《激光原理第五章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光原理第五章（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光放大器分为：连续激光放大器、脉冲激光放大器分为：连续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器激光放大器和超短脉冲激光放大器。椭圆柱聚光腔激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术典型固体激光放大器示意图典型固体激光放大器示意图Laser rod激光振激光振荡器器泵浦灯浦灯储能器能器触触发器器Laser rod泵浦灯浦灯储能器能器触触发器器延延时器器激光放大器的特点激光放大器的特点a a、多数不需要谐振腔镜，为行波放大器。、多数不需要谐振腔镜，为行波放大器。特例：再生放大器。特例：再生放大器。激光原理与技术激光原理与
2、技术激光原理与技术激光原理与技术b b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。c c、振荡级和放大级有机结合可使高的光束质量和、振荡级和放大级有机结合可使高的光束质量和高的能量功率兼得。高的能量功率兼得。d d、振荡级和放大级的匹配需要时间延迟电路。、振荡级和放大级的匹配需要时间延迟电路。e e、激光放大器中存在放大的自发辐射、激光放大器中存在放大的自发辐射(ASE) (ASE) ，其，其功率大，线宽窄于自发辐射，具有一定的方向性，功率大，线宽窄于自发辐射，具有一定的方向性，也可利用，但在激光放大器中为噪声。也可利用，但在激光放大器中为噪声。激光
3、原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术5.1 5.1 放大器分类放大器分类一、按时间特性分类一、按时间特性分类 ( (入射信号脉宽入射信号脉宽t t0 0 及工作物及工作物质弛豫时间质弛豫时间T )T )1 1、分类根据：、分类根据： 被放大被放大信号脉宽信号脉宽t t0 0 与工作物质弛与工作物质弛豫时间豫时间T T的相对大小关系。的相对大小关系。2 2、弛豫时间及分类弛豫时间及分类弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。 纵向弛豫时间纵向弛豫时间T T1 1：反转粒子数的增长与衰减所需：反转粒子数的增长与衰减所需时间。时间。理由：粒子在非基态能
4、级上有有限寿命。理由：粒子在非基态能级上有有限寿命。10-310-4s(固体固体) 10-610-9s(气体气体) 10-9s(半导体半导体)激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术横向弛豫时间横向弛豫时间T T2 2：宏观感应电极化的产生和消亡：宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的。极化强度不是瞬时的。极化强度P(z, t)P(z, t)较较E(z, t)E(z, t)落后的落后的时间时间T T2 2即是横向弛豫时间。即是横向弛豫时间。理由：一方面理由：一方面, ,在电磁场作用下在电磁场作用下, ,工作物质原子产生工作物质原子产生的感应电矩和电磁场同相。另一方面，由于碰撞以的
5、感应电矩和电磁场同相。另一方面，由于碰撞以及晶格振动会使感应电矩的相位无规变化，导致宏及晶格振动会使感应电矩的相位无规变化，导致宏观感应电极化消失，此为消相过程。观感应电极化消失，此为消相过程。10-1110-12 s (固体固体)10-810-9s(气体气体)10-13s (半导体半导体)3 3、激光放大器的分类、激光放大器的分类连续激光连续激光放大器放大器脉冲激光脉冲激光放大器放大器超短脉冲激超短脉冲激光放大器光放大器4 4、连续激光放大器、连续激光放大器激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术(1)(1)条件：当激光放大器的输入信号是连续或非条件：当激光放大器的输入信号是
6、连续或非调调Q Q激光脉冲时，有激光脉冲时，有t t0 0TT1 1。(2)(2)特点：由于光信号与工作物质作用时间足够特点：由于光信号与工作物质作用时间足够长，因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由长，因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数密度均可到达稳态。可用稳态法处理。密度均可到达稳态。可用稳态法处理。5 5、脉冲激光放大器、脉冲激光放大器(1)(1)条件：当条件：当T T2 2tt0 0TT1 1，如调，如调Q Q激光脉冲作为输激光脉冲作为输入信号时。入信号时。(2)(2)特点：因受激辐射而消耗的反转集居数来不
7、特点：因受激辐射而消耗的反转集居数来不及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数密度达不到稳态。子数密度达不到稳态。需用非稳态法处理。需用非稳态法处理。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术6 6、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点均有均有T T2 2tt0 0，可不计粒子和光子相互作用的弛豫，可不计粒子和光子相互作用的弛豫过程，粒子在光场作用下产生的过程，粒子在光场作用下产生的P P所需时间所需时间T T2 2可可忽略，无滞后效应，可忽略粒子和光场相互作忽略，无滞后效应，可忽略粒子和光场相
8、互作用的相位关系。用的相位关系。可用速率方程可用速率方程。7 7、超短脉冲激光放大器、超短脉冲激光放大器当当 t t0 0T0工作物质两端面无工作物质两端面无反射的放大器。反射的放大器。要求：只要求入射光频率在增益介质谱线范围内。要求：只要求入射光频率在增益介质谱线范围内。增益：增益：8 8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲周、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲周期期TTT0增益：用多光束干涉处理增益：用多光束干涉处理工作物质单程传输工作物质单程传输的增益为的增益为: :经过复杂的推算后得经过复杂的推算后得: :为入射光频率为入射光频率二反射面组成的谐振腔的谐振频率二反射面组成的谐振
9、腔的谐振频率激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术(1)当 时:最大增益最大增益(2)当 时:讨论：讨论：可见，仅当入射光频率在谐振腔本征可见，仅当入射光频率在谐振腔本征 频率附近时，才能得到有效放大。频率附近时，才能得到有效放大。 l l、G Gs s、r r 越大，越大，得到有效放大所允许得到有效放大所允许的频率范的频率范 围越窄。围越窄。 当当 r1=r2=0时，时，(行波行波放大器放大器)，则，则 G=Gs。(3) (3) 再生放大器的优缺点再生放大器的优缺点优点优点: : 可获得较高的增益。可获得较高的增益。 缺点缺点: : 频率匹配技术复杂。频率匹配技术复杂。激光
10、原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术5 52 2 均匀激励连续激光放大器均匀激励连续激光放大器的增益特性的增益特性均匀激励的光放大器，工作物质中的小信号增均匀激励的光放大器，工作物质中的小信号增益系数、小信号反转粒子数密度及饱和光强均益系数、小信号反转粒子数密度及饱和光强均为与传输距离无关的常数为与传输距离无关的常数。1 1、输入信号强度对放大器增益的影晌、输入信号强度对放大器增益的影晌激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 小信号增益小信号增益前置放大器前置放大器若入射光信号非常微弱，若入射光信号非常微弱，工作物质短，且：工作物质短，且：小信号小信号增益增益
11、: :可用作前置放大器可用作前置放大器 大信号增益大信号增益( (饱和状态饱和状态)功率放大器功率放大器入射光较强，工作物质长，且：入射光较强，工作物质长，且：激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术目标：求目标：求 及及 (显式或隐式显式或隐式)(1) (1) 归一化输出光强归一化输出光强 (2) (2) 增益增益 激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术2 2、最大输出光强、最大输出光强3 3、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄中心频率处增益大，偏离中心频率处增益小，中心频率处增益大
12、，偏离中心频率处增益小，放大器输出光轮廓将比入射光谱线轮廓窄。放大器输出光轮廓将比入射光谱线轮廓窄。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术5.5.3 3 纵向光激励连续激光放大器增益特性纵向光激励连续激光放大器增益特性一、连续激光放大器一、连续激光放大器 以三能级光纤放大器为例讨论连续激光放大以三能级光纤放大器为例讨论连续激光放大器的增益特性。器的增益特性。 用纵向泵浦方式，信号光强用纵向泵浦方式，信号光强I(z)(I(z)(光功率光功率P(z)P(z)、泵浦光强泵浦光强I Ip p(z)(z)(光功率光功率P PP P(z)(z)及小信号及小信号反转集居数密度均随光传播距离
13、反转集居数密度均随光传播距离z z变化。变化。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 不考虑激活离子的横向分布，假设不考虑激活离子的横向分布，假设 f1=f2f1=f2， F F1 1忽略光纤的损耗，只考虑泵浦光与信号忽略光纤的损耗，只考虑泵浦光与信号光同向传输的工作方式。描述信号和泵浦光强光同向传输的工作方式。描述信号和泵浦光强变化的输运方程。变化的输运方程。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术稳态速率方程为稳态速率方程为激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术n n为光纤中掺杂为光纤中掺杂( (Er Er 3+3+) )离子数密度。离子
14、数密度。S S3232很大很大描述归一化信号光强及泵浦光强变化的输运方程描述归一化信号光强及泵浦光强变化的输运方程激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 掺杂光纤中信号光和泵浦光的小信号吸掺杂光纤中信号光和泵浦光的小信号吸收系数，泵浦光沿着光的传输方向因被吸收系数，泵浦光沿着光的传输方向因被吸收而逐渐衰减收而逐渐衰减. .激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术信号光逐信号光逐渐增长渐增长信号光逐信号光逐渐减弱渐减弱信号光增长或信号光增长或衰减的阀值泵衰减的阀值泵浦光强浦光强激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术二二. .小信号增益小信号增益
15、 若光纤放大器中信号光很弱若光纤放大器中信号光很弱, ,则放大器小则放大器小信号增益信号增益G G0 0与信号光强无关，但和入射泵与信号光强无关，但和入射泵浦光光强及掺杂光纤长度有密切关系。浦光光强及掺杂光纤长度有密切关系。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 归一化小信号增益和归一化掺铒光纤长度关系曲线归一化小信号增益和归一化掺铒光纤长度关系曲线激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 归一化小信号增益和归一化泵浦功率关系曲线归一化小信号增益和归一化泵浦功率关系曲线激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 小信号增益小信号增益G G0 0随
16、泵浦光功率的增加而增大，随泵浦光功率的增加而增大，当光纤长度一定时，泵浦光过强，未被充当光纤长度一定时，泵浦光过强，未被充分吸收的过剩泵浦光能量从输出端逸出，分吸收的过剩泵浦光能量从输出端逸出，对提高放大器的增益不起作用。对提高放大器的增益不起作用。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 三饱和增益和输出功率三饱和增益和输出功率 小信号工作状态下虽能得到较大的增益，小信号工作状态下虽能得到较大的增益，但光放大器的输出光功率很小，只适于用但光放大器的输出光功率很小，只适于用作前置放大器。对于需要输出相当光功率作前置放大器。对于需要输出相当光功率的光纤放大器，通常工作于大信号增益
17、饱的光纤放大器，通常工作于大信号增益饱和状态。和状态。 激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 输出信号光功率输出信号光功率P Pl l和输入信号光功率和输入信号光功率P P0 0的关系曲线呈饱和状，光放大器的增益将的关系曲线呈饱和状，光放大器的增益将随输出光功率随输出光功率P(l)P(l)增加而下降。增加而下降。 曲线的平坦部分对应于小信号工作区，曲线的平坦部分对应于小信号工作区，增益较小信号增益下降增益较小信号增益下降3 3dBdB所对应的输出功所对应的输出功率称作光放大器的率称作光放大器的饱和输出功率饱和输出功率，它表征，它表征光放大器的高功率输出能力。光放大器的高功率
18、输出能力。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术图图 掺铒光纤放大器的增益饱和特性掺铒光纤放大器的增益饱和特性激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 当泵浦光功率一定时，若光纤长度当泵浦光功率一定时，若光纤长度等于最佳长度，则光放大器具有最大增等于最佳长度，则光放大器具有最大增益益G G0 0，相应的最大输出光功率为相应的最大输出光功率为P Pm m, ,由此由此可求出可求出GmGm及相应的及相应的PmPm和输入信号光功率和输入信号光功率P P0 0及泵浦光功率及泵浦光功率PpPp的关系。的关系。 以上分析是针对纵向泵浦的光纤放以上分析是针对纵向泵浦的光纤放
19、大器，增益饱和特性对其他连续激光放大器，增益饱和特性对其他连续激光放大器也有普遍意义。大器也有普遍意义。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 图图 归一化信号输入输出光功率特性归一化信号输入输出光功率特性激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术5.5.4 4脉冲激光放大器的增益特性脉冲激光放大器的增益特性 脉冲激光放大器的工作特性主要为：脉冲激光放大器的工作特性主要为：1.1.放大器的增益与长度放大器的增益与长度l l、初始反转集居初始反转集居数数 n n0 0与输入信号能量的关系。与输入信号能量的关系。2.2.输出脉冲的波形。输出脉冲的波形。 激光原理与技
20、术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术分析脉冲放大器的工作特性时，假设：分析脉冲放大器的工作特性时，假设：入射信号脉宽远小于放大器的荧光寿命，入射信号脉宽远小于放大器的荧光寿命，忽略在短时间内光泵抽运和自发辐忽略在短时间内光泵抽运和自发辐射对反转集居数的影响射对反转集居数的影响。在连续波放。在连续波放大器中，它们的影响是不能忽略的。大器中，它们的影响是不能忽略的。在工作物质横截面内的反转集居数均匀分在工作物质横截面内的反转集居数均匀分布。布。工作物质谱线是均匀加宽线型，入射信号工作物质谱线是均匀加宽线型，入射信号波长为谱线中心波长。波长为谱线中心波长。激光原理与技术激光原理与技术激光原理
21、与技术激光原理与技术 一一. .输运方程输运方程初始反转集居数初始反转集居数 n n0 0, ,在在t=0t=0时刻光脉冲信号时刻光脉冲信号I I0 0(t)(t)沿着沿着z z轴方向入射。光信号不断被放大，轴方向入射。光信号不断被放大，反转集居数不断被消耗，单位体积中的反转聚反转集居数不断被消耗，单位体积中的反转聚居数及光子数分别为居数及光子数分别为 n(z,t)n(z,t)及及N(zN(z，t)t)光子流强度光子流强度激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 描述描述J J（z z，t)t)及及 n(z,t)n(z,t)变化的方程称作脉冲变化的方程称作脉冲行波放大器的行波放
22、大器的输运方程输运方程。光泵及自发辐射的影。光泵及自发辐射的影响在短脉冲作用时可忽略不计，响在短脉冲作用时可忽略不计， f1=f2f1=f2， F F1 1可得到三能级系统脉冲行波放大器的输运方可得到三能级系统脉冲行波放大器的输运方程程激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 对于四能级系统脉冲行波放大器对于四能级系统脉冲行波放大器, ,由于在很短由于在很短的入射信号作用期间，四能级系统激光下能级的入射信号作用期间，四能级系统激光下能级往往来不及抽空，所以可看作准三能级系统。往往来不及抽空，所以可看作准三能级系统。 激光放大激光放大器示意图器示意图输运方程的输运方程的边界条件为
23、边界条件为激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 二、脉冲放大器的输出能量及能量增益二、脉冲放大器的输出能量及能量增益放大器输入信号的能量为放大器输入信号的能量为输出信号能量为输出信号能量为激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术放大器的能量增益放大器的能量增益输运方程解输运方程解J(J(l l) )在小信号情况下在小信号情况下, ,随随l l指数增加指数增加对于强入对于强入射信号射信号激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 当放大器长度增大到一定程度后，输出能当放大器长度增大到一定程度后，输出能量趋于饱和。量趋于饱和。 放大器可能输出的最大
24、总光子数密度为与放大器可能输出的最大总光子数密度为与输入能量无关。输入能量无关。 初始反转集居数越大，放大器的损耗越小，初始反转集居数越大，放大器的损耗越小，则放大器可能输出的能量越大。则放大器可能输出的能量越大。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术脉冲放大器输出能脉冲放大器输出能量和长度的关系量和长度的关系 当损耗系数极小时，当损耗系数极小时，可将放大器看作一无损可将放大器看作一无损耗放大器，在无损放大耗放大器，在无损放大器中，输出能量及能量器中，输出能量及能量增益随放大器长度的增增益随放大器长度的增加而增加加而增加激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术
25、三、功率增益与脉冲宽度变窄三、功率增益与脉冲宽度变窄输入光脉冲强度很弱输入光脉冲强度很弱 脉冲的任一部分功率增益是相等的，输出脉冲的任一部分功率增益是相等的，输出脉冲波形没有畸变。脉冲波形没有畸变。 功率增益随功率增益随 n n0 0和和l l的增加而指数地增加。输的增加而指数地增加。输入光脉冲较强，这时入光脉冲较强，这时t t越大，越大，G GP P(t)(t)越小。越小。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居数尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通数尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通过时，前沿引起的
26、受激辐射已使反转集居数过时，前沿引起的受激辐射已使反转集居数降低，所以后沿只能得到较小的增益。降低，所以后沿只能得到较小的增益。 结果输出脉冲形状发生畸变，矩形脉冲变结果输出脉冲形状发生畸变，矩形脉冲变成尖顶脉冲，脉冲宽度变窄。成尖顶脉冲，脉冲宽度变窄。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术输入矩形脉冲输入矩形脉冲 输入矩形光脉冲时输出输入矩形光脉冲时输出光光 脉冲形状的变化脉冲形状的变化 入射光脉冲越强，初始反转集居数密度越入射光脉冲越强，初始反转集居数密度越大，放大器越长，则其饱和效应越严重，因大，放大器越长，则其饱和效应越严重，因而脉宽变窄越显著。而脉宽变窄越显著。激光
27、原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术5.5.5 5 放大的自发辐射放大的自发辐射( (ASE)ASE) 按照激励强弱程度的不同，工作物质可处于三按照激励强弱程度的不同，工作物质可处于三种状态种状态弱激发弱激发反转激发反转激发，激励较强，则工作物质对自发辐，激励较强，则工作物质对自发辐射有放大作用，但不满足阈值条件，不能形成射有放大作用，但不满足阈值条件，不能形成自激振荡，输出光是放大的自发辐射。自激振荡，输出光是放大的自发辐射。超阈值激发状态超阈值激发状态；激励很强，可形成自激；激励很强，可形成自激振荡而产生激光。输出光中所包含的放大的自振荡而产生激光。输出光中所包含的放大的自
28、发辐射可以忽略。发辐射可以忽略。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 放大自发辐射的不利影响：在激光放大器中，放大自发辐射的不利影响：在激光放大器中，除了输入信号被放大外，不可避免地存在放大的除了输入信号被放大外，不可避免地存在放大的自发辐射，放大的自发辐射的存在自发辐射，放大的自发辐射的存在增加了放大器增加了放大器的噪声的噪声。自发辐射引起的受激辐射使自发辐射引起的受激辐射使激光上能级寿命减少激光上能级寿命减少。 无谐振腔的激光器无谐振腔的激光器：氮分子和氢分子激光：氮分子和氢分子激光器都属于此类。无谐振腔激光器的输出光实质器都属于此类。无谐振腔激光器的输出光实质上是放大
29、的自发辐射。上是放大的自发辐射。 无谐振腔激光器应用在真空紫外及无谐振腔激光器应用在真空紫外及x x射线波段射线波段。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 当放大的自发辐射引起的上能级粒子衰当放大的自发辐射引起的上能级粒子衰减与其他弛豫过程减与其他弛豫过程( (自发辐射及无辐射跃迁自发辐射及无辐射跃迁) )造成的衰减率可以比拟时，反转粒子数将显造成的衰减率可以比拟时，反转粒子数将显著下降，因而著下降，因而增益系数也随之下降增益系数也随之下降放大的放大的自发辐射造成的增益饱和效应，使放大器的自发辐射造成的增益饱和效应，使放大器的净增益下降。净增益下降。放大器的增益系数越大，工
30、作物质长度越长，放大器的增益系数越大，工作物质长度越长，放大的自发辐射就越严重放大的自发辐射就越严重。在放大器中，放大。在放大器中，放大的自发辐射是有害的，在设计与应用放大器时的自发辐射是有害的，在设计与应用放大器时应设法减少其影响。应设法减少其影响。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术一、放大的自发辐射的强度一、放大的自发辐射的强度 激光工作物质的增益系数越高，长度越长，放激光工作物质的增益系数越高，长度越长，放大的自发辐射强度大的自发辐射强度j j也就越大。也就越大。 当工作物质较短或小信号增益系数较小时，当工作物质较短或小信号增益系数较小时，j j按指数规律随按指数规
31、律随z z增大而增加。但当工作物质较长增大而增加。但当工作物质较长或小信号增益系数较大时，放大的自发辐射强度或小信号增益系数较大时，放大的自发辐射强度达到一定程度后将引起增益饱和。达到一定程度后将引起增益饱和。 无腔激光器中有两束背向传输的光无腔激光器中有两束背向传输的光J+J+和和J-J-分分别自二端口出射，共同影响增益饱和行为，在端别自二端口出射，共同影响增益饱和行为，在端口处，由于放大的自发辐射光增强，饱和效应显口处，由于放大的自发辐射光增强，饱和效应显著。著。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术图图 氮激光器氮激光器337337nmASEnmASE功率和长度的关系功
32、率和长度的关系激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术图图 典型典型ASEASE激光器内增益饱和及行波光强激光器内增益饱和及行波光强激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术二、放大的自发辐射的方向性二、放大的自发辐射的方向性 自发辐射均匀分布于自发辐射均匀分布于4 4 立体角内，而带有谐立体角内，而带有谐振腔的激光器的输出激光具有很好的方向性。振腔的激光器的输出激光具有很好的方向性。放大的自发辐射的方向性则介于二者之间放大的自发辐射的方向性则介于二者之间。 图图 分析放大的自发辐射方向性分析放大的自发辐射方向性激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与
33、技术 由于从不同点出发的自发辐射行进到输出端由于从不同点出发的自发辐射行进到输出端所经历的路程不同，所以对放大的自发辐射的贡所经历的路程不同，所以对放大的自发辐射的贡献不同。献不同。 发散角和激光工作物质的尺寸有关，发散角和激光工作物质的尺寸有关，d df f越越大，则发散角越大；发散角还和激励程度有关，大，则发散角越大；发散角还和激励程度有关，激励越大，发散角越大。激励越大，发散角越大。 工作物质侧壁的多次反射也会使发散角增加，工作物质侧壁的多次反射也会使发散角增加，因此有时为了减小发散角而将侧壁打毛。因此有时为了减小发散角而将侧壁打毛。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技
34、术 一般单模激光器中由于谐振腔的作用，具一般单模激光器中由于谐振腔的作用，具有很好的单色性。放大的自发辐射的谱线宽有很好的单色性。放大的自发辐射的谱线宽度大于单模激光器线宽。度大于单模激光器线宽。在考虑放大的自发辐射时，与物质发生相互在考虑放大的自发辐射时，与物质发生相互作用的光与工作物质的谱线宽度可相比拟，作用的光与工作物质的谱线宽度可相比拟，不能简单地按照准单色光问题来处理。不能简单地按照准单色光问题来处理。三、放大的自发辐射的线宽三、放大的自发辐射的线宽激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 自发辐射较弱时放大的自发辐射谱线比自自发辐射较弱时放大的自发辐射谱线比自发辐射
35、谱线窄。增益越大，则变窄程度越大。发辐射谱线窄。增益越大，则变窄程度越大。变窄的原因是谱线中心的增益系数较偏离中变窄的原因是谱线中心的增益系数较偏离中心频率时的增益系数大，而放大的自发辐射心频率时的增益系数大，而放大的自发辐射强度是增益系数的指数函数。强度是增益系数的指数函数。 当传播距离足够远，以致放大的自发辐射当传播距离足够远，以致放大的自发辐射强度足够大时将引起增益饱和时，在均匀加强度足够大时将引起增益饱和时，在均匀加宽及非均匀加宽工作物质中谱线变窄的行为宽及非均匀加宽工作物质中谱线变窄的行为是不同的。是不同的。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术 均匀加宽工作物质中
36、均匀加宽工作物质中，当放大的自发辐射强，当放大的自发辐射强度足够大时，整个增益曲线将均匀下降，谱线度足够大时，整个增益曲线将均匀下降，谱线变窄，但因为增益曲线幅度较低，变窄变得缓变窄，但因为增益曲线幅度较低，变窄变得缓慢。慢。 非均匀加宽工作物质中非均匀加宽工作物质中，由于谱线中心附，由于谱线中心附近饱和程度较偏离中心频率处大，随着近饱和程度较偏离中心频率处大，随着z z的增的增大，增益曲线及自发辐射谱线均变宽，因此使大，增益曲线及自发辐射谱线均变宽，因此使放大的自发辐射谱宽再度变宽，最后谱线宽度放大的自发辐射谱宽再度变宽，最后谱线宽度回复到初始情况回复到初始情况激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术图图 均匀加宽工作物质均匀加宽工作物质sHsH-g-g0 0( ( 0 0)l)l理论曲线理论曲线激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术图图 非均匀加宽工作物质非均匀加宽工作物质sisi/ /D D-g-g0 0( ( 0 0)l)l 理论曲理论曲线线激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术
