1、激光原理与应用激光原理与应用第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性内容概要内容概要本章主要内容：本章主要内容：1.光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论2.对称共焦腔内外的光场分布对称共焦腔内外的光场分布3.高斯光束传播特性高斯光束传播特性4.稳定球面腔的光束传播特性稳定球面腔的光束传播特性5.激光器的输出功率激光器的输出功率6.激光器的线宽极限激光器的线宽极限7.激光光束质量的品质因子激光光束质量的品质因子M2第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.1 3.1.1 菲涅尔菲涅尔-基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式1.惠更斯
2、菲涅耳原理图3-1 惠更斯-菲涅耳原理 菲涅耳引入了干涉的概念，补充了惠更斯原理，认为子波源所发出的波应该是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。为描述波的传播过程惠更斯提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.1 3.1.1 菲涅尔菲涅尔-基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式2.菲涅尔基尔霍夫衍射公式 设波阵面上任一源点 的光场复振幅为 ，则空间任一观察点P的光场复振幅 由下列积分式计算：图3-1 惠更斯-菲涅耳原理P)(Pu)
3、(Pu)cos1()(4)(dsePuikPuik式中 为源点 与观察点 之间的距离；为源点 处的波面法线 与 的夹角；为光波矢的大小，为光波长；为源点 处的面元。PPPnPP/2kPds 基尔霍夫进一步用格林函数的方法求解了波动方程，于是得到了惠更斯菲涅耳原理的数学表达式。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.2 3.1.2 光学谐振腔的自再现模积分方程光学谐振腔的自再现模积分方程1.自再现模概念 图3-2 镜面上场分布的计算示意图实验和数值模拟都可证明，当光波在光学谐振腔内多次传播后，光场分布在腔内往返传播一次后能够“再现”出
4、来，只是强度发生变化。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.2 3.1.2 光学谐振腔的自再现模积分方程光学谐振腔的自再现模积分方程2.自再现模积分方程图3-2 镜面上场分布的计算示意图图(3-2)所示为一个圆形镜的平行平面腔，镜面 和 上分别建立了坐标轴两两相互平行的坐标 和 。利用上式由镜面 上的光场分布可以计算出镜 上的场分布函数，即任意一个观察点的光场强度。MMyx yx MM假设 为经过q次渡越后在某一镜面上所形成的场分布，表示光波经过q+1次渡越后，到达另一镜面所形成的光场分布，则 与 之间应满足如下的迭代关系：),(
5、yxuq1ququ),(1yxuq)cos1(),(4),(1dseyxuikyxuMikqq第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论图3-2 镜面上场分布的计算示意图考虑对称开腔的情况，按照自再现模的概念，除了一个表示振幅衰减和相位移动的常数因子以外，应能够将 再现出来，两者之间应有关系：1ququqquu1综合上两式可得：)cos1(),(4),()cos1(),(4),(dseyxuikyxudseyxuikyxuikMikMqq)cos1(),(4),(1dseyxuikyxuMikqq第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性
6、3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论对于一般的激光谐振腔来说，腔长L与反射镜曲率半径R通常都远大于反射镜的线度a，而a又远大于光波长 。对上式做两点近似可得到自再现模所满足的积分方程：),(),(),(dsyxuyxyxKyxuqmnmn),(),(2),(yxyxikyxyxikeLieLikyxyxK其中 ，称为积分方程的核。umn 和mn 的下标表示该方程存在一系列的不连续的本征函数解与本征值解，这说明在某一给定开腔中，可以存在许多不同的自再现模。umn代表了自再现模的光场分布，mn代表了光场分布的强度变化和相位移动情况。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1
7、光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.2 3.1.2 光学谐振腔的自再现模积分方程光学谐振腔的自再现模积分方程3.积分方程解的物理意义本征函数 的模代表对称开腔任一镜面上的光场振幅分布，幅角则代表镜面上光场的相位分布。它表示的是在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，就是自再现模，通常叫做“横模”，m、n称为横模序数。(1)本征函数 和激光横模 mnumnu图3-3 横模光斑示意图第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.2 3.1.2 光学谐振腔的自再现模积分方程光学谐振腔的自再现模积分方程3.积分方程解的物理意义(2)本征
8、值 和单程衍射损耗、单程相移 mn本征值 的模反映了自再现模在腔内单程渡越时所引起的功率损耗，包括衍射损耗和几何损耗，但主要是衍射损耗，称为单程衍射损耗，用 表示：2122121mnmnqqqqquuuuumn第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论本征值幅角与自再现模腔内单程渡越后所引起的总相移有关。qqqquuuuargargarg11自再现模在对称开腔中单程渡越所产生的总相移定义为：argargarg1qquu自再现模在对称开腔中的单程总相移一般并不等于由腔长L所决定的几何相移，它们的关系为：mnmnkLkLargarg第三章第三章
9、激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.3 3.1.3 光学谐振腔谐振频率和激光纵模光学谐振腔谐振频率和激光纵模1.谐振条件、驻波和激光纵模(1)光波在腔内往返一周的总相移应等于2的整数倍，即只有某些特定频率的光才能满足谐振条件 1,2,3,22qq(2)每个q值对应一个驻波，称之为：纵模，q为纵模序数。(3)ckqkL222图(3-4)腔中允许的纵模数LqcLcLqcmnmnq222第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.3 3.1.3 光学谐振腔谐振频率和激光纵模光学谐振腔谐振频率
10、和激光纵模2.纵模频率间隔 腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔：mnmnqLcLqc22图(3-4)腔中允许的纵模数Lcqqq21第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论3.1.3 3.1.3 光学谐振腔谐振频率和激光纵模光学谐振腔谐振频率和激光纵模 10cm腔长的He-Ne激光器可能出现的纵模数量？30cm腔长的He-Ne激光器可能出现的纵模数量？图(3-4)腔中允许的纵模数激光谐振腔的谐振频率公式：激光谐振腔的谐振频率公式：纵模频率间隔公式：纵模频率间隔公式：Lcqqq21LqcLcLqcmnmnq222应用举例：He-Ne激光
11、器荧光谱的中心频率04.74l014Hz，荧光线宽F1.5l09 Hz，设=1，求：第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论光学谐振腔的衍射理论小结：小结：本征函数本征函数 和本征值和本征值 所代表的含义：所代表的含义：mnumnLqcLcLqcmnmnq222激光谐振腔的谐振频率公式：激光谐振腔的谐振频率公式：（1）本征函数 的模代表对称开腔任一镜面上的光场振幅分布，幅角则代表镜面上光场的相位分布。mnu（2）本征值 的模反映了自再现模在腔内单程渡越时所引起的功率损耗，幅角与自再现模腔内单程渡越后所引起的总相移有关。mn第三章第三章 激光器的输出特性激光器的
12、输出特性3.2 对称共焦腔内外的光场分布对称共焦腔内外的光场分布3.2.1 3.2.1 共焦腔镜面上的场分布共焦腔镜面上的场分布1.方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解(1)设方镜每边长为2a，共焦腔的腔长为L，光波波长为，并把x，y坐标的原点选在镜面中心而以(x，y)来表示镜面上的任意点，则在近轴情况下，积分方程有本征函数近似解析解：LyYLxXeYHXHCuYXnmmnmn2,2;)()(222其中本征值近似解：2)1(nmkLimneHm(X)和Hn(Y)均为厄密多项式，其表示式为：1)(0XHXXH2)(124)(22XXH2)1()(XmmXmmedXdeXH第三章第三章 激光器的
13、输出特性激光器的输出特性3.2 对称共焦腔内外的光场分布对称共焦腔内外的光场分布3.2.1 3.2.1 共焦腔镜面上的场分布共焦腔镜面上的场分布2.镜面上自再现模场的特征(1)振幅分布:令 ,则有图(3-5)画出了m=0，1，2和n=0，1的 的变化曲线，同时还画出了相应的光振动的镜面光强分布：2222)()(,)()(YnnXmmeYHYFeXHXF)()()()(222YFXFuIYFXFCunmmnmnnmmnmnYYFXXFnm)()(及图(3-5)的变化曲线及相应的光强分布YYFXXFnm)()(及基横模TEM00场分布为高斯线型：LyxeCu220000基横模TEM00光斑有效截面
14、半径：Lyxsss22第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.2 对称共焦腔内外的光场分布对称共焦腔内外的光场分布(2)位相分布：本征函数 为实函数，镜面本身构成光场的一个等相位面。(3)单程衍射损耗：一般忽略不计，但是在讨论激光器单横模的选取时必须考虑单程衍射损耗（4.1节）。(4)单程相移与谐振频率：)1(212222)1(arg2)1(nmqLcLcLqcnmekLmnqmnmnqmnnmkLimnmnmn22qnmqLc图(3-6)方形镜共焦腔的振荡频谱3.2.1 3.2.1 共焦腔镜面上的场分布共焦腔镜面上的场分布yxumn,第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3
15、.2 对称共焦腔内外的光场分布对称共焦腔内外的光场分布图3-7 计算腔内外光场分布的示意图1.腔内的光场可以通过基尔霍夫衍射公式计算由镜面M1上的场分布在腔内造成的行波求得。腔外的光场则就是腔内沿一个方向传播的行波透过镜面的部分。即行波函数乘以镜面的透射率t。3.2.2 3.2.2 共焦腔共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布中的行波场与腔内外的光场分布 2.如图3-7所示，将镜面场分布代入基尔霍夫衍射公式可得：zyxiwyxywHxwHCzyxussnsmmnmn,exp12exp 212212,222222222(,)(1)(1)()212Lxyx y zkmnLLz2其中 为无量纲参量。12
16、12LzarctgarctgLz其中 。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.2 对称共焦腔内外的光场分布对称共焦腔内外的光场分布小结：小结：基横模（基横模（TEM00）的光强分布是高斯线型。）的光强分布是高斯线型。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性3.3.1 3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布高斯光束的振幅和强度分布1.由3-29式可知，基横模TEM00的场振幅U00和强度I00分布分别为：22220012expsyxU22222000014expsyxUIz022 yx2.同样由3-29式可知，当场振幅为轴上()的值的e-1
17、倍，即强度为轴上的值的e-2倍时，所对应的横向距离 即z 处截面内基模的有效截面半径为；)2(1 2)(41212)(222222LzLzLyxLzzsssss于是在共焦腔中心(z0)的截面内的光斑有极小值，称为高斯光束的束腰半径：Ls21210第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性3.3.1 3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布高斯光束的振幅和强度分布1)()(1)(2121)2(1 2)(2202202220002zzzLLzLzs图(3-8)基模光斑半径随z按双曲线规律的变化3.于是可得到基模光斑半径 随 z 的规律变化，如图(3-8)。第
18、三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性3.3.2 3.3.2 高斯光束的相位分布高斯光束的相位分布)2)(1()2(12)21(2),(222nmLyxLzLzLzLkzyx忽略由于z变化引起的 的微小变化，用 代替 ，则在腔轴附近有：)(0z)(z2202221zxyLzzLzL 0222222000221212zxyxyLLzLzLz 0022222122212212zLzLkzLyxLzLzLzLk1.由3-29式可知，随坐标而变化：),(zyx0z且与腔的轴线相交于 点的等相位面的方程为：),0,0(),(0zzyx于是有：第三章第三章 激
19、光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性3.3.2 3.3.2 高斯光束的相位分布高斯光束的相位分布2202221zxyLzzLzL 0222222000221212zxyxyLLzLzLz 2.令 ，则有：)2(1 2000zLzR02220020220022012RyxRRRyxRRyxzz上式表明等位相面在近轴区域可看成半径为R0的球面。ABR0第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性3.3.2 3.3.2 高斯光束的相位分布高斯光束的相位分布当z00时，z-z00；而当z00时,z-z00 2202221zxy
20、LzzLzL 0222222000221212zxyxyLLzLzLz 3.由式子 可知：当LfzRLfz2)(200时，当)(;)(00000zRzzRz时，时，共焦腔反射镜面是共焦场中曲率最大的等相位面 图(3-9)共焦腔中等位相面的分布在等相位面插入相应曲率半径的反射镜，将使入射光沿原方向返回 第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性1.远场发散角 (全角)定义为双曲线的两根渐近线之间的夹角（参见图(3-8)）：022002222)(1)()(2lim2Lzzzzz2.由波动光学知道，在单色平行光照明下，一个半径为 r 的圆孔夫琅和费衍射角(
21、主极大至第一极小值之间的夹角)。与上式相比较可知高斯光束半角远场发散角在数值上等于以腰斑 为半径的光束的衍射角，即它已达到了衍射极限。2r61.003.3.3 3.3.3 高斯光束的远场发散角高斯光束的远场发散角图(3-8)基模光斑半径随z按双曲线规律的变化第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性1.亮度B定义为：单位面积的发光面在其法线方向上单位立体角范围内输出去的辐射功率。2.一般的激光器是向着数量级约为106 sr的立体角范围内输出激光光束的。而普通光源发光(如电灯光)是朝向空间各个可能的方向的，它的发光立体角为4sr。相比之下，普通光源的发
22、光立体角是激光的约百万倍。SIB3.3.4 3.3.4 高斯光束的高亮度高斯光束的高亮度222)(RR其中：第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.3 高斯光束传播特性高斯光束传播特性小结：小结：高斯光束的束腰半径表达式：高斯光束的束腰半径表达式：有效截面半径表达式：有效截面半径表达式：远场发散角的表达式远场发散角的表达式：Ls212102200)(1)(zz02222L第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.4 稳定球面腔的光束传播特性稳定球面腔的光束传播特性1.假设双凹腔两镜面M1与M2的曲率半径分别为R1和R2，腔长为L，而所要求的等价共焦腔的共焦参数为f。以等价共焦
23、腔中点为z坐标的原点，M1、M2两镜的z坐标为z1和z2，如图(3-10)所示，则有：图(3-10)球面腔的等价共焦腔LzzzfzRzfzR2122222111)(1 )(1 LRRLRLz22121LRRLRLz22112LRRLRRLRLRLf22121212.如果R1、R2、L满足 ，不难证明z10、z20、f0，这说明给定稳定球面腔可唯一确定一个等价共焦腔。1)1)(1(021RLRL 任意一个满足稳定性条件的球面腔唯一地与一个共焦腔等价。任意一个满足稳定性条件的球面腔唯一地与一个共焦腔等价。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.
24、1 均匀增宽型介质激光器的输出功率(1)腔内最小的光强：I+(0)(2)腔内最大光强：I-(2L)=r2I+(0)exp2L(G-a内)(3)输出光强：Iout=t1I-(2L)=t1r2I+(0)exp2L(G-a内)(4)镜面损耗：Ih=a1I-(2L)=a1r2I+(0)exp2L(G-a内)剩余部分：I+(0)=r1I-(2L)=r1r2I+(0)exp2L(G-a内)图(3-11)谐振腔内光强2.如图（3-11）稳定出光时激光器内诸参数为：(5)最大最小光强、输出光强和镜面损耗之间关系：由能量守恒定律可得：I-(2L)-I+(0)=Iout+Ih=(a1+t1)I-(2L)1.均匀增
25、宽型介质中通常只有一个纵模，即距离增益中心频率0最近的那个纵模频率q，于是有：sqIIGGG100第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率图(3-11)谐振腔内光强(6)平均行波光强 对于腔内任何一处z都有两束传播方向相反的行波I+(z)和I-(2L-z)引起粒子数反转分布值发生饱和，增益系数也发生饱和，近似用平均光强2I代替腔内光强 I+(z)+I-(2L-z)，用阈GIIGGs210作为腔内的平均增益系数，则腔内的平均行波光强为：)1(2)1(200总阈aGIGGIIss2.如图（3-11）稳定出光时激
26、光器内诸参数为：第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率2.激光器的输出功率 理想的情况 ，将全反射镜M2上的镜面损耗都折合到M1上，对M2有：0,0,1222atr对M1有：)(1111tar于是，激光器的总损耗为：)(1ln21ln211121taLrrLaa内总如果 很小，将 用级数展开取一级近似，可得：11ta)(1ln11ta Ltaa211总则激光器内行波的平均光强I可以化为：)12(2110taLGIIs激光器输出光强也可以表示为：)12(211011taLGtIItIsout若激光器的平均截
27、面为A，则其输出功率为：)12(211101taLGAItAIPsout0内a)32()1ln(32xxxx第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率3.输出功率与诸参量之间的关系 (1)P与Is的关系：两者成正比，饱和光强直接影响光功率(2)P与A的关系：两者成正比，高阶横模输的出功率较大)2()2()()0()2(111LItLItaILI(3)P与t1和a1的关系：实际中总是希望光波往返一次获得的能量都用于输出：t1过小虽然使G阈降低光强增强，但镜面损耗a1I-(2L)也将增大。)12(211101ta
28、LGAItAIPsout氦氖激光器（632.8nm谱线）：Is0.3W/mm2氩离子激光器（514.5nm谱线）：Is7W/mm2纵向二氧化碳激光器（10.6m谱线）：Is2W/mm2 t1过大会使增益系数的阈值G阈升高，而如果介质的双程增益系数2LG0不够大将会导致腔内光强减小，严重时使腔内不能形成激光。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率3.输出功率与诸参量之间的关系 为了使激光器有最大的输出功率，必须使部分反射镜的透射率取最佳值：0)(2(21)12(210211011101taLGAIttaLG
29、IAdtdPss解此方程得：)2()2(101121101aLGaaaLGt此时，激光器得输出功率为：210100101)2(21)122()2(21aLGAIaLGLGaLGaAIPss)12(211101taLGAItAIPsout第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率1.稳定出光时激光器内诸参数的表达式(1)腔内最大光强：(2)输出光强：(3)镜面损耗：)(2exp),0(),2(2内aGLIrLI)(2exp),0(),2()(211内aGLIrtLItIout)(2exp),0(),2()(2
30、11内aGLIraLIaIh(4)最小光强：)(2exp),0(),2(),0(211内aGLIrrLIrI光波在腔内传播情况如图3-12所示：图3-12 非均匀增宽激光器腔内的光强第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率1.稳定出光时激光器内诸参数的表达式(5)非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变光波的频率 不在非均匀增宽介质的中心频率处，光波在腔内传播时将有两部分粒子 和 粒子对它的放大作出贡献。zz即频率为 的光波，和 两束光在增益系数的曲线上 的两侧对称的“烧”了两个孔，如图3-13所示。),(
31、zI)2,(zLI0图3-13 非均匀增宽激光器的“烧孔效应”腔内不同地点的光强不同，取I作为平均光强，当增益不太大时 I=I+=I-，则介质对 光波的平均增益系数为：阈GIIGGsDD1)()(0这就是非均匀增宽型介质对非中心频率光波的增益系数的表达式。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率1.稳定出光时激光器内诸参数的表达式(5)非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变光波的频率为线型函数的中心频率 ，它只能使介质中速度为 的这部分粒子数密度反转分布值饱和。此时腔内的光强为I+I-，故介质对 的增益系
32、数为：0z00阈GIIIGGsDD)(1)()(000),2(),(00zLIzI若用平均光强2I来代替 ，则光波在腔中的平均增益系数可表示为：阈GIIGGsDD21)()(000图3-13 非均匀增宽激光器的“烧孔效应”这就是非均匀增宽型介质对中心频率光波的增益系数的表达式。第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率1.稳定出光时激光器内诸参数的表达式(5)非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变若腔内各频率的光强都等于Is，则 以及 附近的 光波所获得的增益系数分别为：002)()(3)()(0000GG
33、GGDDDD和 1)()(1)(21)(202000和阈阈GGIIGGIIDsDs若增益系数的阈值都相等，则 和 附近频率为 光波的平均光强分别为下值，且前者比后者要弱：00图3-13 非均匀增宽激光器的“烧孔效应”第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率2.激光器的输出功率 若腔内只允许一个谐振频率，且 ，此时腔内的平均光强为：0 激光器的输出光强为：1)(2()(2110taLGIIGs 1)(2()()(211011outtaLGItItIGs若 光束的截面为A，则激光器的输出功率为：1)(2()(
34、)(21101taLGIAtAIPGsout(1)单频激光器的输出功率 1)(2(21)(211000taLGIIGs激光器输出光强为：1)(2(21)()(211001010outtaLGItItIGs若腔内单纵模的频率为 ，激光器腔内平均光强为：0若 光束的截面为A，激光器的输出功率为：1)(2(21)()(21100100taLGIAtAIPDsout0第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率如图(3-14)所示，我们使单纵模输出的激光器的谐振频率由小到大变化，逐渐接近 时，输出功率也逐渐变大，但当
35、频率 变到212100IIIIss0此范围时，该光波在增益系数的曲线上对称“烧”的两个孔发生了重叠，直到 增益曲线上的两个孔完全重叠，输出功率下降至一个最小值。0 图(3-15)为兰姆凹陷与气压的关系曲线（P3P2P1）：图(3-15)“兰姆凹陷”与管中气压的关系图(3-14)P（）曲线与“兰姆凹陷”2.激光器的输出功率(1)单频激光器的输出功率 第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率若腔内允许多个谐振频率，且相邻两个纵模的频率间隔大于烧孔的宽度以及各频率的烧孔都是彼此独立的，则平均光强为：(2)多频激
36、光器的输出功率 输出功率为：1)(2(21 1)(2()(211002110taLGItaLGIIDsDs0 0 1)(2(21 1)(2()(21100121101taLGIAttaLGIAtPDsDs0 0 多频激光器的输出功率为：NiiPP1)(第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率若腔内多纵模的频率 对称的分布在 的两侧，也即有一个纵模率 ，必有另一个纵模频率 ，则在理想情况下纵模 的增益系数为：(2)多频激光器的输出功率 0b0b0纵模 在腔内的平均光强为：阈GIIGIIIGGsDsD21)(
37、)()(1)()(00 1)2)(21)(2110taLGIIDs纵模 的输出功率为：1)2)(21)(21101taLGIAtPDs该多模激光器的输出功率为：NiiPP1)(第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.5 激光器的输出功率激光器的输出功率小结：小结：兰姆凹陷：兰姆凹陷：图(3-15)“兰姆凹陷”与管中气压的关系图(3-14)P（）曲线与“兰姆凹陷”第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.6激光器的线宽极限激光器的线宽极限1.1.荧光线宽产生的原因荧光线宽产生的原因(1)能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度(2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度(或压力宽度)
38、。(3)发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物质的荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽。2.2.理想激光器的线宽理想激光器的线宽 激光器稳定工作时，其增益正好等于总损耗。受激过程中产生的光波与原来光波有相同的位相，所以新产生的光波与原来的光波相干叠加，使腔内光波的振幅始终保持恒定，相应的就有无限长的波列，故线宽应为“0”。如果激光器是单模输出的话，那么它输出的谱线应该是落在荧光线宽 范围内的一条“线”。F图(3-16)荧光谱线与理想的单色激光谱线第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.6激光器的线宽极限激光器的线宽极限3.3
39、.造成激光器线宽的原因造成激光器线宽的原因另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后位相无关的波列，这些波列和相干的波列的光强相叠加，使腔内的光强保持稳定。而这样一些一段一段的互相独立的自发辐射的波列也要造成一定的线宽。首先是内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射，激光器的增益应该包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，激光器内的能量平衡，应该是介质的受激辐射增益与自发辐射增益之和等于腔的总损耗，因而受激辐射的增益应略小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都存在一定的衰减率，正是这种衰减造成了一定的线宽。外部原因包括：温度波动、机械振动、工作气体压
40、力和温度变化、荧光谱线漂移等图(3-17)激光的极限线宽第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.7激光光束质量的品质因子激光光束质量的品质因子光束质量是激光束可聚焦程度的度量，描述激光光束品质的M2因子定义为：002M其中，和0分别为是激光束和基横模高斯光束的束腰半径；和0分别为实际光束和基横模高斯光束的远场发散角。对于基横模高斯光束，其束腰半径0 和远场发散角0分别为：两者乘积为常量：20LL2000以基横模高斯光束束腰半径0 和远场发散角0 作为比较对象能够克服光学变换系统所引起的单一量判据带来的不确定性。P71-S2-L1第三章第三章 激光器的输出特性激光器的输出特性3.7激光光束质量的品质因子激光光束质量的品质因子小结：小结：描述激光光束品质的描述激光光束品质的M2因子定义：因子定义：002M
