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1、第第 9 讲讲激光器的振荡模式 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选模技术 选横模 选纵模作业: 5-2, 4，7；7-2 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5.2 激光器的振荡模式 ( Oscillation mode ) 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）出发讨论腔内可能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，从增益增益饱和饱和机制出发，讨论激光器的输出模式一、均匀加宽激光器的
2、振荡模式 1. 均匀加宽激光器中的模竞争及自选模自选模作用 g0(n). 满足阈值条件的几个模在振荡过程中，由于增益饱和效应，别的模被抑制下去，唯独剩下最靠近中心频率的那个模，这种现象称之为模竞争（mode competition）稳态增益.g0(n)结论：无论起始时满足振荡条件有多少个纵模，理想理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模。情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单纵模。 时， 达到稳态值 大信号增益阈值增益时为稳态增益2. 增益空间烧孔效应增益空间烧孔效应及其引起的多模振荡 解释在泵浦激励较强情况下，均匀加宽激光器(尤其固 体激光器)产生多模振荡的原因 烧孔效应（第四章）
3、光谱烧孔效应或频域烧孔效应 轴向空间烧孔效应的形成 (设横向分布均匀) 腔内驻波场分布 增益空间分布g(z) 增益空间烧孔 波腹光强大；波节光强小 轴向驻波场分布导致工作物质 中各点增益不同增益空间烧孔 波腹g 小；波节 g 大烧孔间距在波长量级波长量级 空间烧孔的形成条件: 驻波腔 粒子空间转移速度较慢气体: 无规热运动,空间转移迅速,难以形成空间烧孔固体: 如Cr离子束缚在晶格结构上，转移l/4需10-4 S半导体: 10-7 S 空间烧孔引起的多模振荡 当激励作用较强时, 不同纵模 可使用腔内不同部位的高能级 粒子而同时发生振荡 纵模的空间竞争纵模的空间竞争q可形成较弱的振荡 横向空间烧
4、孔的形成原因 横模粒子数的空间分布不均匀, 横向烧孔尺度较大(mm量级), 粒子的迁移不能消除这种不均匀性 当激励作用足够强时, 不同横模可以分别使用不同空间的激活粒子而形成多横模振荡要点：什么是激光振荡模式？激光输出模式由那些因数决定？ 增益饱和在激光振荡中所起的作用？（均匀和非均匀加宽） 模竞争在均匀加宽和非均匀加宽介质中的表现？ 空间烧孔的产生及其对振荡模式的影响？二、非均匀加宽激光器的振荡模式1、外激励 g0满足阈值条件纵模振荡模式数 只要模间隔足够大，各个纵模互不相关2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现 若纵模频率n1, n2 对称分布在中心频率 n0 两侧，消耗相同速度 vz的反转粒
5、子数 相邻纵模的烧孔重叠 n1n2Dn烧孔宽度 振荡线宽振荡线宽小信号增益等于阈值增益时所对应的宽度三、选模 ( P.211 ) 选模意义： 基横模（TEM00）发散角小空间相干性 单纵模 单色性好时间相干性1. 横模选择 横模选择的物理基础： 不同横模有不同的衍射损耗 横模选择原则 尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗差 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总损耗中的比例 横模选择方法 谐振腔设计 小孔光阑 非稳腔 微调谐振腔合理选择腔型及腔结构参数，使 TEM00和 TEM10模之间有足够的差异圆形平面镜腔圆形镜共焦腔 小孔光阑选横模小孔小孔小孔小孔基本思路： 减小谐振腔的菲涅耳
6、数，增加衍射损耗 TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸特点：方法简单 不易获得大功率输出小孔光阑选模聚焦光阑选模 非稳腔选横模 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波 微调谐振腔微调谐振腔 高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，模体积大双凸平凹平凸单程放大率往返一周放大率双凸腔本征函数本征值2. 纵模选择提高时间相干性 在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 纵模选择原则 扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差 选纵模方法 短腔法缩短腔长，增大纵模间隔适用于荧光线宽窄的激光器适用于荧光线宽窄的激光器 单模单模YAG：例：He-Ne 腔内插入 F-P标准具F-P标准具的设计考虑
7、L激光工作物质插入FP后自由光谱区透射宽度 组合腔LD分布反馈(DFB)半导体激光器 （Distributed Feedback）p-TYPEn-TYPEGRATINGP-TYPEn-TYPEDBRDBR分布布喇格反射(DBR)外腔半导体激光器隔离器激光工作物质抑制空间烧孔效应 行波环形腔 5.3 输出光功率与能量 讨论稳态情况下的平均光强平均光强 估算激光器输出功率一、连续(长脉冲)激光器输出功率 单模激光器（设第 l 模，频率为nq )T1=0T1=TI+I-饱和加深g(n)gt饱和（稳态光强）不变1. 均匀加宽激光器( n=n0 )假设 如何求腔内 In 同时参与饱和I+I-T1=0T1
8、=T时腔内的光强 气体激光器TI2。试分别画出两种情况下试分别画出两种情况下反转粒子数按速度分布曲线，并标出烧孔位置。反转粒子数按速度分布曲线，并标出烧孔位置。课堂练习（4/21 第 9 讲）专题学习研究报告专题学习研究报告学习小组人员组成：学习小组人员组成：12人人 / 组组研究题目：在教师提供的参考题目中挑选或就你自己感兴研究题目：在教师提供的参考题目中挑选或就你自己感兴 趣的专题自行立题（可结合趣的专题自行立题（可结合SRT课题的调研）课题的调研）考核：每人独立完成学习报告一篇；考核：每人独立完成学习报告一篇； 每小组由一人在期末（第每小组由一人在期末（第16周）在课堂上作周）在课堂上作10分钟分钟 口头报告口头报告学习报告要求：字数不少于学习报告要求：字数不少于4K字字 附参考文献（其中附参考文献（其中23篇应是英文参考文献）篇应是英文参考文献）学习报告截止时间：期末考试前学习报告截止时间：期末考试前
