深圳大学：《激光原理》课程教学课件（PPT讲稿）第四章 激光振荡特性 第二部分 激光器的振荡模式

激光器的振荡模式二? In this section we contemplate the effect ofhomogenous or inhomogenous broadening onthe laser oscillation·均匀加宽激光器中的模竞争·非均匀加宽激光器的多纵模振荡

二 激光器的振荡模式 •In this section we contemplate the effect of homogenous or inhomogenous broadening on the laser oscillation. •均匀加宽激光器中的模竞争 •非均匀加宽激光器的多纵模振荡

一）均匀加宽激光器中的模竞争1增益曲线均匀饱和引起的自选模作用Q：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，且小信号增益系数g°(v)都大于gt，这些模式是否都能维持稳态振荡？Mode competition

（一）均匀加宽激光器中的模竞争 1 增益曲线均匀饱和引起的自选模作用 Q：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，且小信号增益系数g 0 ()都 大于gt，这些模式是否都能维持稳态振荡？ Mode competition

均匀加宽激光器中建立稳态g.振荡过程中的模竞争1Va-lVoVuVu+1

均匀加宽 激光器中 建立稳态 振荡过程 中的模竞 争

结论：在均匀加宽激光器中，几个满足值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率v.的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其它纵模都被抑制而熄灭。理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模的，其频率总是落在谱线中心附近。（Theideal homogeneously broadened laser canoscillate only at a single frequency.)

• 结论：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值 条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总 是靠近中心频率0的一个纵模得胜，形成稳 定振荡，其它纵模都被抑制而熄灭。理想情 况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵 模的，其频率总是落在谱线中心附近。(The ideal homogeneously broadened laser can oscillate only at a single frequency.)

2空间烧孔引起多模振荡频率为v的纵模在腔内形成稳定振荡时，腔内形成一个驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小，使轴向各点的反转集居数密度和增益系数不同，波腹处增益系数（反转集居数密度）最小，波节处增益系数（反转集居数密度）最大，这种现象称为增益的空间烧孔效应(spatial hole burning)

频率为的纵模在腔内形成稳定振荡时，腔 内形成一个驻波场，波腹处光强最大，波节 处光强最小，使轴向各点的反转集居数密度 和增益系数不同，波腹处增益系数（反转集 居数密度）最小，波节处增益系数（反转集 居数密度）最大，这种现象称为增益的空间 烧孔效应 (spatial hole burning)。 2 空间烧孔引起多模振荡

1q模腔内光强分布(a)A7只有q模存在时的反转集居数密度的分布(6）q'模腔内光强分布图()

q模腔内光强分布 只有q模存在时的反 转集居数密度的分布 q'模腔内光强分布图

由于轴向空间烧孔效应，不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡，这一现象称为纵模的空间竞争，如果激活粒子的空间转移很迅速，空间烧孔便无法形成。·气体工作物质中，粒子作无规则热运动，迅速的热运动消除了空间烧孔，以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振荡

• 由于轴向空间烧孔效应，不同纵模可以使用 不同空间的激活粒子而同时产生振荡，这一 现象称为纵模的空间竞争。 • 如果激活粒子的空间转移很迅速，空间烧孔 便无法形成。 • 气体工作物质中，粒子作无规则热运动，迅 速的热运动消除了空间烧孔，以均匀加宽为 主的高气压激光器可获得单纵模振荡

·固体工作物质中，激活粒子被束缚在晶格上借助粒子和晶格的能量交换形成激发态粒子的空间转移，激发态粒子在空间转移半个波长所需的时间远远大于激光形成所需的时间所以空间烧孔不能消除。以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡。怎样消除？采用含光隔离器的环形行波腔·由于横截面上光场分布的不均匀性，存在横向的空间烧孔。不同横模的光场分布不同，它们分别使用不同空间的激活粒子，当光强足够强时，可形成多横模振荡

• 固体工作物质中，激活粒子被束缚在晶格上， 借助粒子和晶格的能量交换形成激发态粒子 的空间转移，激发态粒子在空间转移半个波 长所需的时间远远大于激光形成所需的时间， 所以空间烧孔不能消除。以均匀加宽为主的 固体激光器一般为多纵模振荡。怎样消除？ 采用含光隔离器的环形行波腔 • 由于横截面上光场分布的不均匀性，存在横 向的空间烧孔。不同横模的光场分布不同， 它们分别使用不同空间的激活粒子，当光强 足够强时，可形成多横模振荡

(二）非均匀加宽激光器的多纵模振荡·由于某一纵模光强的增加，并不会使整个增益曲线均匀下降，而只是在增益曲线上造成对称的两个烧孔，只要纵模间隔足够大，各纵模基本上互不关心，所有小信号增益系数大于g,的纵模都能稳定振荡

（二）非均匀加宽激光器的多纵模振荡 • 由于某一纵模光强的增加，并不会使整个 增益曲线均匀下降，而只是在增益曲线上 造成对称的两个烧孔，只要纵模间隔足够 大，各纵模基本上互不关心，所有小信号 增益系数大于gt的纵模都能稳定振荡

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