第三章：第三章： 激光放大器与振荡器激光放大器与振荡器3.1 3.1 受激跃迁产生的吸收与受激跃迁产生的吸收与放大放大-粒子布居数反转粒子布居数反转激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件辐射能量交换的三个基本过程 产生激光的机理与两个过程有关。激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件1、受激吸收产生的能量密度的减少激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件谱线轮廓为自然轮廓时, g(v)的形式为：当谱线轮廓为热运动增宽轮廓时，g(v)的形式为(H=N（自然加宽）, L(碰撞加宽) 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件2、受激发射产生的能量密度的增大（从2态到1态的过渡）为：激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件3、两个过程总和激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件0（）=（，0），是入射辐射开始时的数值 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（1）N1N2 热平衡状态 粒子布居按玻尔兹曼分布律 受激吸收过程占优（）0 正吸收，（，z）衰减（2） N1N2 非平衡状态，布局数反转 （）N1,则有（粒子数反转）激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（3）例子：He-Ne632.8nm,3390nm1152.3nm激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件3.3.3.3.行波激光放大器行波激光放大器大多数激光物质制作激光振荡器。兼作激光放大器的实际上有掺钕玻璃、掺铒石英、红宝石、氦氖混合气体、 二氧化碳-氦混合气体等几种物质。1、放大与增益放大与增益 布鲁斯特角为什么？激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（1）光增益系数 3.1节中图3.1关于光通过介质时的吸收情况的分析，知道光的吸收是按指数规律进行的： 对于平行光束，光密度与光强度的关系是 （v）辐射能量密度：单位体积内包含的辐射能量激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件增益系数（单位长度的增益系数）（2）光放大倍数-单次渡越放大激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件2、峰值放大峰值放大 放大（倍数）依赖于频率和工作物质长度l的关系 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件单位长度的增益系数增益系数 对于频率的函数关系跟谱线轮廓因子相类似。 （1）对于均匀加宽-洛仑兹轮廓 峰值放大峰值放大激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（2）非均匀加宽-热运动增宽谱线轮廓 峰值放大峰值放大激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（3）在实际工作中，都是具有热运动增宽谱线轮廓的 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件欲提高增益，往往采用降温的办法，使 变小。激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件3、典型的激光工作物质的 值 激光工作物质参数红宝石300K 掺钕YAG300K 掺钕玻璃300K一般激光气体Ar, Ne,Ke 等气体CO2 300K寿命（秒）3*10-30.2*10-30.8*10-310-82*10-3实际线宽 （周/秒）3*10113*1011101310910105*1094*108101160108激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件4、例子： 峰值获得10%，即G0=1.1所需粒子数反转多少？ 气体激光器 固体激光器 见书P86-88激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件3.4 3.4 再生谐振放大器再生谐振放大器振荡阈值条件振荡阈值条件1、光强度放大与单渡越放大的关系激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件设R1与R2分别为M1与M2镜的反射系数；T1与T2分别为M1与M2镜的透射系数。 反射因子透射因子激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（1）单渡越放大令入射光束为平面波，单位振幅E0=1相位为 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（A）单渡越相位增加（B）单渡越光强放大倍数（C）单渡越振幅放大激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（2）再生振荡放大器 （A）总振幅放大激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（B）总光强度或光能量、光功率放大（C）总光能量放大最大与最小值 （i）激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件 (ii) 依赖频率v激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件2、各放大最大值 间的频率间距以及带宽 （1）间距 相应得到各放大最大值的波长 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件当工作物质为气体时， ，如果入射光恰为正入射， ，与谐振腔纵模间距一致 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件(2)光强度放大与带宽（A）光强有效放大 还是依赖于频率 的 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件 （B）带宽 当 当激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件因为 很小 上式分母相等有激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件故光强放大带宽G=1（无腔源），设 则 与无源腔带宽 一致如 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件2010.03.30激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件3、振荡阈值条件振荡阈值条件 放大损耗激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件4、再生谐振放大器的举例再生谐振放大器的举例 （1）气体氦氖放大器）气体氦氖放大器(平面平行镜组成平面平行镜组成 ) A(A(吸收吸收)+R)+R（反射）（反射）+T+T（透射）（透射）=1=1 若若 (A) 无源腔G=1情况：光强放大按频率的分布 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件各 值间的频率间距，也就是谐振腔的纵模间距 输出带宽为 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（B）对粒子数反转的要求 若单渡越峰值放大 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件T=400K时光谱学实测这个数值远小于管中气体粒子的密度 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（C）单渡越放大及光强放大依赖于频率的关系 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（D）再生谐振放大器输出的谱线带宽 离中心频率越远，该纵模带宽越大（见上页图，书表1-3.4） 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（2）固体红宝石放大器 棒长 ；折射率n=1.78。 两个端面磨平抛光，不镀膜。当入射光束是垂直入射时，红宝石棒端面的反射系数为 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（A）无源谐振腔，这时单渡越放大G=1谱线间的间距： 纵模带宽纵模间不能分辨！激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（B）有源腔 单渡越峰值放大G()=G0 =11 纵模间能分辨！激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件中心频率处的光强放大激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件3.5 3.5 激光振荡器激光振荡器1、激光振荡器及阈值 自发发射相当于入射光激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件上节再生谐振放大器自持振荡的阈值条件是：放大G和反馈系数R的乘积GR叫做环路增益环路增益。 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件为什么？ 上面忽略了自发发射的影响。正确有： GR+A(自发发射)=1 但是GR=1可以估算阈值如果考虑除反射损耗以外的其他损耗（散射、衍射及吸收，损耗因子）故单渡越放大激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件2、阈值粒子数的反转密度 当粒子数反转达到阈值振荡条件GR=1时，个别自发发射便会发展成为自持振荡。振荡首先在光谱线中心频率处以及附近的振荡模频率处建立起来，因为在附近的光强放大 为最大。 （1）阈值的其他表达式及阈值粒子数反转密度 单渡越增益 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件反射镜的反射率一般都很高，即1R0.9。从阈值振荡条件得： G=1/R激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件或者阈值粒子数反转密度阈值粒子数反转密度激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件光子在谐振腔中的寿命带宽内单位体积所含模数目谱线过渡频率的寿命激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件对于自然谱线轮廓，粒子数反转阈值密度对于热运动增宽轮廓，粒子数反转阈值密度 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件3、谐振器的输出谱线宽度实际激光器输出实测：虽然小但物理意义重要！复杂理论推导有 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件因起振时 ，以及一个无源谐振腔所产生的带宽为 是在一个单模中每秒光子的数目（单模激光情况） 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件结论： 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件4、激光振荡器的例举 （1）气体激光器气体激光器：各项参数如下：中心波长：相应的频率：谱线宽度： ；寿命： 激光器长度：反射镜的反射系数：光子在谐振腔中的寿命： 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（A）粒子数反转阈值激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（B）估算阈值抽运功率氦氖能级电抽运相应的频率（有效）阈值抽运功率 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件实际阈值抽运功率 实验数据：有效体积约30立方厘米，管端工作电压约为2500伏，电流约为15毫安，注入电功率为38瓦（IV）。 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（C）估计激光器效率（在阈值时）阈值时，腔内激光束的功率密度为共焦腔模式体积 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件激光器输出的阈值(单模)光功率 电激光转换效率 振荡超过阈值达到最佳输出时 氦氖激光器效率很低！ 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（D）每模光子数 比10000K的非相干光源每模光子数只有0.1个强1016倍。 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（E）单渡越增益氦氖激光是四能级系统（饱和）单渡越增益为 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（F）激光输出谱线宽度无源腔的输出带宽激光器的输出谱线宽度实际上很难达到上述估计数值,为什么？ 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（2）固体红宝石激光器固体红宝石激光器棒长 ；折射率n=1.78中心波长（T=400K） （真空中）频率 （真空中）棒端镀膜，平均反射系数 谱线宽度 寿命 铬离子的密度 光子在谐振腔中的寿命 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（A）粒子数反转阈值密度在带宽范围内单位体积中所含的模数目对于热运动增宽轮廓 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（B）阈值抽运功率 抽运吸收的频率 阈值抽运功率密度如果抽运灯的效率为25%，红宝石的吸收为25%，实际值应为 ，实验值约为 。 脉冲工作方式,阈值能量密度为 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（C）每模光子数按照 很大！实测红宝石输出功率104瓦，这个功率大约分布于200个模中 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件每模的功率每模的光子数 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件（D）单渡越增益起振所要求的饱和单渡越增益 激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件(E)激光输出谱线宽度 观察到小数量模衰减振荡.其弛豫振荡（脉冲）的寿命 远小于纵模间距！激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件激光放大器与振荡器31受激跃迁产生的吸收与课件