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连续激光器的⼯作特性第五章连续激光器的⼯作特性⼀、学习要求与重点难点学习要求1．了解激光器速率⽅程的近似处理；2．掌握激光器振荡阈值条件；3．掌握三、四能级系统的阈值泵浦功率密度；4．理解均匀加宽介质激光器的模竞争，和单纵模振荡；5．理解⾮均匀加宽介质激光器中的烧孔现象，和多纵模振荡；6．理解单模运转激光器在均匀和⾮均匀加宽介质两种情形下的输出功率特性，及其影响因素；7．了解蓝姆凹陷，及其应⽤；8．了解速率⽅程理论的局限性。
重点1.单模、多模激光器速率⽅程建⽴，及其近似⽅法；2.激光器振荡阈值条件；3.阈值泵浦功率密度，及其影响因素；4.单模运转激光器输出功率特性，及其影响因素；难点1.激光器速率⽅程的近似处理；2.激光器涉及的效率；3.单模运转激光器输出功率的影响因素；4.蓝姆凹陷及其应⽤。
2⼆、知识点总结1. 激光器速率⽅程的特点→-=????→全填充激活介质的有限填充忽略模间耦合受激跃迁⼏率差别忽略各模的光⼦寿命、近似⽅法：主要关⼼：单模纵模式：近似⽅法：平⾯波主要关⼼：基模横模式：模式：腔内光⼦寿命正反馈局部损耗光学谐振腔：近似影响腔内光⼦数RR dt d τ??τ ??-?=?+-?-?-?-=-?=?-?-?-=??τ??ηη?η?τ?η?η)()()(:I )()(:I R R R R R P R R R R P n B V dt d n B A n g g nA n B W n n dt n d n B V dt d nA n B W n n dt nd 112211222112211三能级系统四能级系统速率⽅程：3=+++==in outs p P t R t R dP dP S A A S A S S v ηηηηηηνηττδδη激光器斜率效率：＝总量⼦效率：三能级系统四能级系统激光上能级荧光效率三能级系统四能级系统抽运能级驰豫转移效率泵浦量⼦效率：泵浦源光⼦利⽤率：光学谐振腔效率：效率：212121************:I :I :I :I 2. 激光器阈值特性4=?+?≈≈-?+=?≈?-?=≡≡→?l G r g g g g hn V P L hV V P n n A n n g g W A n n n n A n W L G v v g LhvB V n m P H P a pt PH P a pt t t pt t t t pt tH t dt d δνηηηννπδηηηλνννπηηηδνδ?/)(//:I :I )()(:I )()(:I )(:),(:002112122130221122100210000111121114泵浦超阈度：三能级系统四能级系统泵浦功率密度：三能级系统四能级系统泵浦速率：增益系数⼩信号布居反转数密度阈值：上下＝5→-?-≈→→?+??==?-?=?沿轴：多横模⼏个纵模振荡波腹空域：多纵模振荡频域⾮均匀加宽沿轴：多横模⼏个纵模振荡波腹空域烧孔偏移纵模频率向的单纵模振荡靠近均匀加宽纵模数⽬：⾮均匀加宽：均匀加宽出光带振荡：烧孔⾊散压扁增益曲线:::),(log ::H q q H q q mnq osrD os m H os l I G N r q m νννπννδνννννννννν000022211 3. 连续激光器的输出≈==→?=→--=???-=-=-==out R s a R n s a R n m so out s opt pt in p R p out t s out P h V n B L V V L V B n y f y r AT I P l G AI P l G T P P v P h P 22222200122218222)()(])e xp([)()()(::I max ννππ?δπν?δκααανηηητν?激四能级系统⾃发辐射的贡献损耗：极限线宽：⾮均匀加宽：最⼤输出功率：最佳输出耦合：均匀加宽功率输出：三、典型问题的分析思路1、振荡纵模式数问题。
20.1 激光器的阈值条件•从上式可以得出：•δ为平均单程损耗因子。
•不同的纵模具有不同的平均单程损耗因子，因而具有不同的阈值增益系数G t ；•高阶横模的损耗要大于低阶模式，如右图：()0/t G G lνδ≥=20.2 模式竞争•1、均匀加宽的纵模竞争–开始时，G0>G t，νq，νq+1，νq-1都能形成自激振荡；–当G下降到曲线1时，G(νq+1)=G t，此时Iν不再增加，而Iνq和Iνq-1会继续增加；q+1–当G下降到曲线2时，G(νq+1)<G t，此时Iν会逐渐减小而熄灭，G(νq-1)=G t，则Iνq+1不会再增加，而Iνq会继续增加；q-1–当G下降到3时，G(ν)<G t，此时Iνq-1会逐渐减小而熄灭，G(νq)=G t，即腔内q-1只剩下频率为νq的模式继续存在。
20.2 模式竞争–对均匀加宽，总是靠近中心频率的纵模在竞争中获胜，即均匀加宽稳态激光器应该是单纵模输出的。
•2、空间烧孔引起的多模振荡：–A、多纵模–成因如右图：–当空间中剩下反转粒子数较大的区域，若有另一纵模也可能形成振荡；对气体激光器而言，不易出现空间烧孔，而固体激光器一般都存在空间烧孔；–空间烧孔会引起多纵模振荡；–B、多横模：由于不同横模具有不同的横向分布，故消耗反转粒子数也具有横向分布，也能引起多横模振荡。
20.2 模式竞争•3、非均匀加宽–对不同频率ν的入射光，只会引起频率范围ν+dν内的增益饱和，而其他的频率可以顺利形成振荡；–多普勒展宽情况下，每个不等于ν0的入射光将会引发ν0两侧对称的两个烧孔，若νq= ν0，则νq+1与νq-1将会产生竞争，其输出功率为两种模式的随机起伏；–若νq与νq+1之间频率间隔不大于烧孔宽度，他们的烧孔会重合，也会产生模式竞争。
20.3 连续激光器输出功率•1、均匀加宽单模激光器–若T<<1，则I +≈I -，腔内平均光强为，均匀加宽时，I +与I -同时参与加宽：–则–其中G m 为中心频率处小信号增益系数。
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内容主要包括光和物质作用经典理论、速率方程理论、光学谐振腔理论，以及对连续激光器工作特性的分析。
对激光放大器、激光器性能改善技术也做了简要介绍。
《激光原理》可作为高校激光原理课程的`教材，也可供从事激光工作的研究人员、技术人员以及高校有关专业的研究生参考。
激光原理第6版（周炳坤著）：内容简介
第1章激光概论
第2章光和物质的近共振相互作用
第3章速率方程理论
第4章光学谐振腔理论
第5章连续激光器的工作特性
附录A常用物理常数表
附录B激光大事记及在国内发展足迹
激光原理第6版（周炳坤著）：目录
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