。附近呈现强烈的色散,即折射率随频率而急剧变化。色散随工作物质增益系数的增高而增大。增益系数为 零时,折射率为常数,记为0。增益系数不为零时,折 射率是频率的函数,记为()。,无源腔中,有源腔中,3.频率牵引,对于均匀加宽工作物质,稳态条件下,令,为无源腔线宽,讨论,在有源腔中,由于增益物质的色散,使纵模频率比无源腔同序数纵模频率更靠近工作物质的中心频率,这种现象叫做频率牵引.,频率牵引定义:,1.13 激光的输出特性,一、均匀加宽连续激光器的输出功率,只要,直到,稳态,对于均匀加宽激光器,在驻波腔内对输出有贡献的只有I+,设A为激光束的有效横截面积,I+,I-,T,P,I,P,T有一最佳值,则,此时,二、脉冲激光器的输出能量,若,则,I,N2,若,则,I迅速衰减至熄灭.,E2能级剩余的N2thV个粒子以较慢的速度自发辐射回基态.,所以,对激光能量有贡献的上能级粒子数为,所以,腔内能量为,输出能量为,1.14 激光器的泵浦技术,一、直接泵浦,二、间接泵浦,自上而下,泵浦,转移,激光,作 业,1.请写出第一章小结.2.红宝石激光器是一个三能级系统,设Cr3+的N=1019/cm3,21=310-3s,今以波长=0.5100m的光泵激励。试估算单位体积的阈值抽运功率。,
