深圳大学电子科学与技术学院：《激光原理 Principle of Laser》课程教学资源（PPT课件）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 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

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()都 大于g',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

gI g(v) 均匀加宽 3 激光器中 建立稳态 振荡过程 中的模竞 争 a-1如o +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。(The ideal homogeneously broadened laser can oscillate 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ν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

L 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 (b) q'模腔内光强分布图 C

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 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

激发增强