激光器的输出特性激光器的输出功率

,上一页,回首页,下一页,回末页,回,目录,第三章 激光器的输出特性,3.5激光器的输出功率,一、稳定出光时激光器内诸参数的表达式,1.,腔内最小的光强,I,+,(0),2.,腔内最大光强,I,-,(2L)=r,2,I,+,(0)exp2L(G-a,内,),3.,输出光强：,I,out,=,t,1,I,-,(2L)=,t,1,r,2,I,+,(0),exp2L(G-a,内,),镜面损耗：,I,h,=,a,1,I,-,(2L)=,a,1,r,2,I,+,(0),exp2L(G-a,内,),剩余部分：,I,+,(0),=,a,1,I,-,(2L)=,a,1,r,2,I,+,(0),exp2L(G-a,内,),4.,由,能量守恒定律可得,：,I,-,(2L)-,I,+,(0)=I,out,+I,h,=(a,1,+,t,1,)I,-,(2L),图（1）腔内光强,3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率,5.,对于腔内任何一处,z,都有两束传播方向相反的行波,I,+,(z),和,I,-,(2L-z),引起粒子数反转分布值发生饱和，增益系数也随之发生饱和。如果近似用平均光强,2,I=I,+,(z)+I,-,(2L-z)，,用,作为腔内的平均增益系数，则腔内的平均行波光强为：,图（4.1.,1,）腔内光强,1.,理想的情况 ，将全反射镜,M,2,上的镜面损耗都折合到,M,1,上，这样对,M,2,有：,二、激光器的输出功率,对,M,1,有：,激光器的总损耗为：,如果 很小，将 用级数展开取一级近似，可得：,则,激光器内行波的平均光强,I,可以化为：,激光器输出光强也可以表示为：,若激光器的平均截面为,A，,则其输出功率为：,三、输出功率与诸参量之间的关系讨论,1.,P,与,Is,的关系:两者成正比,2.,P,与,A,的关系:,A,越大，,P,越大；而高阶横模的光束截面要比基横的大,3.,P,与,t,1,的关系:实际中总是希望输出功率大镜面损耗小，即希望：,这要求,t,1,大，,a,1,小，使,t,1,a,1,，,但,1）,t,1,过大又使增益系数的阈值,G,阈,升高，而如果介质的双程增益系数2,LG,0,不够大将会导致腔内光强减小，使输出功率降低。严重时使腔内不能形成激光。,2）,t,1,过小，虽然使,G,阈,降低光强增强，但镜面损耗,a,1,I,-,(2L),也将增大。,解此方程得：,为了使激光器有最大的输出功率，必须使部分反射镜的透射率取最佳值：,此时，激光器得输出功率为：,一、稳定出光时激光器内诸参数的表达式,1.,腔内最大光强,2.,输出光强：,3.,镜面损耗：,4.最小光强,：,光波在腔内传播情况如图所示：,3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率,即频率为 的光波，和 两束光在增益系数的曲线上 的两侧对称的“烧”了两个孔。如图所示。,这就是非均匀增宽型介质对非中心频率光波的增益系数的表达式；,5.非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变,1）光波的频率 不在非均匀增宽介质的中心频率处，光波在腔内传播时将有两部分粒子 和 粒子对它的放大作出贡献。,腔内不同地点的光强不同，取,I,作为平均光强，当增益不太大时,I=I,+,=I,-,，,则介质对 光波的平均增益系数为：,2）光波的频率为线型函数的中心频率 ，它只能使介质中速度为 的这部分粒子数密度反转分布值饱和。此时腔内的光强为,I,+,+I,-,，,故介质对 的增益系数为：,若用平均光强2,I,来代替 ，则光波在腔中的平均增益系数可表示为：,若腔内各频率的光强都等于,Is，,则 以及 附近的 光波所获得的增益系数分别为：,若增益系数的阈值都相等，则 和 附近频率为 光波的平均光强分别为下值，且前者比后者要弱,：,二、激光器的输出功率,（一）,单频激光器的输出功率,此时腔内的平均光强为：,2.若腔内单纵模的频率为 ，激光器的腔内平均光强为：,激光器的输出光强为：,若 光束的截面为,A，,则激光器的输出功率为：,1.若腔内只允许一个谐振频率，且 ，激光器在理想的情况下，仍有：,激光器输出光强为：,若 光束的截面为,A，,激光器的输出功率为：,上图为 输出功率曲线，其在中心频率处出现一个凹陷，称为“兰姆凹陷”,虽然介质在中心频率处的小讯号增益系数比其他任何频率的小讯号增益系数大，但是由于在中心频率处输出功率的表达式中出现系数1/2，所以激光器对,0,光波的输出功率要比它对,0,附近各频率光波的输出功率还要低。,如果我们使单纵模输出的激光器的谐振频率由小到大变化，则 如图所示,兰姆凹陷的中心频率为 ，宽度大致为均匀增宽的线宽 ，当激光管内气体压力加大时，碰撞增宽使 增大，这将使兰姆凹陷变宽、变浅,，,甚至会使之消失。图(4.2.4)画的是不同气压下输出功率随频率变化的曲线，图中,P,3,P,2,P,1,（二）,多频激光器的输出功率,输出功率为：,1.若腔内只允许多个谐振频率，如果相邻两个纵模的频率间隔大于烧孔的宽度，并且各频率的烧孔都是彼此独立的，则每个纵模的诸参数与其它纵模不存在时一样，有平均光强为：,多频激光器的输出功率为：,纵模 在腔内的平均光强为：,2.若腔内多纵模的频率 对称的分布在 的两侧，也即有一个纵模频率 ，必有另一个纵模频率 ，则在理想情况下有纵模 的增益系数为：,纵模 的输出功率为：,该多模激光器的输出功率为：,