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激光的基本原理及特性 - PowerPoint PPT Presentation


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第二部分 激光产生的 基本原理. 激光的基本原理及特性. 三、激光产生的基本原理 (一)、激光的形成及产生的基本条件 1 、粒子数反转分布. E. E. 玻尔兹曼分布. 反转分布. E 2. E 2. E 1. E 1. n. n 3. n 2. n 1. n 1. n 2. n 3. 单位时间内 STE 增加的光子数密度 单位时间内 STA 减少的光子数密度. 第二部分 激光产生的 基本原理. 激光的基本原理及特性. 正常分布 受激吸收 占主导 光衰减,吸收. 反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益.

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Presentation Transcript

第二部分

激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

三、激光产生的基本原理

(一)、激光的形成及产生的基本条件

1、粒子数反转分布

E

E

玻尔兹曼分布

反转分布

E2

E2

E1

E1

n

n3

n2

n1

n1

n2

n3

单位时间内STE增加的光子数密度

单位时间内STA减少的光子数密度


第二部分

激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

正常分布 受激吸收 占主导 光衰减,吸收

反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益

N2 > N1

N2 < N1

增益介质:处于粒子数反转分布状态的物质

为实现粒子数反转分布,要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好,

下能级的粒子数越少越好,上能级粒子数的寿命长些好。


第二部分

激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

2、激光器的基本结构

STE光子集中在几个模式

非轴向模

轴向模

技术思想的重大突破 - F-P 光谐振腔

  • 开放式光谐振腔使特定(轴向)模式的增加, 其它(非轴向)模式数

  • 逸出腔外,使轴向模有很高的光子简并度。

  • 工作物质, 光学谐振腔, 激励能源是一般激光器的三个基本部分。


第二部分

激光产生的

基本原理

1、实现粒子数反转(粒子数反常分布)

2、满足阈值条件(增益大于或等于损耗)

基本条件:

激光的基本原理及特性

3、激光产生的基本条件及激光形成过程

阈值:产生激光所要需的最低能量

激光形成过程:

泵浦(抽运)

粒子数反转

受激放大

振荡

放大

达到阈值

激光输出

  • 粒子数反转分布是STE占优势(产生激光)的前提条件

  • 依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡,

  • 实现粒子数反转

  • 激励(泵浦)能源是激光器基本组成部分之一

  • 光(闪光灯,激光)、电(气体放电,电注入)、化学 、核


第二部分

激光产生的

基本原理

h1

h2

h3

激光的基本原理及特性

(二)、光学谐振腔及激光的模式

1、光腔的构成及稳定条件

光学谐振腔的作用:提供反馈和模式选择

腔的构成与分类

2 < 1, 3

半导体激光器

介质波导腔

(a) 闭腔 (b) 开腔 (c) 气体波导腔

另:折叠腔、环形腔、复合腔

复合腔-腔内加入其它光学元件,如透镜,F-P标准具等


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激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

共轴球面镜腔的稳定性条件

 共轴球面镜腔 两反射镜为球面镜, 有共同光轴

凹面镜 R > 0; 凸面镜 R < 0; 平面镜 R=∞

 稳定条件: 几何偏折损耗

稳定腔任何傍轴光线可以在腔内往返无限多次不会

逸出腔外 几何偏折损耗小 (低损耗腔)

非稳定腔 傍轴光线有限次反射后便逸出腔外

几何偏折损耗大(高损耗腔) 几何光学方法

两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同

  • 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗


第二部分

激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

稳定判据

表 达 式

稳定腔 其中

g2

  • 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔)

g1g2 = 1

1

  • 稳定腔因腔损耗小,适用于中、

  • 小功率激光器;

  • 非稳腔可用于大功率激光器中,

  • 其优点是模体积大,还可限制

  • 模式

g1

-1

0

1

g1g2 = 1

-1


第二部分

激光产生的

基本原理

R

R

R

R

R

R

2

1

1

2

2

1

激光的基本原理及特性

2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式

(1)、平行平面镜腔:

R = R = ∞ 腔的模体积大,衍射损耗比较

大,常用在固体激光器中。

L

1

2

(2)、共焦腔:

R = R = L,腔的模体积最小,几何损耗小。

1

2

(3)、双凹腔:

> L,或者

> L,

< L,

< L,

但:

> L

腔的模体积大于共焦腔,一般用于中小功率激光器。

(4)、平凹腔:

当 L = R/2 时为半共焦腔,

一般也常用于中小功率激光器。


第二部分

激光产生的

基本原理

R

R

1

2

激光的基本原理及特性

2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式

(5)、实共心腔:

R + R = 1

对称共心腔:

1

2

= L/2

(6)、虚共焦腔:

R /2 + R /2= L,

1

2

  • 非稳腔的特点:

  • 具有较大的模体积

  • 具有较好的选模能力

  • 能实现光束的侧向耦合输出


第二部分

激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

3、谐振腔的纵模及驻波条件

  • (1)、模式表示方法及模式特征参数

  • TEMmnq-Transverse Electromagnetic wave

  • m, n- 横模指数 ; q-纵模指数

  • 模式主要特征:

  • * 场分布,谐振频率,往返损耗,发散角

沿光轴方向(纵向)场分布 E(z)- 纵模

场分布

垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)-横模

(2)、纵模(干涉仪理论)

- 具有相同的纵向场分布的模式


第二部分

激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

(3)、驻波条件(相长干涉条件)

模谱

n

n

  • 驻波场分布

L

L

  • 不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布

  • 纵模序数q 对应驻波场波节个数,q 很大,不计

  • 纵模间隔


第二部分

激光产生的

基本原理

TEM00

TEM10

TEM20

TEM03

TEM11

TEM31

TEM00

TEM01

TEM02

TEM10

TEM20

TEM30

激光的基本原理及特性

4、横模及横模的形成

横模-相同的横向场分布的模式(不同光斑花样)

(1)x, y轴对称TEMmn m-X向暗区数 n-Y向暗区数

(2)旋转对称TEMmnm-暗直径数;n-暗环数(半径方向)

  • 基(横)模 TEM00

  • 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状

  • 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件(布氏窗、

  • 反射镜等)会破坏腔的旋转对称性,出现轴对称横模。


第二部分

激光产生的

基本原理

激光的基本原理及特性

  • 横模产生的原因

开腔模式形成的定性解释


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