《激光原理》课件：5-4.ppt

1、第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限u 单模激光器的线宽由那些因素决定单模激光器的线宽由那些因素决定 无源腔线宽无源腔线宽 有源腔线宽有源腔线宽 u单模激光器的线宽极限单模激光器的线宽极限 自发辐射对单模输出线宽的影响自发辐射对单模输出线宽的影响 单模激光器输出线宽极限的估算单模激光器输出线宽极限的估算主主 要要 内内 容容第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限 单色性时间相干性（单色性时间相干性（频率频率特性）特性） 多模激光器谱宽多模激光器谱宽单模激光器线宽单模激光器线宽测量谱宽的方法：光谱仪测量

2、谱宽的方法：光谱仪 （分辨率：（分辨率：0.01nmGHz）；）； 扫描干涉仪扫描干涉仪 （MHz） 自差拍自差拍 （KHz） 第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限一、无源腔本征纵模线宽（一、无源腔本征纵模线宽（L=l）0( )RtI tI e腔内激光工作物质增益系数为零腔内激光工作物质增益系数为零时（无源腔），有：时（无源腔），有：10( )RI tI e120( )RA tA e光场振幅为：光场振幅为：光场为：光场为：120( )( )Ri ti tE tA t eA ee由频谱分析可得：由频谱分析可得：12cR2cL证明：证明：第第5章章

3、连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限二、有源腔纵模线宽极限二、有源腔纵模线宽极限1、计算方法：、计算方法：2ssL s= -GL: 有源腔单程净有源腔单程净损耗率损耗率2、产生线宽极限的机理、产生线宽极限的机理输出激光中有自发辐射的贡献。输出激光中有自发辐射的贡献。RLLLcc2cL第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限3、分配给每个激光模式的自发辐射几率、分配给每个激光模式的自发辐射几率Vm)(gAA32V=SL:V=SL:激光腔体积激光腔体积4、光子数速率方程、光子数速率方程（1）不考虑自发辐射的影响）不考虑

4、自发辐射的影响32( )RAdngdtm 23220( )()8 nAGg2038 m33220( )8RRAdngGdt VRdnAdta)b)第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限30RdGA ndt令令证明：证明：RL3()0GLA nL3sA n LGL30GA nL3()GLA nL5、有源腔单程净损耗率、有源腔单程净损耗率3sA n L6、线宽极限（、线宽极限（ = 0 , n=n3）（2）考虑自发辐射的影响）考虑自发辐射的影响3RdGA ndt3VRdnAAndt或或光在单程时间内自发辐射到激光模式中的光子数与模式光在单程时间内自发辐

5、射到激光模式中的光子数与模式总光子数之比。总光子数之比。第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限（2） 表达式表达式A3V0RdnAA ndt令令2(1)RAnVL nVL nS （3） 表达式表达式s00330222sA n LnShLLnSP 000022222202 L00022222224chhhhL PL PPP 3sA n L2ssL2cL00001122PI STSTh000002PPSThS h（1） 表达式表达式0第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限 例例1：某某激光器中心频率为激光器

6、中心频率为 0 =5 1014Hz，谐振腔长，谐振腔长L0.8m，单程损耗率，单程损耗率 =0.04，中心频率模式的输出功，中心频率模式的输出功率为率为P=0.05w，求此模式的线宽极限。，求此模式的线宽极限。解：解：MHzHzLccc4 . 210024. 08 . 014. 3210304. 022188HzHzPhcs4626143420104 . 21024005. 0)104 . 2(1051063. 614. 32)(2第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限FH =N+Li =D(:光源频谱线宽光源频谱线宽)T:振荡线宽振荡线宽c:无源

7、腔本征纵模线宽无源腔本征纵模线宽s:有源腔线宽极限有源腔线宽极限q:本征纵模频率间隔本征纵模频率间隔F:荧光线宽荧光线宽H:均匀线宽均匀线宽i:非均匀线宽非均匀线宽N:自然线宽自然线宽L:碰撞线宽碰撞线宽D:多普勒线宽多普勒线宽三、线宽小结三、线宽小结 0 0GmG0( )TGtLcsqmG21ND第第5章章 连续激光器的稳态工作特性连续激光器的稳态工作特性5.4 线宽极限线宽极限T:振荡线宽振荡线宽 103MHz c:无源腔本征纵模线宽无源腔本征纵模线宽 1MHzs:有源腔线宽极限有源腔线宽极限 10-3Hzq:本征纵模频率间隔本征纵模频率间隔 102MHzN:自然线宽自然线宽 10MHzL:碰撞线宽碰撞线宽 102MHzD:多普勒线宽多普勒线宽 103MHz线宽数量级线宽数量级(He-Ne)